Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11654
Title: Denitrification of potable water with electrochemical and biological resources
Other Titles: Απονιτροποίηση πόσιμου νερού με ηλεκτροχημικές και βιολογικές διεργασίες
Authors: Ζιουβέλου, Αθηνά-Μαρία
Keywords: Denitrification
Water
Electrochemical
Eloectrocoagulation
Autotrophic
Hydrogenotrophic
Keywords (translated): Απονιτροποίηση
Νερό
Ηλεκτροχημική
Ηλεκτροκροκίδωση
Αυτότροφη
Υδρογονοτροφική
Abstract: Urbanization, population growth and production needs of food and every day goods, but above all the excessive use of fertilizers in crops and the increasing production of new chemical compounds, result in a significant reduction in available potable water reserves and in their quali-tative degradation. One of the most important problems of surface and groundwater is the pres-ence of nitrates and other nitrogen compounds. The presence of these compounds in potable wa-ter causes undesirable effects on natural systems (such as eutrophication) and in humans (such as methemoglobinemia, blue-baby syndrome, and various forms of cancer) making it essential to develop technologies to effectively remove them. Various treatment methods have been studied until this day, however in recent years research-ers have focused on the electrochemical treatment of potable water and in biological denitrifica-tion systems as they achieve high yields with small operating costs and are environmentally friend-ly. Electrochemical denitrification is a treatment method based on the movement and separation of ions in the solution under the influence of an external electric field. Its arrangement consists of cathode and anode electrodes where anion and cation exchange occur. The process takes place on a small surface of electrodes and there is no use of chemicals before and after the water treat-ment. Depending on the material selected for the anode and cathode electrodes, the process that is performed is either electrochemical reduction or electrocoagulation. Biological denitrification is a treatment method carried out by appropriate cultures of microor-ganisms using NO3- ions as the ultimate electron donor under anaerobic conditions. Hydrogen-otrophic denitrification is a promising method of nitrate removal. H2 is an excellent choice of elec-tron donor due to its pure nature, ease of production by electrolysis in the laboratory, low bio-mass production, as well as the removal of it or its agents is not required from the treated water. In the present study, the electrochemical denitrification of drinking water was studied in a la-boratory scale (electrolytic cell of 0.150 L volume) to remove nitrates. Experiments were conduct-ed under various operating conditions, aiming at maximum nitrate removal performance, and avoiding operational problems. Specifically, the effect of the initial concentration of nitrates (10-100NO3--Nmg/L), current intensity (10-40mA/cm2), electrolyte concentration (0-1gNaCl/L), and the electrodes’ construction material (Al, Cu, S-S, Fe, Brass, Sn, Ti/IrO2, Ti/IrO2-Pt, Ti/RuO2-Pt) were studied. Also, autotrophic hydrogenotrophic denitrification using mixed hydrogenotrophic cultivation was studied in laboratory scale reactors of suspended (1L) and attached (0.25L) biomass growth in batch as well as in continuous operation mode. Various operational parameters such as initial nitrate concentration (10-100NO3--Nmg/L), nutrient addition (Na2PO4, KH2PO4), residence time, and appropriate filling material (zeolite) for the fixed bed reactors have been studied. Also, to reduce the operating costs of the processes, renewable sources of energy from α pho-tovoltaic and a wind turbine were used for the power supply needed.
Abstract (translated): Η αστικοποίηση, η αύξηση του πληθυσμού και της ανάγκης παραγωγής της τροφής και των καθημερινών αγαθών, αλλά κυρίως η υπέρμετρη και αλόγιστη χρήση λιπασμάτων στις καλλιέρ-γειες και η αυξανόμενη παραγωγή νέων χημικών ενώσεων, έχουν ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση των διαθέσιμων αποθεμάτων πόσιμου νερού και στην ποιοτική υποβάθμισή τους. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα των επιφανειακών και υπόγειων νερών είναι η ύπαρξη νιτρι-κών και των υπόλοιπων ενώσεων τα αζώτου. Η παρουσία των ενώσεων αυτών στο πόσιμο νερό προκαλεί ανεπιθύμητες επιπτώσεις στα φυσικά συστήματα (όπως ευτροφισμό) και στον άνθρω-πο (όπως η μεθαιμοσφαιριναιμία και διάφορες μορφές καρκίνου), καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη τεχνολογιών για την αποτελεσματική απομάκρυνσή τους. Διάφορες μέθοδοι επεξεργασίας έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα, ωστόσο τα τελευταία χρόνια οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί στην ηλεκτροχημική επεξεργασία πόσιμου νερού και στην βιο-λογική απονιτροποίηση καθώς επιτυγχάνουν υψηλές αποδόσεις με μικρό σχετικά λειτουργικό κόστος και είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Η ηλεκτροχημική απονιτροποίηση είναι μια μέθοδος επεξεργασίας που βασίζεται στην κίνηση και τον διαχωρισμό των ιόντων στο διάλυμα, υπό την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Η διάταξή της αποτελείται από τα ηλεκτρόδια καθόδου και ανόδου όπου γίνεται η ανταλλαγή ανιόντων και κατιόντων. Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε μικρή επιφάνεια ηλεκτροδίων και δε γί-νεται χρήση χημικών πριν και μετά την επεξεργασία του νερού. Ανάλογα με το υλικό που επιλέ-γεται για τα ηλεκτρόδια της ανόδου και καθόδου η διεργασία που λαμβάνει χώρα είναι είτε η ηλεκτροκροκίδωση είτε ηλεκτροχημική αναγωγή. Η βιολογική απονιτροποίηση είναι μια μέθοδος επεξεργασίας που πραγματοποιείται μέσω κατάλληλης καλλιέργειας μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν τα NO3- ως τελικό δέκτη ηλε-κτρονίων υπό ανοξικές συνθήκες. Η υδρογονοτροφική απονιτροποίηση είναι μια πολλά υποσχό-μενη μέθοδος απομάκρυνσης νιτρικών. Το H2 είναι μια άριστη επιλογή δότη ηλεκτρονίων, λόγω της καθαρής φύσης του, της ευκολίας παραγωγής του μέσω ηλεκτρόλυσης στο εργαστήριο, της χαμηλής παραγωγής βιομάζας, καθώς επίσης δεν απαιτείται η αφαίρεση του από το επεξεργα-σμένο νερό. Στην παρούσα διπλωματική μελετήθηκε η ηλεκτροχημική απονιτροποίηση πόσιμου νερού σε αντιδραστήρα εργαστηριακής κλίμακας (ηλεκτρολυτικό κελί όγκου 0.150 L) με σκοπό την απο-μάκρυνση των νιτρικών. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες, στοχεύοντας στη μέγιστη απόδοση απομάκρυνσης νιτρικών και την αποφυγή λειτουργικών προ-βλημάτων. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επίδραση της αρχικής συγκέντρωσης των νιτρικών (10-100NO3--Nmg/L), της έντασης του ρεύματος (10-40mA/cm2), της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύ-τη (0-1gNaCl/L), καθώς και των υλικών κατασκευής των ηλεκτροδίων (Al, Cu, S-S, Fe, Brass, Sn, Ti/IrO2, Ti/IrO2-Pt, Ti/RuO2-Pt). Επίσης, μελετήθηκε η αυτότροφη υδρογονοτροφική απονιτροποίηση με χρήση μικτής υδρο-γονοτροφικής καλλιέργειας, σε εργαστηριακής κλίμακας αντιδραστήρες αιωρούμενης (1L) και προσκολλημένης (0.25L) ανάπτυξης, τόσο υπό διαλείπουσα όσο και συνεχή λειτουργία. Μελε-τήθηκαν διάφοροι λειτουργικοί παράμετροι όπως η αρχική συγκέντρωση νιτρικών (10-100NO3--Nmg/L), η προσθήκη θρεπτικών (Na2PO4, KH2PO4), ο χρόνος παραμονής και το κατάλληλο πλη-ρωτικό υλικό (ζεόλιθος) για τους αντιδραστήρες σταθερής κλίνης. Επίσης, για να μειωθεί το λειτουργικό κόστος των διαδικασιών, χρησιμοποιήθηκαν ανανεώ-σιμες πηγές ενέργειας όπως φωτοβολταϊκό και ανεμογεννήτρια για την απαιτούμενη παροχή ρεύματος.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Master thesis Athina Maria Ziouvelou.pdf2.61 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.