PhD Thesis Defence Presentations - ΑΝΔΡΕΑΣ ΜΠΕΝΕΚΟΣ

Η αυξημένη ρύπανση από νιτρικά ιόντα (ΝΟ₃^-) στα υπόγεια ύδατα, μαζί με άλλα αζωτούχα είδη (όπως αμμωνιακά κατιόντα, ΝΗ₄⁺ και νιτρώδη, ΝΟ₃^-), αποτελεί την κύρια αιτία για την ανάπτυξη συνθηκών ευτροφισμού στα υδατικά οικοσυστήματα. Επιπλέον, η κατανάλωση νερού μολυσμένου με νιτρικά έχει αναφερθεί ότι είναι επικίνδυνη για την ανθρώπινη υγεία, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη διαφόρων ασθενειών όπως διάφορες μορφές καρκίνου και προβλήματα του θυρεοειδούς. Ιδιαίτερα, οι έγκυες γυναίκες και τα βρέφη αντιμετωπίζουν σημαντικά υψηλότερο κίνδυνο. Στην περίπτωση των εγκυμοσύνων, σχετικές μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι η κατανάλωση νιτρικών σχετίζεται με διάφορα γενετικά ελαττώματα και περιστασιακά αποβολές, ενώ τα βρέφη κάτω των 12 μηνών εκτίθενται στην ασθένεια που ονομάζεται μεθαιμοσφαιριναιμία (επίσης γνωστή ως "σύνδρομο μπλε μωρού"), λόγω της ανασταλτικής επίδρασης των νιτρικών στη λειτουργία των ερυθρών αιμοσφαιρίων ως φορείς οξυγόνου.

Μεταξύ των πολυάριθμων διαδικασιών που προτείνονται ως πιθανές τεχνολογίες αφαίρεσης νιτρικών, η ηλεκτροχημική αφαίρεση νιτρικών και η αυτότροφη υδρογονοτροφική απονιτροποίηση μελετήθηκαν στη διάρκεια αυτής της διατριβής.

Όσον αφορά την ηλεκτροχημική αφαίρεση νιτρικών, η διεργασία της ηλεκτροκροκίδωσης αξιολογήθηκε υπό διάφορες πειραματικές συνθήκες. Στην πρώτη σειρά πειραμάτων, η διεργασία βασίστηκε στη χρήση ηλεκτροδίων αλουμινίου, μελετώντας την επίδραση διαφόρων παραμέτρων: αρχικό pH, αρχική συγκέντρωση νιτρικών ιόντων και πυκνότητα ρεύματος (εφαρμόζοντας τη διεργασία σε τεχνητά μολυσμένο με νιτρικά ιόντα, διάλυμα νερού βρύσης). Αφού αξιολογήθηκε το πως οι παραπάνω παράμετροι επηρεάζουν την αποδοτικότητα της διαδικασίας, το επόμενο βήμα ήταν η αντιμετώπιση του προβλήματος της παραγωγής αμμωνίου, που είναι το κύριο παραπροϊόν της ηλεκτροχημικής αναγωγής των νιτρικών ανιόντων. Τα αμμωνιακά κατιόντα είναι εξαιρετικά τοξικά για την ανθρώπινη υγεία (καθώς και για άλλα θηλαστικά) και η κατανάλωση νερού μολυσμένου με αμμώνιο εκθέτει τους οργανισμούς σε σοβαρές δυσλειτουργίες σε εσωτερικούς ιστούς, ιδίως στο ήπαρ και στους πνεύμονες. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της συσσώρευσης των αμμωνιακών κατιόντων ως παραπροϊόντα της ηλεκτροκροκίδωσης, εφαρμόστηκε ως μέθοδος μετ-επεξεργασίας η διεργασία της ηλεκτροχημικής οξείδωσης στο διάλυμα που είχε υποβληθεί σε ηλεκτροκροκίδωση, με στόχο την αφαίρεση των εξαιρετικά τοξικών για την ανθρώπινη υγεία κατιόντων αμμωνίου μέσω της οξείδωσής τους σε άλλες αζωτούχες μορφές (είτε σε νιτρικά ιόντα που παραμένουν σε υγρή μορφή εντός του διαλύματος, είτε σε αέριο άζωτο). Το υλικό του ηλεκτροδίου ανόδου ήταν μια πλάκα τιτανίου επιστρωμένη με IrO₂ (Ti/IrO₂), ενώ η επίδραση του υλικού του ηλεκτροδίου καθόδου, η εφαρμοζόμενη πυκνότητα ρεύματος και η ενεργή επιφάνεια του ηλεκτροδίου ανόδου ως προς την απόδοση της ηλεκτροχημικής οξείδωσης των αμμωνιακών κατιόντων αξιολογήθηκαν πειραματικά. Αφού καθορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για τη διαδικασία ηλεκτροκροκίδωσης και ηλεκτροχημικής οξείδωσης, οι διεργασίες αυτές εφαρμόστηκαν σε δύο περιπτώσεις πραγματικά μολυσμένων με νιτρικά υπόγειων υδάτων, μία με υψηλή συγκέντρωση νιτρικών από την Πουλακίδα, Αργολίδας (85 mg L^-1 αρχική συγκέντρωση NO₃^- - N) και μία με μέτρια χαμηλότερη αρχική συγκέντρωση νιτρικών από το Νέο Βουπράσιο, Αχαΐας (25 mg L^-1 αρχική συγκέντρωση NO₃^- - N). Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η ο συνδυασμός της ηλεκτροκροκίδωσης και της ηλεκτροχημικής οξείδωσης κατάφερε να απομακρύνει επιτυχώς τόσο τα νιτρικά ανιόντα όσο και τα αμμωνιακά κατιόντα, χωρίς την ύπαρξη οποιωνδήποτε επιβλαβών παραπροϊόντων στο τελικό διάλυμα.

Ως μια εξελιγμένη μορφή της υβριδικής ηλεκτροχημικής διεργασίας που περιγράφεται παραπάνω, μελετήθηκε μια συνεχούς ροή επεξεργασίας πραγματικά νιτρο-ρυπασμένων υπόγειων υδάτων από το Νέο Βουπράσιο, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια σιδήρου αντί για αλουμινίου. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα ηλεκτροκροκίδωσης σε λειτουργία διαλείποντος έργου, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια σιδήρου υπό διάφορες εφαρμοζόμενες πυκνότητες ρεύματος (20–40 mA cm⁻²). Αν και επιτεύχθηκε αφαίρεση νιτρικών 100%, παρατηρήθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίου (4.5–6.5 mg NH₄⁺ - N L⁻¹). Συνεπώς, εξετάστηκε ένα σύστημα συνεχούς ροής για την πλήρη εξάλειψη τόσο των νιτρικών όσο και των κατιόντων αμμωνίου που δημιουργούνται από την ηλεκτροκροκίδωση. Αυτό το σύστημα περιλάμβανε έναν αντιδραστήρα ηλεκτροκροκίδωσης, μια δεξαμενή καθίζησης και έναν αντιδραστήρα ηλεκτροχημικής οξείδωσης που συνδέονταν σε σειρά. Οι πυκνότητες ρεύματος που εφαρμόστηκαν στον αντιδραστήρα ηλεκτροκροκίδωσης υπό συνεχή ροή, ήταν οι ίδιες με εκείνες των πειραμάτων διαλείπουσας λειτουργίας που προαναφέρθηκαν, ενώ οι ρυθμοί ογκομετρικής παροχής που εφαρμόστηκαν στο σύστημα ήταν 4, 6 και 8 mL min⁻¹. Η πυκνότητα ρεύματος που χρησιμοποιήθηκε  στη διεργασία ηλεκτροχημικής οξείδωσης διατηρήθηκε σταθερή στα 75 mA cm⁻². Η αποδοτικότητα αφαίρεσης νιτρικών ιόντων κατά τη διεργασίας της ηλεκτροκροκίδωσης κυμάνθηκε μεταξύ 52 και 100%, και η συγκέντρωση των αμμωνιακών κατιόντων στο ρεύμα εξόδου του αντιδραστήρα ηλεκτροχημικής οξείδωσης μειώθηκε σημαντικά (53–100%), ανάλογα με την εφαρμοζόμενη πυκνότητα ρεύματος και τον ρυθμό ογκομετρικής παροχής του συστήματος σύστημα. Επιπλέον, η συγκέντρωση διαλυμένου σιδήρου στο επεξεργασμένο νερό παρέμεινε σταθερά κάτω από το νομοθετημένο όριο των 0.2 mg L⁻¹, φτάνοντας έως και τα 0.027 mg L⁻¹.

Επιπλέον, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε πειραματικά  και διεργασία της αυτότροφης υδρογονοτροφικής απονιτροποίησης. Συγκεκριμένα, ένα σύστημα συνεχούς ροής υδρογονοτροφικής απονιτροποίησης με προσκολλημένη ανάπτυξη μελετήθηκε για την επεξεργασία υπόγειων υδάτων. Χρησιμοποιήθηκαν δύο αντιδραστήρες στερεάς κλίνης σε σειρά, με πλαστικό πληρωτικό υλικό, χωρίς εξωτερική ρύθμιση του pH ή προσθήκη πηγής άνθρακα, στηριζόμενοι αποκλειστικά στα ανόργανα άλατα ανθρακικού που υπάρχουν στα υπόγεια ύδατα ως πηγή άνθρακα για τα βακτήρια απονιτροποίησης. Το υδρογόνο παραγόταν με ηλεκτρόλυση νερού χρησιμοποιώντας ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ελαχιστοποιώντας τους παράγοντες εξάντλησης πόρων της διαδικασίας επεξεργασίας. Το βιοφίλτρο δοκιμάστηκε με τρεις χρόνους παραμονής (13.5, 27 και 54 λεπτά, που αντιστοιχούν σε 20, 10 και 5 mL min^-1 εισερχόμενη παροχή νερού) και δύο ρυθμούς ροής υδρογόνου (10 και 20 mL min^-1) για την αξιολόγηση της αποδοτικότητάς του υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Σε όλες τις περιπτώσεις, επιτεύχθηκαν σημαντικά ποσοστά αφαίρεσης νιτρικών, που κυμαίνονταν μεταξύ 64% και 100%. Η διαδικασία επιβραδύνθηκε με χαμηλότερους χρόνους παραμονής και ρυθμούς ροής H₂, αλλά οι υπολειμματικές συγκεντρώσεις νιτρικών παρέμειναν εντός των 0-5.1 mg L^-1, κάτω από το μέγιστο επιτρεπτό όριο των 11.3 mg L^-1. Στις πειραματικές διατάξεις όπου ανιχνεύθηκε συσσώρευση νιτρωδών ιόντων, η διεργασία της ηλεκτροχημικής οξείδωσης με πυκνότητες ρεύματος 5.0, 7.5 και 10.0 mA cm^-² εξετάστηκε υπό συνεχή λειτουργία, ως στάδιο μετ-επεξεργασίας με στόχο την πλήρη αφαίρεση των τοξικών αυτών ανιόντων. Τέλος, αναπτύχθηκε και μελετήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο της διαδικασίας υδρογονοτροφικής απονιτροποίησης με προσκολλημένη ανάπτυξη για την πρόβλεψη του προφίλ των συγκεντρώσεων όλων των υποστρωμάτων που εξετάστηκαν στο βιοφίλτρο (νιτρικά, νιτρώδη, ανόργανος άνθρακας και υδρογόνο).