Βιολογικοί αντιδραστήρες για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων επιβαρυμένων με μέταλλα

Abstract

Nitrate is one of the most common pollutants present in aquatic environments. In high concentrations it becomes toxic, with negative impact on public health and ecosystems. Human activities of the primary and secondary production sector, such as agriculture, livestock and industry, are main sources of nitrate released in the environment. Mining and metallurgy are among the main industrial sectors, producing wastewater containing soluble metal species.Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE or e-waste) is considered as one of the fastest-growing waste categories worldwide. Waste Printed Circuit Boards (PCBs) are about 3% by weight of the total amount of WEEEs, with considerable economic value arising from their metal content, which is often higher than that of conventionally mined ores. They contain a wide variety of basic and precious metals, such as copper, tin, gold and silver. Thus, PCBs are an attractive source for metal recovery. Hydrometallurgical processing of PCBs offers attractive alternatives, as it can be established in local WEEE recycling industries, permitting the decentralized “green” production of pure metals compared to pyrometallurgy, which is by far more energy intensive, requiring expensive and complicated facilities. These processes include the use of acids, such as nitric and hydrochloric and mixtures of them (e.g. aqua regia), as lixiviants. Hence, their effluents may be rich in nitrates, chlorides and may contain residual metal ions. The present thesis deals with the biological treatment of wastewater originating from the hydrometallurgical recovery of basic (copper, tin) and precious (silver, gold) metals from PCBs. The purpose of the present work is to experimentally investigate and demonstrate the feasibility of biological denitrification of the wastewater via studying the effects of key factors, such as acidity, salinity and metal content, which generally stress bacteria and limit the microbial activity, leading to nitrate reduction. To this end, a pilot-scale packed-bed biofilm reactor was set up with a novel porous packing material which embeds trace elements for supporting the micronutrient requirements of an active biofilm. The bioreactor was inoculated with Halomonas denitrificans, a halophilic denitrifier capable of completely reducing nitrate to elemental nitrogen in the presence of high chloride content. The proposed single-stage process should meet three essential goals: (a) effluent neutralization; (b) nitrate removal; and (c) soluble metal species sequestering. Such results have not been reported in the literature at the beginning of and, during this work. The denitrifying capacity of the reactor was tested at different initial nitrate concentrations and pH and salinity values. The effect of soluble metal ions on denitrification was initially tested in synthetic wastewater containing iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn) and nickel (Ni). These metals are always present in the metallic fraction of PCBs in significant percentage and thus, are expected to be present in the wastewater of the hydrometallurgical process. The effect of carbon to nitrate nitrogen ratio (C/N) on denitrification was also experimentally tested in presence of the four metals. Following the experimental study of the system by using synthetic wastewater, the denitrification capacity of the bioreactor was confirmed by the treatment of ‘real’ wastewater produced from a hydrometallurgical process, developed for the recovery of tin (Sn), copper (Cu), gold (Au) and silver (Ag). This acidic wastewater contains a variety of soluble metals, with potentially synergistic negative effects on denitrification. A pretreatment process was developed and applied to ensure successful denitrification. The pretreatment protocol included: (a) mixing of equal volumes of the waste streams, (b) neutralization, (c) precipitation, (d) filtration and (e) dilution of the filtrate by a factor of about 5 with the nutrient solution. Following pretreatment, the effluent was successfully treated in the bioreactor. The effect of different electron donors on denitrification was furthermore investigated, including peptone, acetate and ethanol, while the effect of the presence of yeast extract was studied for the case of ethanol as electron donor. Finally, a mathematical model of biological denitrification in the presence of metals was developed, for the estimation of basic kinetic parameters, by fitting the experimental results. The model provides a valuable tool for understanding the behavior of denitrification systems in the presence of metal ions and can be used for optimization of the biological wastewater treatment. The results have shown that denitrification is achieved in the packed-bed bioreactor for a wide range of values of the initial parameters in the synthetic wastewater: (a) pH, from 3 to 8, (b) nitrate concentration, up to 6 000 mg/L, (c) salinity, from 5% to 10%, (d) soluble metal concentrations (Cu, Zn, Fe, Ni) up to 100 mg/L, and up to 50 mg/L, when the metals are simultaneously present, (e) sulfate concentrations, up to 2 000 mg/L, (d) C/N ratio, from 2.07 g C/g NO3-N to 5.18 g C/g NO3-N, and nitrate concentration, up to 14 000 mg/L. Nitrate is completely reduced through the formation of nitrite and the effluent becomes neutral. The presence of iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn) and nickel (Ni) does not inhibit denitrification, when present at concentrations up to 100 mg/L in the solution. Zinc (Zn), copper (Cu) and iron (Fe) are sequestered from the solution via the formation of insoluble metal hydroxides and carbonates, released during the reduction of nitrates to nitrogen gas. When sulphate is present in the metal bearing wastewater, partial sulphate reduction occurs simultaneously with denitrification. Thus, sulphide is available for metal precipitation. Nickel (Ni) has the ability to form inorganic and organic metal complexes with chlorides and organic molecules, respectively, remaining soluble in the reactor’s effluent. Nickel may be sequestered from solution via the formation of nickel sulphide. Thus, the presence of sulphate in the feed solution is necessary for nickel bioprecipitation. The results concerning the substitution of peptone by simple organic molecules show that denitrification is accomplished by planktonic cells of H. denitrificans using acetate and ethanol as electron donors. Similar experiments in the bioreactor show that the attached biomass is capable of complete denitrification with both organic substrates. Although yeast extract is not necessary for complete reduction of nitrates to nitrogen gas in the case of ethanol, its presence enhances bacterial activity and accelerates the denitrification process. The mathematical model simulates successfully the nitrate and nitrite kinetic profiles of the denitrification process in the presence of metal ions. Moreover, it predicts the bioprecipitation of the soluble metal species due to pH shift and alkalinity production during the microbial metabolic activity. Mechanisms regulating metal detoxification are also described, including those relative to calcium precipitation. However, the accuracy of the model depends on uncertainties included in both biotic and abiotic reactions and should be taken into account during the model development and implementation. Based on the above findings, the proposed system could be efficient for the treatment of water streams of similar composition, such as those originating from aquifers suffering simultaneously from nitrate and metal contamination and seawater intrusion. Further research could focus on the monitoring of simple organic molecules/electron donors during denitrification to optimize system parameters. Mathematical simulation of the processes in the biofilm layer could provide valuable and detailed information about the utilization of the organic substrate by microorganisms and the processes related to the attached microbial activity, respectively.

Η παρουσία των νιτρικών ιόντων στα υγρά ρεύματα υποβαθμίζει την ποιότητά τους, με σοβαρές αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία και στα οικοσυστήματα. Η προέλευση του μεγαλύτερου μέρους των νιτρικών ιόντων που καταλήγει στους υδάτινους αποδέκτες προέρχεται από ανθρώπινες δραστηριότητες του πρωτογενούς και δευτερογενούς τομέα παραγωγής, όπως τη γεωργία, την κτηνοτροφία και τη βιομηχανία. Βιομηχανικές δραστηριότητες που σχετίζονται με τη μεταλλευτική και τη μεταλλουργία παράγουν απόβλητα που περιέχουν συχνά σημαντικές συγκεντρώσεις διαλυτών ειδών μετάλλων. Τα απόβλητα ηλεκτρικού και ηλεκτρονικού εξοπλισμού (ΑΗΗΕ ή e-waste) αποτελούν την κατηγορία αποβλήτων με τον ταχύτερο ρυθμό αύξησης ετησίως σε παγκόσμια κλίμακα. Η περιεκτικότητά τους σε μέταλλα είναι συχνά μεγαλύτερη ακόμη και από αυτή των συμβατικών μεταλλευμάτων. Μια τέτοια περίπτωση αποβλήτων είναι οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (ΠΤΚ ή PCBs), για την κατασκευή των οποίων χρησιμοποιούνται βασικά μέταλλα, όπως χαλκός και κασσίτερος, σε σημαντικές ποσότητες, αλλά και πολύτιμα, όπως χρυσός και άργυρος. Έτσι, οι ΠΤΚ είναι ελκυστικός πόρος για την ανάκτηση μετάλλων. Οι υδρομεταλλουργικές διεργασίες κερδίζουν διαρκώς έδαφος, διότι είναι περιβαλλοντικά φιλικές, κυρίως ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας και την αποφυγή αερίων εκπομπών, και πιο ευέλικτες για εφαρμογές σε εγκαταστάσεις μικρής κλίμακας και σε τοπικό επίπεδο. Κατά τις διεργασίες αυτές χρησιμοποιούνται ως εκχυλιστικά μέσα ισχυρά οξέα, όπως νιτρικό οξύ, υδροχλωρικό οξύ και βασιλικό νερό, τα οποία οδηγούν σε υψηλές υπολειμματικές συγκεντρώσεις νιτρικών και χλωριόντων, αλλά και διαλυτών μετάλλων στα υγρά τους απόβλητα. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται την επεξεργασία υγρών αποβλήτων που προέρχονται από την υδρομεταλλουργική ανάκτηση βασικών και πολύτιμων μετάλλων από ΠΤΚ. Πιο συγκεκριμένα, σκοπός της Διατριβής είναι η πειραματική διερεύνηση της δυνατότητας για μικροβιακή απονιτροποίηση σε υγρά απόβλητα που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις νιτρικών ιόντων, χλωριόντων και διαλυτών ειδών μετάλλων. Η αναγκαιότητα για την ανάπτυξη συστημάτων παρόμοιων με αυτό που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής παρατίθεται στο Κεφάλαιο 1. Συνοπτικά, το Κεφάλαιο αυτό περιγράφει την προέλευση των νιτρικών ιόντων με έμφαση στις περιπτώσεις στις οποίες αυτά συνυπάρχουν με διαλυτά μέταλλα, τις επιπτώσεις τους στην υγεία των έμβιων όντων και στα οικοσυστήματα και τον τρόπο με τον οποίο διαχειρίζεται και αντιμετωπίζει το εθνικό και υπερεθνικό νομοθετικό και κανονιστικό πλαίσιο την παρουσία τους στα επιφανειακά και υπόγεια νερά. Στο Κεφάλαιο 2 αναπτύσσονται οι βασικές αρχές των διεργασιών απονιτροποίησης στα υγρά απόβλητα και οι λόγοι για τους οποίους η βιολογική επεξεργασία υπερέχει έναντι των υπολοίπων. Επίσης, παρουσιάζεται ο ρόλος των παραμέτρων που επηρεάζουν τη μικροβιακή απονιτροποίηση, όπως η πηγή άνθρακα, ο λόγος άνθρακα υποστρώματος και αζώτου νιτρικών (C/N), η συγκέντρωση διαλυτού οξυγόνου, το pH, η θερμοκρασία, η συγκέντρωση νιτρικών και νιτρωδών ιόντων, η αλατότητα, η παρουσία και η συγκέντρωση διαλυτών ειδών μετάλλων και η προσαρμογή της βιομάζας στις εκάστοτε συνθήκες. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται τα είδη των βιολογικών αντιδραστήρων και οι κύριες παράμετροι σχεδιασμού τους. Επιπρόσθετα, στο Κεφάλαιο αυτό παρατίθενται οι κύριες παράμετροι που καθορίζουν την ανάπτυξη των απονιτροποιητικών μικροοργανισμών, καθώς και τα κυριότερα λογισμικά που έχουν χρησιμοποιηθεί, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, για την προσομοίωση των μικροβιακών διεργασιών. Λαμβάνοντας υπόψη τα βιβλιογραφικά δεδομένα και για την επίτευξη του σκοπού της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και τέθηκε σε λειτουργία πρωτότυπος βιολογικός απονιτροποιητικός αντιδραστήρας σταθερής κλίνης και ανοδικής ροής. Επιλέχθηκε να αναπτυχθεί σε αυτόν καλλιέργεια Halomonas denitrificans (Kim et al., 2007) για την απονιτροποιητική της ικανότητα σε συνθήκες αυξημένης αλατότητας. Στη συνέχεια, διερευνήθηκαν πειραματικά οι κύριες παράμετροι λειτουργίας του συστήματος με συνθετικά διαλύματα. Τα συνθετικά διαλύματα περιείχαν τέσσερα μέταλλα, σίδηρο, χαλκό, ψευδάργυρο και νικέλιο, που είναι αντιπροσωπευτικά της σύστασης των ΠΤΚ, στις οποίες περιέχονται σε σημαντικά ποσοστά, και αναμένεται να είναι παρόντα και στα υγρά απόβλητα της υδρομεταλλουργικής διεργασίας. Η απόδοση του βιολογικού αντιδραστήρα δοκιμάστηκε και σε πραγματικά υγρά υδρομεταλλουργικά απόβλητα, αποτελώντας μέρος του διαγράμματος ροής πιλοτικής εφαρμογής για την επεξεργασία ΠΤΚ με στόχο την ανάκτηση χαλκού, κασσιτέρου, χρυσού και αργύρου. Τέλος, πραγματοποιήθηκε μαθηματική προσομοίωση για την εκτίμηση των κινητικών παραμέτρων της απονιτροποίησης μέσω προσαρμογής στα πειραματικά αποτελέσματα, με στόχο την κατανόηση των διεργασιών και τη δυνατότητα βελτιστοποίησης της λειτουργίας του βιολογικού αντιδραστήρα. Τα υλικά και οι μέθοδοι για όλα τα παραπάνω περιλαμβάνονται στο Κεφάλαιο 4. Στα Κεφάλαια 5 και 6 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη των παραμέτρων λειτουργίας του βιολογικού αντιδραστήρα. Εν συντομία, το σύστημα μίας βαθμίδας αντιδραστήρα σταθερής κλίνης και ανοδικής ροής εμβολιασμένο με το στέλεχος Halomonas denitrificans λειτούργησε σε ένα εύρος αρχικών τιμών των παραμέτρων: pH (3-8), συγκέντρωσης νιτρικών (έως 6 000 mg/L), αλατότητας (5%-10%), συγκέντρωσης των διαλυτών μετάλλων σιδήρου, χαλκού, ψευδαργύρου και νικελίου μεμονωμένα (έως 100 mg/L) και ταυτόχρονα (έως 50 mg/L), συγκέντρωσης θειικών ιόντων (έως 2 000 mg/L) και λόγου C/N (2.07 g C/g NO3-N-5.18 g C/g NO3-N) για συγκεντρώσεις νιτρικών έως 14 000 mg/L. Η συστηματική παρακολούθηση της λειτουργίας του βιοαντιδραστήρα έδειξε ότι η απονιτροποίηση πραγματοποιείται με εξουδετέρωση του διαλύματος και μέσω της ενδιάμεσης παραγωγής νιτρωδών προς αέριο άζωτο, χωρίς υπολειμματικές μορφές ανηγμένου αζώτου στην εκροή.Από τις δοκιμές σχετικά με τη μελέτη της επίδρασης της παρουσίας των μετάλλων προέκυψε ότι τα μέταλλα δεν αναχαιτίζουν την απονιτροποίηση σε συγκεντρώσεις μέχρι 100 mg/L. Ο ψευδάργυρος, ο χαλκός και ο σίδηρος απομακρύνονται από το διάλυμα σχηματίζοντας αδιάλυτα άλατα υδροξειδίων και ανθρακικών αλάτων των μετάλλων κατά την αναγωγή των νιτρικών. Η παρουσία θειικών ιόντων στην τροφοδοσία του βιολογικού αντιδραστήρα οδηγεί σε μερική αναγωγή τους σε θειούχα ταυτόχρονα με την απονιτροποίηση, με αποτέλεσμα να είναι διαθέσιμα για την καταβύθιση των μετάλλων. Το νικέλιο είναι το μόνο από τα μέταλλα που μελετήθηκαν που δημιουργεί σύμπλοκα με υποκαταστάτες χλωριόντα και οργανικά μόρια, παραμένοντας διαλυτό. Η καταβύθισή του πραγματοποιείται κυρίως μέσω του σχηματισμού θειούχου νικελίου, καθιστώντας απαραίτητη την προσθήκη ανάλογης ποσότητας θειικών ιόντων στο διάλυμα. Η διερεύνηση για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας με αντικατάσταση της πεπτόνης από απλά οργανικά μόρια (οξικού νατρίου και αιθανόλης) ως πηγές άνθρακα, έδειξε, αρχικά, ότι η βιομάζα αναπτύσσεται σε πλαγκτονική μορφή τόσο με οξικό νάτριο, όσο και με αιθανόλη. Σε επίπεδο βιοαντιδραστήρα, η πεπτόνη μπορεί να αντικατασταθεί τόσο από οξικό νάτριο σε συνδυασμό με εκχύλισμα ζύμης (yeast), όσο και από αιθανόλη, χωρίς να επιβαρυνθεί η εκροή με υπολειμματικές συγκεντρώσεις νιτρικών και νιτρωδών ιόντων. Η μελέτη σχετικά με την επίδραση που έχει η παρουσία εκχυλίσματος ζύμης στη διεργασία οδήγησε στο συμπέρασμα ότι αυτό επιδρά θετικά στην απονιτροποίηση. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τη μαθηματική προσομοίωση του απονιτροποιητικού συστήματος. Η προσομοίωση επιτυγχάνει να επιβεβαιώσει τόσο το προφίλ της κινητικής της απονιτροποίησης μέσω της παραγωγής νιτρωδών και της παραγωγής αλκαλικότητας, όσο και τους μηχανισμούς βιοκαταβύθισης των μετάλλων, συμπεριλαμβανομένου του ασβεστίου, παρά τις αβεβαιότητες σχετικά με τις παραμέτρους των βιοτικών και αβιοτικών σχέσεων που χρησιμοποιήθηκαν για την κατάστρωση του μοντέλου. Στο Κεφάλαιο 8 συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της Διατριβής που αφορούν την περιγραφή του συστήματος απονιτροποιητικού αντιδραστήρα, την πειραματική διερεύνηση των κύριων παραμέτρων που επηρεάζουν τη μικροβιακή απονιτροποίηση και των δυνατοτήτων του συστήματος να λειτουργεί αποδοτικά παρουσία μετάλλων, απομακρύνοντάς τα μέσω βιοκαταβύθισης. Τέλος, η μαθηματική προσομοίωση επέτρεψε την εκτίμηση των παραμέτρων της απονιτροποιητικής διεργασίας και την περιγραφή των μηχανισμών που ελέγχουν τη μείωση της τοξικότητας του αποβλήτου μέσω βιολογικής καταβύθισης των μετάλλων. Η παρούσα Διατριβή παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη προσπάθεια ανάπτυξης μικροβιακού απονιτροποιητικού συστήματος και επιβεβαίωσης της αποδοτικότητάς του μέσα από συστηματική πειραματική παρακολούθηση. Η επεξεργασία πραγματικών υδρομεταλλουργικών αποβλήτων, που περιέχουν πλήθος μετάλλων με δυνητικά συνεργιστική τοξική επίδραση στην απονιτροποίηση, έγινε δυνατή μετά από την επιτυχή εφαρμογή πρωτοκόλλου προεπεξεργασίας τους. Οι δοκιμές του απονιτροποιητικού συστήματος σε πιλοτική κλίμακα, ως μέρος του διαγράμματος ροής της υδρομεταλλουργικής διεργασίας, απέδειξαν την ικανότητά του να αντεπεξέρχεται σταθερά και με υψηλές αποδόσεις στην εισροή των αποβλήτων. Κύρια προοπτική είναι η αξιοποίηση του συστήματος που αναπτύχθηκε και σε άλλες εφαρμογές, όπου η απονιτροποίηση είναι επιτακτική για την επεξεργασία υγρών ρευμάτων, όπως για παράδειγμα, αυτών που απαντώνται σε υποβαθμισμένους υπόγειους υδροφορείς στους οποίους παρατηρείται ταυτόχρονα το φαινόμενο της υφαλμύρινσης. Παρόλα αυτά, όπως σε κάθε ερευνητική δουλειά, έτσι και στην παρούσα Διατριβή, υπάρχουν περιθώρια για περαιτέρω έρευνα. Η πειραματική παρακολούθηση της εξέλιξης της πηγής άνθρακα μέσω ποσοτικού προσδιορισμού απλών μορίων θα παρέχει πολύτιμη πληροφορία για τη μέγιστη δυνατή αξιοποίηση του οργανικού υποστρώματος. Τέλος, περαιτέρω εξέλιξη της μαθηματικής προσομοίωσης θα μπορούσε να αποτελέσει η εισαγωγή αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στην κλίνη του αντιδραστήρα σε επίπεδο βιολογικής στιβάδας μικροοργανισμών.