Έλεγχος δυσοσμίας σε δίκτυα αστικών λυμάτων με προσθήκη νιτρικού
Authors: Μαθιουδάκης Βασίλειος 
Published: January 2014

Η προσθήκη νιτρικού αποτελεί μία διαδεδομένη μέθοδο για τον έλεγχο δυσοσμίας σε δίκτυα αστικών λυμάτων. Ωστόσο, αν και η κινητική της απονιτροποίησης έχει μελετηθεί εκτεταμένα στα πλαίσια της βιολογικής επεξεργασίας, οι αντίστοιχες βιβλιογραφικές αναφορές, υπό συνθήκες δικτύου, είναι περιορισμένες. Στα πλαίσια διερεύνησης της παρούσας διατριβής, σχεδιάστηκε και λειτούργησε, αρχικά, ένας χημειοστάτης, ώστε να μελετηθεί η κινητική της αυτότροφης απονιτροποίησης μίας μικτής καλλιέργειας με ηλεκτρονιακό δότη θειούχο. Η συνεχής λειτουργία του χημειοστάτη, με τροφοδοσία συνθετικού υγρού αποβλήτου, απουσία οργανικού υποστρώματος, αποδείχθηκε αδύνατη για λόγο εισροής νιτρικού/θειούχου με τιμές μεταξύ 0,50-1,12 gNO3-N/gS-2. Αίτιο της αποτυχίας αποτέλεσε η συσσώρευση νιτρώδους, που οδηγεί σε παρεμπόδιση της αυτότροφης απονιτροποίησης και, εν τέλει, σε ξέπλυμα της βιομάζας. Η θερμοκρασία (300C), το pH (7,2) και ο συντελεστής αραίωσης (0,03 h-1) διατηρήθηκαν σταθερά, καθ’όλη την πειραματική περίοδο. Μετά την αδυναμία συνεχούς λειτουργίας του χημειοστάτη, σχεδιάστηκε και λειτούργησε ένας αντιδραστήρας ρευστοποιημένης κλίνης, ώστε να βρεθούν κατάλληλες συνθήκες που να καθιστούν την αυτότροφη απονιτροποίηση, υπό συνθήκες συνεχούς ροής, εφικτή. Επιλέχθηκε καθήλωση της βιομάζας και τροφοδοσία συνθετικού υγρού αποβλήτου που περιείχε, εκτός από θειούχο, οργανικά υποστρώματα (οξικό, γλυκόζη και πεπτόνη) ώστε να αποφευχθεί ξέπλυμα της βιομάζας και συσσώρευση νιτρώδους, αντίστοιχα. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η δυνατότητα ταυτόχρονης αυτότροφης και ετερότροφης απονιτροποίησης καθορίζεται από το είδος του οργανικού υποστρώματος. Πιο συγκεκριμένα, βρέθηκε ότι η αυτότροφη απονιτροποίηση, υπό συνθήκες περιορισμού του νιτρικού, μπορεί να πραγματοποιηθεί παρουσία γλυκόζης αλλά παρεμποδίζεται πλήρως παρουσία οξικού ή πεπτόνης. Πειράματα με αστικό λύμα δικτύου, ως οργανικό υπόστρωμα, επιβεβαιώνουν ότι η αυτότροφη απονιτροποίηση με θειούχο μπορεί να πραγματοποιηθεί ταυτόχρονα με την ετερότροφη απονιτροποίηση. Διαφορετική ομάδα πειράματων σε αντιδραστήρα διαλείποντος έργου μελέτησε την κινητική της απονιτροποίησης σε σηπτικό αστικό λύμα δικτύου, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η αναγωγή νιτρικού μπορεί να διαχωριστεί σε τρία στάδια και συνοδεύεται από προσωρινή συσσώρευση νιτρώδους. Κατά την διάρκεια του πρώτου σταδίου, το θειούχο οξειδώνεται πλήρως και στα ακόλουθα δύο, η παραγωγή του παρεμποδίζεται πλήρως. Παρατηρήθηκε ότι η έκταση της προσωρινής συσσώρευσης νιτρώδους καθορίζεται από την θερμοκρασία, η οποία έχει σημαντική επίδραση στο κινητικό προφίλ της αναγωγής νιτρικού. Από τους ρυθμούς που παραλήφθησαν, αναπτύχθηκαν εξισώσεις Arrhenius που προσδιορίζουν τους ρυθμούς των αντιδράσεων σε κάθε θερμοκρασία. Επιπλέον πειράματα διερεύνησαν την κινητική της απονιτροποίησης σε βιοφίλμ αγωγού, σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Στα πλαίσια των πειραμάτων σχεδιάστηκε και λειτούργησε ένας εργαστηριακός αγωγός πίεσης. Από τα αποτελέσματα βρέθηκε ότι η απονιτροποίηση πραγματοποιείται χωρίς σημαντική συσσώρευση νιτρώδους, ανεξάρτητα από την θερμοκρασία. Η ετερότροφη απονιτροποίηση βρέθηκε να ακολουθεί τυπική κινητική κατανάλωσης υποστρώματος σε σύστημα καθηλωμένης βιομάζας. Αρχικά η αναγωγή νιτρικού ακολουθεί φαινομενική κινητική μηδενικής τάξεως και ακολούθως, λόγω μερικής διείσδυσης του νιτρικού στο βιοφίλμ, κινητική μισής τάξεως (half order kinetics). Παρουσία θειούχου, η ανοξική οξείδωση θειούχου και η απονιτροποίηση παρουσιάζουν παρόμοια κινητικά προφίλ. Από τους ρυθμούς που παραλήφθησαν, αναπτύχθηκαν εξισώσεις Arrhenius που προσδιορίζουν τους ρυθμούς των αντιδράσεων σε κάθε θερμοκρασία. Τέλος, η προσθήκη νιτρικού εφαρμόστηκε, σε πλήρη κλίμακα, σε τρία δίκτυα αστικών λυμάτων της χώρας. Η εφαρμογή της προσθήκης νιτρικού στο δίκτυο αστικών λυμάτων του Δήμου Κερκυραίων, μήκους 6,7 Km, απέδειξε την αποτελεσματικότητα της μεθόδου για τον έλεγχο οσμών. Προσθήκη 2,6 KgNO 3-N/h μείωσε τις συγκεντρώσεις υδρόθειου από 13-28 g/m3 σε συγκεντρώσεις μικρότερες του 1 g/m3, κατά μήκος του δικτύου. Η μέθοδος εφαρμόστηκε, ακολούθως, στο δίκτυο αστικών λυμάτων της Παροικίας του Δήμου Πάρου αλλά και στο δίκτυο αστικών λυμάτων της περιοχής Παληού του Δήμου Καβάλας. Δοσομετρήσεις μεταξύ 1,4-2,3 και 0,3-0,5 KgNO3-N/h, αντίστοιχα, επίλυσαν πλήρως τα προβλήματα δυσοσμίας. Η συσχέτιση των ανοξικών ρυθμών, που προσδιορίστηκαν στα εργαστηριακά πειράματα, με τα υδραυλικά χαρακτηριστικά που ορίζουν ένα δίκτυο επέτρεψε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού ομοιώματος, το οποίο προβλέπει την κινητική της ανοξικής οξείδωσης θειούχου και της απονιτροποίησης. Το μαθηματικό ομοίωμα αποτέλεσε την βάση για την δημιουργία ενός λογισμικού προγράμματος που παρέχει στον χρήστη την δυνατότητα εύρεσης της βέλτιστης δοσομέτρησης νιτρικού, για αποτελεσματικό έλεγχο δυσοσμίας, σε υπό πίεση δίκτυα. Η προσωμοίωση των συνθηκών, που επικρατούσαν κατά την δοσομέτρηση νιτρικού στο δίκτυο αστικών λυμάτων της Παροικιάς και του Παληού, από το λογισμικό πρόγραμμα επιβεβαίωσε την ικανότητα του μαθηματικού ομοιώματος να προβλέψει ικανοποιητικά την βέλτιστη δοσομέτρηση νιτρικού, αφού οι προτεινόμενες δοσομετρήσεις συμφωνούν με τις βέλτιστες δοσομετρήσεις νιτρικού που προσδιορίστηκαν πειραματικά.