Study of biological nitrification kinetics under harsh environmental conditions
Authors: Αμπασζάντε Λεϊλα 
Published: February 2024

Η νιτροποίηση έχει εφαρμοστεί ευρέως στην επεξεργασία λυμάτων, ωστόσο η απόκτηση περισσότερης γνώσης σχετικά με τη φυσιολογία και την απόκριση του στρες των νιτροποιητών είναι απαραίτητη για τη βελτιστοποίηση της αφαίρεσης θρεπτικών συστατικών και το σχεδιασμό προηγμένων διεργασιών. Η κύρια εστίαση της διατριβής μας μπορεί να χωριστεί σε τρία κύρια μέρη.Στην πρώτη ενότητα της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετάται η διαδικασία βιολογικής νιτροποίησης των στραγγισμάτων που παράγονται από την τοπική υγειονομική ταφή στερεών αποβλήτων στην Πάτρα. Για το σκοπό αυτό, απομονώθηκαν πληθυσμοί νιτροποιητικών βακτηρίων και εκτέθηκαν σε περιβάλλον διαφορετικών συγκεντρώσεων στραγγίσματος. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν αύξηση της επιβραδυντικής δράσης του στραγγίσματος, στη νιτροποίηση, με αύξηση της συγκέντρωσής του στην τροφοδοσία. Τέλος, με τη χρήση της πλατφόρμας Aquasim, επιχειρείται η εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων που χαρακτηρίζουν τις αντιδράσεις νιτροποίησης και νιτροποίησης.Δεδομένου ότι η νιτροποίηση ξεκινά με την οξείδωση της αμμωνίας που εκτελείται από βακτήρια οξειδωτικής αμμωνίας (AOB), στο δεύτερο μέρος, ο σκοπός της μελέτης ήταν να διερευνήσει τις επιπτώσεις της βραχυπρόθεσμης ασιτίας αμμωνίας στην πρόσληψη αζώτου και στην απόδοση μετασχηματισμού, καθώς και στην απόδοση νιτροποιητών υπό διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις υποστρώματος και τιμές pH. Η στέρηση αμμωνίου για 3 ημέρες είχε ως αποτέλεσμα γρήγορη συσσώρευση αμμωνίου/αμμωνίας με τη διαθεσιμότητα αζώτου, με μέγιστο ρυθμό πρόσληψης 3,87 mmol gprotein -1 min-1. Επιπλέον, παρατηρήθηκε καθυστέρηση στην παραγωγή νιτρικών με την αύξηση των περιόδων λιμοκτονίας, με αποτέλεσμα βραδύτερη ανάκτηση και χαμηλότερο ρυθμό νιτροποίησης σε σύγκριση με κύτταρα που δεν λιμοκτονούν. Η μέγιστη ικανότητα συσσώρευσης αζώτου που παρατηρήθηκε ήταν 8,51% (w/w) ανεξάρτητα από την εξωτερική συγκέντρωση αζώτου, σε εύρος 250–750 mg N L-1, ενώ το pH επηρέασε σημαντικά την απόκριση των οξειδωτών αμμωνίας, με αλκαλικές τιμές ενίσχυση της πρόσληψης αζώτου. Συνολικά, η συσσώρευση αμμωνίας μετά από βραχυπρόθεσμη λιμοκτονία μπορεί να χρησιμεύσει ως μια σημαντική στρατηγική που βοηθά το AOB να αποκαταστήσει τη δραστηριότητά του, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούσε να εφαρμοστεί στην επεξεργασία λυμάτων για αποτελεσματική αφαίρεση αζώτου και επακόλουθη χρήση βιομάζας.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας μελέτης, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο μαθηματικό μοντέλο για να περιγράψει τη διαδικασία νιτροποίησης σε μικτές καλλιέργειες που περιλαμβάνουν απομονωμένο NOB και λιμοκτονία AOB. Η εξίσωση ανάπτυξης για το NOB χωρίστηκε σε αναβολισμό και καταβολισμό, διευκρινίζοντας τα βασικά υποστρώματα που οδηγούν τις μεταβολικές τους δραστηριότητες. Λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο της πείνας από αμμωνία, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο με βάση τα κύτταρα για να καταγράψει τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης AOB. Αυτή η προσθήκη επέτρεψε μια πιο ακριβή αναπαράσταση της βιολογικής δυναμικής κατά τις συνθήκες λιμοκτονίας. Η ακρίβεια του μοντέλου επικυρώθηκε χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα που δεν χρησιμοποιήθηκαν στο βήμα βαθμονόμησης του μοντέλου. Ο συντελεστής προσδιορισμού της πρόβλεψης (R2) υπολογίστηκε σε 0,9. Παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με τους περίπλοκους μηχανισμούς που διέπουν τη νιτροποίηση, αυτό το μοντέλο συμβάλλει στην προώθηση πρακτικών βιώσιμης επεξεργασίας λυμάτων.