ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ. Λύτρας Χρήστος

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ TYΠΟΥ SBR ΓΙΑ ΤΗΝ BIΟΛΟΓΙΚΗ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ ΑΠΟ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΜΕΣΩ ΠΑΡΑΚΑΜΨΗΣ ΤΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΝΙΤΡΙΚΩΝ ΣΕ ΥΓΡΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ Λύτρας Χρήστος Υπεύθυνος Καθηγητής: Γεράσιμος Λυμπεράτος ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΛΙΟΣ 2011

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το εργαστήριο Βιοχημικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Περιβάλλοντος ήταν ο χώρος μέσα στον οποίο ολοκλήρωσα αυτή τη μεταπτυχιακή διατριβή, με την πολύτιμη βοήθεια αρκετών ατόμων, τα οποία θα ήθελα να ευχαριστήσω από την θέση την οποία βρίσκομαι. Ευχαριστώ τον επιβλέποντα μου κ. Γεράσιμο Λυμπεράτο Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών για τη πολύτιμη βοήθεια, την καθοδήγηση, την συμπαράστασή, τις συμβουλές και τη φιλική διάθεση με την οποία με περιέβαλε. Ευχαριστώ επίσης τον Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Μιχάλη Κορνάρο για την πολύτιμη βοήθεια και συνεργασία. Ευχαριστώ επίσης τον επίκουρο καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών κ. Ιωάννη Κούκο για την πρόθυμη συμμετοχή του στην εξεταστική επιτροπή. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα παιδία του εργαστηρίου για την άψογη συνεργασία - 2 -

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια, τόσο σε παγκόσμιο επίπεδο αλλά κυρίως σε Ευρωπαϊκό, παρατηρείται μια προσπάθεια για θέσπιση διαρκώς αυστηρότερων νόμων και διατάξεων που αφορούν την πολιτική περιβάλλοντος, αντικατοπτρίζοντας την αυξημένη οικολογική συνείδηση του συνόλου των πολιτών. Παράλληλα, αναζητούνται μέθοδοι και τεχνικές προκειμένου σε όλους τους τομείς δραστηριότητας των ανθρώπων να επιτυγχάνεται περιορισμός της ρύπανσης. Μέσα σε αυτό το γενικότερο πλαίσιο διαχείρισης, ιδιαίτερη σημασία έχουν τα έργα αποχέτευσης και επεξεργασίας αποβλήτων, που ως σκοπό έχουν την όσο το δυνατόν γρηγορότερη και οικονομικότερη απομάκρυνση των ακάθαρτων και βλαβερών για το περιβάλλον νερών (απόβλητα), καθώς και την κατάλληλη επεξεργασία (καθαρισμό τους), ώστε να διατεθούν ακίνδυνα στο περιβάλλον (Αραβώσης et al, 2003). Σκοποί της διαδικασίας επεξεργασίας λυμάτων είναι η απομάκρυνση των αιωρούμενων σωματίων, της οργανικής ύλης, των μικροβιακών οργανισμών και της τροφικής τους αλυσίδας, αφήνοντας τα υγρά που απομένουν κατάλληλα για απορρόφηση από το έδαφος ή τη διάθεσή τους σε ποτάμια ή στη θάλασσα. Οι τρεις βασικές στάθμες της διαδικασίας επεξεργασίας λυμάτων χαρακτηρίζονται ως πρωτοβάθμια, δευτεροβάθμια και τριτοβάθμια. Κατά την πρωτοβάθμια επεξεργασία πρέπει να απομακρύνονται περίπου τα δυο τρίτα των αιωρούμενων σωματίων και το ένα τρίτο της οργανικής ύλης. Στη δευτεροβάθμια επεξεργασία σε δοχεία ή επιφάνειες αερισμού γίνεται αποδόμηση των μικροοργανισμών που μεταλλάσσονται σε οργανική ύλη. Στο πέρας της χρησιμοποιείται πολλές φορές χλώριο ή ενώσεις του για την απομάκρυνση των επιβλαβών μικροβίων. Αυτή είναι η τριτοβάθμια επεξεργασία, που απαιτείται μόνο όταν πρέπει τα επεξεργασμένα λύματα να χυθούν σε περιβαλλοντολογικά ευαίσθητη υγρή όδευση, οπότε απομακρύνονται οι θρεπτικές ουσίες, όπως αζωτούχες και φωσφορούχες ενώσεις που διευκολύνουν την ανάπτυξη βακτηρίων, μικροβιακών ή άλλων οργανισμών. Πρέπει να τονιστεί ότι οι τρεις αυτές διαδικασίες δεν είναι ποτέ πλήρως διαχωρισμένες και γενικά εξαρτώνται από το - 3 -

4 σύστημα επεξεργασίας λυμάτων και τις απαιτήσεις αποδόμησής τους. Οι υποχρεώσεις των μηχανικών, των ιδιοκτητών και των ενοίκων που ισχύουν για τις κεντρικές αποχετεύσεις κτιρίων ή οικισμών περιλαμβάνονται σε σχετική Υγειονομική Διάταξη (Aπ. E1β/221 της 22.1/ ΦEK 138B) ή αναφέρονται στο Γ.O.K., στον Kτιριοδομικό Kανονισμό και στην T.O.T.E.E. 2412/ 86. Προϋπόθεση για την κατασκευή ιδιωτικού συστήματος συλλογής, επεξεργασίας και διάθεσης των υγρών αποβλήτων είναι η έκδοση άδειας από την αρμόδια αρχή. H προστασία του περιβάλλοντος, του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και των θαλασσών επιβάλλει την αποφυγή διάθεσης λυμάτων κατά τρόπο που να προξενεί μόλυνση στο υδατικό απόθεμα της γης. Είναι έτσι αναγκαίο σε κάθε περίπτωση που δεν έχει εξασφαλιστεί κεντρικό δίκτυο αποχέτευσης να λαμβάνονται μέτρα διάθεσης των λυμάτων με κατασκευές που γίνονται με δαπάνη των κατασκευαστών των κτιρίων ή των οικισμών ώστε να εξασφαλίζεται διάθεση των λυμάτων κατά τρόπο που να μην επηρεάζεται δυσμενώς το περιβάλλον. Η νομοθεσία η σχετική με τη διάθεση των λυμάτων κτιρίων σε περιοχές χωρίς κεντρικό δίκτυο αποχέτευσης επιβάλλει την υποβολή μελέτης επεξεργασίας και διάθεσής τους (Τσίγκας, 2003) Τα τελευταία χρόνια, προκειμένου να ελεγχθεί η ρύπανση και να αποφευχθεί η περαιτέρω υποβάθμιση των υδατικών πόρων του πλανήτη, έχουν θεσπιστεί ειδικές νομοθετικές διατάξεις, που αφορούν στη βιολογική διεργασία των υγρών αποβλήτων πριν αυτά διατεθούν στους υδάτινους αποδέκτες. Έτσι η βιολογική απομάκρυνση τόσο του οργανικού φορτίου όσο και των θρεπτικών συστατικών (κυρίως αζώτου και φωσφόρου) έχει καταστεί πλέον επιτακτική. Οι διεργασίες βιολογικής απομάκρυνσης του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης βρίσκουν σήμερα ευρεία εφαρμογή στην επεξεργασία τόσο των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων όσο και στην προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία (NH + 4 ) σε νιτρώδη(no 2 ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν (νιτρώδη) σε νιτρικά (NO 3 ). Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των - 4 -

5 νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα μέσω της μετατροπής τους σε αέριο άζωτο. Τα τελευταία χρόνια, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για να παρακαμφθεί το στάδιο της νιτρικοποίησης. Είναι επιθυμητό η αμμωνία να οξειδώνεται σε νιτρώδη και μετά απευθείας να λαμβάνει χώρα η απονιτροποίηση, παρά να γίνεται πρώτα η μετατροπή σε νιτρικά στα συστήματα απομάκρυνσης αζώτου. Θεωρητικά εξοικονομείται περίπου 25% σε δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο) και 40% σε δότη ηλεκτρονίων, ενώ επίσης ο ρυθμός απονιτροποίησης αυξάνεται κατά 63% με μικρότερη παραγωγή βιομάζας, οφέλη ιδιαίτερα σημαντικά από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της μονάδας επεξεργασίας αποβλήτων. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το ph και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η εύρεση του βέλτιστου τρόπου λειτουργίας αντιδραστήρα SBR μέσω σχεδιαστικών και λειτουργικών διαφοροποιήσεων με σκοπό την απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα με παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών. Έγινε χρήση των κατάλληλων ρυθμίσεων του πλήθους και της διάρκειας των αερόβιων και ανοξικών φάσεων λειτουργίας του αντιδραστήρα σύμφωνα με την προηγούμενη γνώση που είχαμε αποκτήσει από την εμπειρία του εργαστηρίου πάνω σε αυτή την τεχνολογία και την πατέντα που έχει εξελίχθη στο εργαστήριο μας. Έτσι έγινε περαιτέρω εξέλιξη της πιλοτικής μονάδας που είχε εγκατασταθεί στο χώρο του Βιολογικού Καθαρισμού της πόλεως της Πάτρα σε μεγαλύτερη κλίμακα και σε πραγματικές συνθήκες μεταβολής οργανικής φόρτισης. Κατά την διάρκεια της παρούσας εργασίας έγινε σχεδιασμός και κατασκευή τριών διαφορετικών μονάδων επεξεργασίας λυμάτων τύπου SBR

6 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΘΕΩΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ Ρύπανση νερού Απομάκρυνση του αζώτου Νιτροποίηση (μικροβιολογία) Πλεονεκτήματα των νιτροποιητικών βακτηρίων Βιοχημεία της νιτροποίησης Α. Εξωθερμικά ενεργειακά μονοπάτια Β. Ενδοθερμικά μονοπάτια αφομοίωσης Στοιχειομετρία της νιτροποίησης Κινητική της νιτροποίησης Παράγοντες που επιδρούν στην κινητική της νιτροποίησης α. Επίδραση της θερμοκρασίας στην νιτροποίηση β. Επίδραση του διαλυμένου οξυγόνου στην νιτροποίηση γ. Επίδραση του ph στην νιτροποίηση Παρεμπόδιση της νιτροποίησης από ανόργανες και οργανικές ουσίες α) Γενικά περί παρεμπόδισης β) Ουσίες που παρεμποδίζουν την νιτροποίηση Απονιτροποίηση (μικροβιολογία) Βιοχημεία της απονιτροποίησης Στοιχειομετρία της απονιτροποίησης Κινητική της απονιτροποίησης Παράγοντες που επιδρούν στην κινητική της απονιτροποίησης α. Επίδραση της θερμοκρασίας στην απονιτροποίηση β. Επίδραση του διαλυμένου οξυγόνου στην απονιτροποίηση γ. Επίδραση του ph στην απονιτροποίηση Μικτές καλλιέργειες μικροοργανισμών Διεργασία ενεργού ιλύος Bιολογική απομάκρυνση του αζώτου με παράκαμψη της παραγωγής νιτρικών Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ SBR Ελλάδος Αναλυτική περιγραφή του αντιδραστήρα SBR Μία κυλινδρική δεξαμενή διαστάσεων Η D = m To σύστημα αερισμού Το σύστημα πλήρωσης και ανάδευσης της δεξαμενής Το σύστημα μεταφοράς του υπερκείμενου υγρού Χλωρίωση και διάθεση του απολυμασμένου υγρού Περιγραφή της λειτουργίας συστήματος SBR Πλήρωση της δεξαμενής Αερόβια επεξεργασία Ανοξική επεξεργασία Τελική αερόβια επεξεργασία Καθίζηση Άδειασμα του SBR / Απορροή του επεξεργασμένου υγρού ΤΕΧΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ SBR Αλβανίας ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Αναλυτικές μέθοδοι α) Ολικά αιωρούμενα στερεά, TSS

7 Φωτογραφία 4.4 Ξηραντήρας β) Πτητικά αιωρούμενα στερεά, VSS γ) Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο, COD δ) Αμμωνία ε) Νιτρώδη στ) Νιτρικά ζ)προσδιορισμός ολικού αζώτου κατά Kjeldahl η) Προσδιορισμός ολικού φωσφόρου θ) ph ι) Διαλυμένο Οξυγόνο (Δ.Ο) Όργανα, συσκευές και αναλώσιμα είδη που χρησιμοποιήθηκαν ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΥΠΟΔΕΙΞΕΙΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

8 1. ΘΕΩΡΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΤΟΥ ΑΖΩΤΟΥ 1.1 Εισαγωγή Τη σημερινή εποχή, το περιβάλλον, που αποτελεί το σύστημα ανάπτυξης ζωής, βρίσκεται σε κρίσιμη κατάσταση. Τόσο η ατμόσφαιρα της γης όσο και οι υδάτινοι πόροι, συμπεριλαμβανομένων των θαλασσών και των ωκεανών, αρχίζουν να γίνονται μάλλον ακατάλληλοι για τη συνέχιση της ζωής. Το μεγαλύτερο μερίδιο ευθύνης για αυτήν την ανεπιθύμητη εξέλιξη το κατέχει ο άνθρωπος. Από τη δραστηριότητα της σύγχρονης ανθρώπινης κοινότητας, παράγονται και παραπροϊόντα τα οποία εφόσον δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω, πρέπει να διατεθούν άμεσα στο φυσικό περιβάλλον. Τα παραπροϊόντα αυτά ονομάζονται απόβλητα και διακρίνονται σε στερεά, υγρά ή αέρια, ανάλογα με τη βασική τους φάση και σε αστικά, εμπορικά, βιομηχανικά και αγροτικά, ανάλογα με την πηγή προέλευσής τους. Ο ρυθμός διάθεσης των αποβλήτων, όμως, τις τελευταίες δεκαετίες είναι συνεχώς πολύ μεγαλύτερος από τον ρυθμό απορρόφησης τους (επανένταξής τους στις φυσικές διεργασίες), προκαλώντας σημαντικές διαταραχές στην οικολογική ισορροπία. Η ανάγκη, επομένως, για τεχνολογική παρέμβαση που θα αναπληρώσει, θα υποβοηθήσει ή θα επιταχύνει τις φυσικές διεργασίες που καθιστούν τα απόβλητα της ανθρώπινης δραστηριότητας ακίνδυνα για το περιβάλλον είναι άμεση και επιτακτική. Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή προϊόντων τα οποία δημιουργούν συνθήκες άνεσης και συμβάλλουν στην αναβάθμιση της ποιότητας ζωής της κοινωνίας μας. Παράλληλα όμως, η παραγωγή ενός τόσου μεγάλου πλήθους προϊόντων έχει σαν αποτέλεσμα την ταυτόχρονη παραγωγή και μεγάλων ποσοτήτων αποβλήτων. Με τον όρο αυτό εννοούνται κάποια παράπλευρα προϊόντα στις διάφορες παραγωγικές διαδικασίες που δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω και πρέπει - 8 -

9 στην συνέχεια να διατεθούν στο φυσικό περιβάλλον. Τα απόβλητα ανάλογα με τη φάση στην οποία βρίσκονται, διακρίνονται σε στερεά, υγρά και αέρια. Στη συγκεκριμένη εργασία ειδικότερα γίνεται αναφορά σε διεργασίες που αφορούν στα υγρά απόβλητα. Τα υγρά απόβλητα έχουν ως βάση το νερό και προκύπτουν από τη χρήση του σε ποικίλες δραστηριότητες όπως για παράδειγμα βιομηχανικές διεργασίες, πόση, αναψυχή, καθαριότητα κλπ.. Όλα αυτά υποβαθμίζουν σημαντικά την ποιότητά του με αποτέλεσμα να δημιουργούνται κίνδυνοι για τη δημόσια υγεία και να κινδυνεύουν τα φυσικά οικοσυστήματα με υποβάθμιση. Στα παραπάνω πρέπει να προστεθεί και το γεγονός ότι η τοξικότητα των υγρών αποβλήτων αυξάνεται συνεχώς λόγω της επιβάρυνσής τους με τοξικές χημικές ουσίες που παρασκευάζονται τελευταία από τον άνθρωπο με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Για τους λόγους αυτούς είναι αναγκαία η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων πριν από τη διάθεσή τους. Σκοπός της επεξεργασίας καθαρισμού των υγρών αποβλήτων είναι η επαναφορά του χρησιμοποιούμενου νερού στη φύση ή στο κύκλωμα παραγωγής με αποδεκτά ποιοτικά χαρακτηριστικά, που θα είναι συμβατά με τις επιθυμητές χρήσεις, ώστε να προστατευθεί η δημόσια υγεία και τα φυσικά οικοσυστήματα, να διατηρηθεί το περιβάλλον και να μην υποβαθμιστούν οι υδάτινοι πόροι του πλανήτη, οι οποίοι δεν είναι ανεξάντλητοι, μπροστά στον συνεχώς αυξανόμενο πληθυσμό και τις πολλαπλάσιες ανάγκες του. Οι κυριότερες ρυπογόνες ουσίες οι οποίες συναντώνται στα υγρά απόβλητα είναι οι παρακάτω (Λυμπεράτος, 2001): Αιωρούμενα στερεά και οργανικές ουσίες: τα αιωρούμενα στερεά προκαλούν αύξηση της θολότητας του νερού ενώ οι οργανικές ουσίες κατά τη αποδόμησή τους προκαλούν δέσμευση του οξυγόνου στους φυσικούς αποδέκτες με αποτέλεσμα τον κίνδυνο θανάτωσης των φυσικών οικοσυστημάτων. Άζωτο και Φώσφορος: Η απομάκρυνση αζώτου και του φωσφόρου απαιτείται συχνά πριν την απόθεση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων σε ευαίσθητους φυσικούς αποδέκτες νερού. Αυτό γίνεται κυρίως για την αποφυγή προβλημάτων όπως ο ευτροφισμός. Βαρέα μέταλλα: Τα βαρέα μέταλλα όταν βρίσκονται σε σημαντικές συγκεντρώσεις στο νερό μπορεί να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα υγείας στον ανθρώπινο οργανισμό

10 Για τον καθαρισμό των υγρών αποβλήτων εφαρμόζονται διάφορα στάδια επεξεργασίας τα οποία είναι συνδυασμός φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών. Τα στάδια αυτά αναφέρονται συνοπτικά στη συνέχεια: 1. Προεπεξεργασία: σκοπός αυτού του σταδίου είναι η προστασία των επόμενων σταδίων. Γίνεται απομάκρυνση των ογκωδών αντικειμένων, της άμμου, των λιπών και των ελαίων και εξασφαλίζεται η ομοιόμορφη φόρτιση των επόμενων σταδίων. 2. Πρωτοβάθμια επεξεργασία: σκοπός εδώ είναι η απομάκρυνση των οργανικών και ανόργανων στερεών. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση διεργασιών όπως η καθίζηση, η επίπλευση, η κροκίδωση. 3. Δευτεροβάθμια επεξεργασία: σκοπός είναι η απομάκρυνση των οργανικών ουσιών με τη χρήση βιολογικών διεργασιών (δραστική λάσπη, βιοφίλτρα, χαλικοδιϋλιστήρια κ.α.). 4. Τριτοβάθμια επεξεργασία: σκοπός είναι η απομάκρυνση κυρίως του αζώτου και του φωσφόρου καθώς επίσης και άλλων τοξικών ουσιών. 5. Επεξεργασία και διάθεση της λάσπης: σκοπός είναι η ελάττωση του όγκου της μέσω της απομάκρυνσης του υγρού και η αποδόμηση οργανικών που προκαλούν δυσοσμία. Ο κύριος στόχος ακόμα και σήμερα, κατά την επεξεργασία υγρών αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων παραμένει η δευτεροβάθμια επεξεργασία με την οποία επιδιώκεται η απομάκρυνση αιωρούμενων στερεών καθώς και του οργανικού και του μικροβιακού φορτίου που φέρουν τα απόβλητα. Αυτές όμως οι μονάδες επεξεργασίας αποτυγχάνουν να απομακρύνουν αποτελεσματικά τα θρεπτικά συστατικά, όπως είναι το άζωτο και ο φώσφορος. Η σημασία της απομάκρυνσης του αζώτου έχει αναγνωριστεί τα τελευταία χρόνια με αποτέλεσμα να ενταθούν οι προσπάθειες προς την κατεύθυνση ανάπτυξης κατάλληλων βιολογικών διεργασιών για την απομάκρυνσή του από τα υγρά απόβλητα. Το άζωτο βρίσκεται στα απόβλητα κυρίως με τη μορφή οργανικού αζώτου και αμμωνίας καθώς και σε μικρές συγκεντρώσεις ως νιτρώδη και νιτρικά. Η παρουσία αζώτου στα υγρά απόνερα, επεξεργασμένα ή μη, που διατίθενται σε έναν τελικό αποδέκτη μπορεί να προκαλέσει την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη φυκών (ευτροφισμός) με

11 αποτέλεσμα την οικολογική καταστροφή του αποδέκτη. Η ελεύθερη μορφή αμμωνίας ακόμα και σε μικρές ποσότητες είναι τοξική για τα ψάρια καθώς παρεμποδίζει την μεταφορά του οξυγόνου στα βράγχια. Επιπλέον, η αμμωνία οξειδώνεται από αυτότροφους μικροοργανισμούς δεσμεύοντας διαλυμένο οξυγόνο (νιτρογενής απαίτηση οξυγόνου) μειώνοντας έτσι την απόδοση της χλωρίωσης λόγω σχηματισμού χλωραμίνων. Τέλος, η διάθεση νιτρωδών και νιτρικών σε έναν τελικό αποδέκτη μπορεί να προκαλέσει το σχηματισμό καρκινογόνων ενώσεων μετά από την πρόσληψή τους από ζωντανούς οργανισμούς. Η απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα στις περισσότερες μονάδες που επιτυγχάνουν τριτοβάθμια επεξεργασία (Α2/Ο, οξειδωτική τάφρος, Bardenpho, SBR) επιτυγχάνεται μέσω των βιολογικών διεργασιών της νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Στην νιτροποίηση το αμμωνιακό άζωτο (ΝΗ + 4 -Ν) οξειδώνεται σε νιτρώδες (ΝΟ -Ν) και εν συνέχεια σε νιτρικό (ΝΟ 2 3 -Ν) σε αερόβιες συνθήκες με τη βοήθεια βακτηρίων του γένους Nitrosomonas και Nitrobacter αντίστοιχα. Στην απονιτροποίηση, τα νιτρικά μετατρέπονται σε νιτρώδη, σε αέρια οξείδια του αζώτου (ΝΟ, Ν 2 Ο) και τελικά σε αέριο άζωτο σε ανοξικές συνθήκες με τη βοήθεια απονιτροποιητικών βακτηριδίων (όπως η Pseudomonas denitrificans και ο Bacillus subtilis). Ένας μεγάλος αριθμός εναλλακτικών διατάξεων νιτροποίησηςαπονιτροποίησης έχει προταθεί και πολλές από αυτές βρίσκονται ήδη σε εφαρμογή. Από το σύνολο των διαφορετικών διατάξεων ενεργού ιλύος, ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει αποκτήσει τα τελευταία χρόνια μια διάταξη νιτροποίησης-απονιτροποίησης τύπου διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (SBR). Τα σύστημα αυτό βρίσκει ιδανική εφαρμογή σε περιπτώσεις διακεκομμένης ή περιοδικής παροχής αποβλήτου και σε μικρούς οικισμούς ή βιομηχανικές μονάδες. Ανάμεσα στα πλεονεκτήματά του συγκαταλέγονται το μικρό πάγιο και λειτουργικό του κόστος, η μεγάλη ευελιξία στη λειτουργία του και η ευκολία στο χειρισμό του

12 1.2 Ρύπανση νερού Τα υγρά απόβλητα προκύπτουν από τη χρησιμοποίηση του νερού για διάφορες δραστηριότητες (πόση, ύδρευση, παραγωγικές διεργασίες, καθαριότητα, αναψυχή) οι οποίες το επιβαρύνουν με ορισμένες ξένες προσμίξεις που το καθιστούν ακατάλληλο για περαιτέρω χρήση. Η επαναφορά του χρησιμοποιούμενου νερού στη φύση ή στο κύκλωμα παραγωγής χωρίς τα αποδεκτά ποιοτικά χαρακτηριστικά, έτσι όπως καθορίζονται από τα πρότυπα ποιότητας (quality standards), μπορεί να έχει καταστροφικά αποτελέσματα για το φυσικό περιβάλλον και την δημόσια υγεία. Η αναγκαιότητα για ανθρώπινη παρέμβαση στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων πριν τη διάθεσή τους είναι προφανής και οι λόγοι που την επιβάλλουν είναι οι εξής: Η ανάγκη για προστασία της δημόσιας υγείας, της ποιότητας ζωής και των φυσικών οικοσυστημάτων. Η αυξημένη τοξικότητα των αποβλήτων λόγω της ανεξέλεγκτης διάθεσης νέων συνθετικών τοξικών ουσιών που προκύπτουν από την παραγωγική διαδικασία. Η συνεχής αύξηση των πηγών ρύπανσης και η προοδευτική εξάντληση της φυσικής αφομοιωτικής ικανότητας (αυτοκαθαρισμός) του περιβάλλοντος. Αυτό έχει σαν συνέπεια να διαγράφεται σοβαρότατος κίνδυνος αναντίστρεπτης διαταραχής των φυσικών ισορροπιών. Η αλλοίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των φυσικών υδάτινων αποδεκτών (ποτάμια, λίμνες, θάλασσες), λόγω της απευθείας διάθεσης των υγρών αποβλήτων, με αποτέλεσμα να γίνεται προβληματική η συνεχιζόμενη και μελλοντική χρήση τους. Η συνεχώς αυξανόμενη ανάγκη για κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων νερού και η ανεπάρκεια του διαθέσιμου νερού για όλες τις επιθυμητές χρήσεις

13 (μόνο το % της συνολικής ποσότητας του νερού είναι άμεσα διαθέσιμο για χρήση). Η απαίτηση για ορισμένη διακύμανση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού για διάφορες χρήσεις (ύδρευση, άρδευση, αναψυχή, διαβίωση υδρόβιων οργανισμών), η οποία καθορίζεται από τα πρότυπα ποιότητας (quality standards) [1]. Οι κύριες μορφές ρυπογόνων ουσιών στο νερό που απαιτούν εξουδετέρωση πριν από τη διάθεση του στους φυσικούς αποδέκτες, εάν πρόκειται για νερό λυμάτων, ή στο δίκτυο ύδρευσης, εάν πρόκειται για πόσιμο νερό, είναι οι εξής [2] : Διαλυτές οργανικές ουσίες και αιωρούμενα στερεά Τα οργανικά όταν διατεθούν στο φυσικό αποδέκτη χωρίς επεξεργασία, προκαλούν δέσμευση του διαλυμένου οξυγόνου, με άμεσες τοξικές συνέπειες για το οικοσύστημα (θάνατος ψαριών, δημιουργία αναερόβιων συνθηκών και παραγωγή δύσοσμων αερίων). Τα αιωρούμενα στερεά, εκτός από το ότι προκαλούν θολότητα στο νερό, λόγω της προοδευτικής διάσπασης του οργανικού μέρους τους προκαλούν επίσης μείωση του διαλυμένου οξυγόνου και παραγωγή επιβλαβών αερίων. Άζωτο και Φώσφορος Η παρουσία ενώσεων φωσφόρου σε συνδυασμό με την παρουσία αζώτου, μπορεί να προκαλέσει την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη φυκών και άλλων φωτοσυνθετικών υδρόβιων οργανισμών, με αποτέλεσμα την αισθητική υποβάθμιση του αποδέκτη και τη μείωση του διαλυμένου οξυγόνου (φαινόμενο ευτροφισμού). Επειδή τα δύο αυτά στοιχεία είναι απαραίτητα για την κυτταρική ανάπτυξη σε μεγαλύτερες ποσότητες από άλλα όπως το θείο, ο σίδηρος, το κάλιο, το μαγνήσιο και το ασβέστιο, ονομάζονται συνήθως με μια λέξη θρεπτικά. Η εμπειρία έχει δείξει ότι το άζωτο αποτελεί το περιοριστικό θρεπτικό για τον έλεγχο του ευτροφισμού σε περιοχές αλμυρού νερού ενώ ο φώσφορος σε περιοχές γλυκού νερού. Τοξικές χημικές ουσίες, βαρέα μέταλλα και ραδιενεργά υλικά

14 Προέρχονται κυρίως από βιομηχανικά απόβλητα και η παρουσία τους πάνω από ορισμένες τιμές απαγορεύεται, τόσο από ελληνικούς όσο και ευρωπαϊκούς και διεθνείς κανονισμούς (ΕΕC, U.S. EPA, WHO κλπ.), λόγω των δυσμενών επιδράσεών τους στη δημόσια υγεία (καρκινογένεση, μεταλλαξιογένεση και τερατογένεση). Ειδικότερα, τα βαρέα μέταλλα (κάδμιο, μόλυβδος, υδράργυρος και χαλκός) παρόλο που είναι απαραίτητα σε μικρές ποσότητες για την κυτταρική ανάπτυξη, η υψηλή συγκέντρωσή τους μπορεί να αποβεί τοξική τόσο για τα ίδια τα κύτταρα όσο και για τον άνθρωπο. Η επεξεργασία καθαρισμού των λυμάτων αποβλέπει στην απομάκρυνση, εξουδετέρωση ή κατάλληλη τροποποίηση των επιβλαβών χαρακτηριστικών τους, ώστε να εξαλειφθούν ή να ελαττωθούν σε αποδεκτό επίπεδο οι δυσμενείς για τον τελικό αποδέκτη συνέπειες. Για τον καθαρισμό των υγρών αποβλήτων χρησιμοποιούνται είτε φυσικοχημικές διεργασίες (μονάδες λειτουργίας που χρησιμοποιούν φυσικά ή χημικά φαινόμενα) είτε βιολογικές διεργασίες (μονάδες επεξεργασίας αποβλήτων από μικροοργανισμούς). Συνήθως, προτιμάται η συνδυασμένη χρήση τους για να επιτευχθούν καλύτερα αποτελέσματα. Στην ταξινόμηση των διαφόρων διεργασιών αναγνωρίζουμε τα εξής [3] : Προεπεξεργασία. Χρήση φυσικών διεργασιών όπως σχάρισμα, αμμοσυλλογή, λιποσυλλογή κ.λπ. που στοχεύουν στην προετοιμασία των αποβλήτων για την κυρίως επεξεργασία. Επιφέρει αμελητέα βελτίωση στην ποιότητα των λυμάτων, αλλά βοηθά σημαντικά στην καλή λειτουργία της εγκατάστασης. Πρωτοβάθμια Επεξεργασία Χρήση φυσικών διεργασιών όπως καθίζηση (απλή ή συνδυασμένη με ιζηματοποίηση και κατακρήμνιση) και επίπλευση βασικά για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών. Δευτεροβάθμια Επεξεργασία

15 Χρήση κυρίως βιολογικών και λιγότερο φυσικοχημικών διεργασιών για την απομάκρυνση κολλοειδών, αιωρούμενων στερεών καθώς και οργανικών ουσιών (με βιοαποδόμηση). Η επεξεργασία αυτή έπεται συνήθως της πρωτοβάθμιας. Τριτοβάθμια Επεξεργασία Πρόσθετος χειρισμός για απομάκρυνση ρύπων όπως το άζωτο, ο φώσφορος και τοξικές ενώσεις που διαφεύγουν της δευτεροβάθμιας επεξεργασίας. Η επεξεργασία αυτή επιτυγχάνεται είτε με τροποποίηση της δευτεροβάθμιας επεξεργασίας είτε με χωριστούς χειρισμούς που ακολουθούν τη δευτεροβάθμια επεξεργασία. Ανάλογα με την περίπτωση πρέπει να επιλέγεται η κατάλληλη διαδικασία επεξεργασίας με βάση την ποιότητα των εισερχομένων αποβλήτων, τη παροχή της εγκατάστασης και την επιθυμητή ποιότητα του επεξεργασμένου αποβλήτου, έτσι ώστε να οδηγεί σε δύο βασικά προϊόντα: καθαρισμένο νερό και λάσπη. Το καθαρισμένο νερό διατίθεται στη συνέχεια στους φυσικούς αποδέκτες ενώ η παραγόμενη λάσπη υπόκειται σε επεξεργασία πριν διατεθεί κυρίως σε χωματερές ή χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα

16 1.3 Απομάκρυνση του αζώτου Διαχείριση του αζώτου των λυμάτων έχει αποκτήσει τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερη βαρύτητα, ενώ σε πολλές χώρες της Ευρώπης, το πρόβλημα της απομάκρυνσης του αζώτου κατά την επεξεργασία των λυμάτων θεωρείται εξίσου σημαντικό αν όχι και σημαντικότερο από αυτό της απομάκρυνσης του οργανικού φορτίου. Η απομάκρυνση του αζώτου είναι σημαντική λόγω της επικινδυνότητάς του η οποία συνδέεται με τα χαρακτηριστικά των τελικών αποδεκτών και το πρόβλημα κυρίως του ευτροφισμού (Β. Θάλασσα, Βαλτική, Δούναβης, λίμνες). Αντίστοιχα στον Ελληνικό χώρο μπορεί να μην εμφανίζονται σε μεγάλη έκταση με την ίδια σοβαρότητα, ωστόσο κάθε άλλο παρά ανύπαρκτα είναι (Θερμαϊκός κόλπος, Αμβρακικός κόλπος, λίμνες Καστοριάς και Ιωαννίνων). Η πρωτοβάθμια και η δευτεροβάθμια επεξεργασία αφαιρεί το 40% περίπου από το άζωτο που περιέχεται στα απόβλητα. Το άζωτο είναι διαλυτό στα υγρά απόβλητα σε πολλές μορφές όπως ως οργανικό άζωτο δεσμευμένο σε οργανικές ενώσεις (πρωτεΐνες, ουρία) σε ποσοστό περίπου 40% του συνολικού (συγκέντρωση 8-35mg/L), και ως αμμωνιακό άζωτο (NΗ + 4 N) σε ποσοστό 60% (συγκέντρωση 12-50mg/L), ενώ αμελητέες είναι οι συγκεντρώσεις του σε νιτρώδες (NO 2 ) και νιτρικό (NO ) 3 άζωτο[2]. Οι ενώσεις του οργανικού αζώτου διασπώνται και υδρολύονται από φυσικά απαντώμενους μικροοργανισμούς (βακτήρια, μύκητες), παράγοντας αμμωνία μέσω της βιολογικής διεργασίας της αμμωνικοποίησης. Η αμμωνία αυτή, ανάλογα με το ph και τη θερμοκρασία των λυμάτων μπορεί να βρίσκεται σε ελεύθερη μορφή (ΝΗ 3 ) είτε σε μορφή ιόντων αμμωνίου (NΗ + ) 4 Η μέση περιεκτικότητα στα αστικά λύματα, για παράδειγμα είναι περίπου 40mg/L NΗ + 4 N και 20mg/L ως οργανικό άζωτο. Τυπικές συγκεντρώσεις ολικού αζώτου (οργανικού και αμμωνίας) στα αστικά λύματα είναι mg/l [2], ενώ οι μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές συγκέντρωσης αμμωνίας, νιτρώδους και νιτρικού αζώτου όπως καθορίστηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση [4] είναι 0.5, 0.03 και 11.3mg αζώτου/l αντίστοιχα

17 Στα βιομηχανικά υγρά απόβλητα οι συγκεντρώσεις των νιτρικών είναι υψηλές (Πίνακας 1.1) ενώ οι συγκεντρώσεις του αζώτου είναι κατά πολύ μεγαλύτερες σε σχέση με αυτές των αστικών λυμάτων (Πίνακας 1.2). Πίνακας 1.1 Συγκεντρώσεις νιτρικού αζώτου σε βιομηχανικά υγρά απόβλητα Συγκέντρωση Αναφορά Χρονιά Βιομηχανία NO N(mg/L) 3 Patterson J Εκρηκτικά <12500 Francis C Διεργασίας Ουρανίου <11300 Mankin and Patterson 1985 Λιπάσματος <6000 Jewell 1975 Ηλεκτρονικά <2000 Cummings and Bode 1985 pectin <2700 Πίνακας 1.2 Συγκεντρώσεις αζώτου σε βιομηχανικά υγρά απόβλητα Αναφορά Χρονιά Βιομηχανία Συγκέντρωση Ν (mg/l) Cousins and Mindler 1972 Παραγωγής άνθρακα Koziorowski and Kucharski 1972» Adams and Eckenfelder 1977» 450 Koziorowski and Kucharski 1972 Διυλιστήριο Garisson et al. 1973» 865 Pascic I. 1982» Hutton and LaRocca 1975 Αεριοποίηση C <1000 Koziorowski and Kucharski 1972» <

18 Hutton and LaRocca 1975 Λιπάσματος Arnold and Wolfram 1975» 600 Hutton and LaRocca 1975 Συνθετικών ινών 800 Meinck et al Σφαγείο 145 ATV 1985 Χοιροστάσιο 2300 Braun R Φάρμα βοδιών Neumann and Viehl 1966 Λιπασματοποίηση 807 Zall R Γαλακτοκομείο <625 Basu A Αποστακτήριο Patterson and Minear 1975 Εκρηκτικά <1503 Adams and Χαρτί και 1977 Eckenfelder κυτταρίνη 264 US EPA 1975 Γυαλί Brown G Φαρμακευτικά 475 Σε τυπικές συνθήκες οι οξειδωμένες μορφές του αζώτου, νιτρώδους και νιτρικού αζώτου, βρίσκονται σε ασήμαντο ποσοστό. Ωστόσο, αυξημένες συγκεντρώσεις νιτρικού αζώτου μπορεί να παρατηρηθούν σε μονάδες επεξεργασίας αστικών λυμάτων, λόγω: φυσιολογικών εισροών στο σύστημα αποχέτευσης π.χ. σε αγροτικές περιοχές, όπου λιπάσματα νιτρικών εφαρμόζονται ευρύτατα στις καλλιέργειες για αύξηση της παραγωγής, εκτιμάται [5] ότι περίπου το 10% της χρησιμοποιούμενης ποσότητας του αζώτου διαφεύγει στο υπέδαφος λόγω διήθησης. διάθεσης λυμάτων απευθείας στη μονάδα επεξεργασίας επιβαρημένων με νιτρικά π.χ. από βιομηχανίες εκρηκτικών υλών, λιπασμάτων κ.α. Επιπλέον, κατά την διαδικασία απομάκρυνσης του αζώτου, παράγονται σαν ενδιάμεσα προϊόντα υποξείδιο του αζώτου (Ν 2 Ο) και μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ), αέρια με μεγάλη περιβαλλοντική σημασία. Το ΝΟ συμμετέχει στις φωτοχημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στην τροπόσφαιρα, επηρεάζοντας το ισοζύγιο του όζοντος και την οξειδωτική της ικανότητα. Το Ν 2 Ο συμμετέχει στο φαινόμενο του

19 θερμοκηπίου, καθώς επίσης και στην καταστροφή του στρώματος του όζοντος στην στρατόσφαιρα. Θεωρείται ένα από τα κύρια αέρια θερμοκηπίου, εξαιτίας του μεγάλου χρόνου ζωής του στην ατμόσφαιρα (120 χρόνια) και του γεγονότος ότι επιδρά πολύ πιο αποτελεσματικά από το CO 2 στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Το Ν 2 Ο είναι πιο ισχυρό αέριο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου από το CH 4 και περίπου 200 φορές πιο ισχυρό από το CO 2. Η απομάκρυνση όλων των μορφών του αζώτου είναι επιτακτική, τόσο από τα λύματα (αστικά και βιομηχανικά) πριν από τη διάθεση τους στο φυσικό αποδέκτη, όσο και από το πόσιμο νερό πριν αυτό διαταθεί στο δίκτυο ύδρευσης. Μερικά από τα προβλήματα που προκύπτουν αν τα λύματα που περιέχουν αμμωνία, νιτρώδη και νιτρικά διατεθούν χωρίς κάποια επεξεργασία στους υδάτινους αποδέκτες είναι τα εξής: Η αμμωνία και το οργανικό άζωτο μπορούν να οξειδωθούν από αυτότροφους μικροοργανισμούς (βακτήρια) δεσμεύοντας οξυγόνο (νιτρογενή απαίτηση οξυγόνου), σε νιτρώδη και νιτρικά, με αποτέλεσμα την μείωση του διαθέσιμου διαλυτού οξυγόνου των υδάτινων αποδεκτών με τρόπο ανάλογο της δέσμευσης που προκαλείται από την οξείδωση των οργανικών ουσιών (βιοχημική απαίτηση οξυγόνου). Η αμμωνία και τα ιόντα αμμωνίου είναι σε χημική ισορροπία, οπότε με ενδεχόμενη αύξηση της θερμοκρασίας και του ph όλο και περισσότερη αμμωνία θα παράγεται, η οποία είναι πολύ τοξική για τα ψάρια καθώς παρεμποδίζει την μεταφορά οξυγόνου από τα βράγχια, ειδικά όταν η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου είναι πολύ μικρή [6]. Η παρουσία αυξημένων συγκεντρώσεων αζώτου στα αστικά λύματα έχει ως αποτέλεσμα την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη φυκών και γενικά υδρόβιας φυτικής ζωής στους υδάτινους αποδέκτες, με αποτέλεσμα να συμβάλλει στο φαινόμενο του ευτροφισμού (φωτογραφία 1.1) όπου μετά το θάνατο των φυτικών οργανισμών, οι οργανικές ουσίες δεσμεύουν το διαλυμένο οξυγόνο κατά τη βιοχημική τους αποδόμηση, προκαλώντας δυσμενείς συνέπειες για τις ανώτερες μορφές ζωής (ψάρια) και το περιβάλλον (δυσοσμία, αντιαισθητική

20 εικόνα). Η αυξημένη παραγωγή υλικών και η καθίζησή τους στον πυθμένα, επιτυγχάνει τη «γήρανση» (aging) του υδάτινου αποδέκτη. Φωτογραφία 1.1. Φαινόμενο ευτροφισμού [94] Αυξημένες συγκεντρώσεις των νιτρωδών και νιτρικών στο πόσιμο νερό όπου το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο είναι 0.03 και 11.3mg αζώτου/l αντίστοιχα [4] μπορούν να προκαλέσουν σχηματισμό καρκινογόνων ουσιών [7] καθώς και τη νόσο μεθαιμοσφαιριναιμία ή σύνδρομο κυάνωσης των βρεφών (blue baby syndrome) [8]. Τα νιτρικά μετατρέπονται στο στομάχι των βρεφών σε νιτρώδη, τα οποία αντιδρούν με την αιμοσφαιρίνη του αίματος σχηματίζοντας τη μεθαιμοσφαιρίνη, η οποία δεν μπορεί να μεταφέρει το οξυγόνο στους κυτταρικούς ιστούς με αποτέλεσμα την ασφυξία. Επίσης έχει αναφερθεί ότι τα νιτρικά έχουν δημιουργήσει προβλήματα καρδιάς και συμπεριφοράς σε πειραματόζωα [9]

21 Η αμμωνία αυξάνει την απαίτηση σε χλώριο, σε περίπτωση απολύμανσης, διότι σχηματίζει χλωραμίνες [10]. Έχει παρατηρηθεί ότι όταν το νιτρικό άζωτο περιέχεται σε αυξημένες συγκεντρώσεις στο πόσιμο νερό είναι δυνατόν να προκαλέσει στον ανθρώπινο οργανισμό το σχηματισμό καρκινογενών ουσιών όπως είναι οι Νιτροζαμίνες. Αυτές ευθύνονται σε μεγάλο ποσοστό για πολλές μεταλλάξεις και τερατογενέσεις. Τα νιτρώδη, αν και σπάνια συναντώνται, λόγω της αστάθειάς τους, στα μη επεξεργασμένα λύματα και στο νερό πηγών και γεωτρήσεων που προορίζεται για πόσιμο είναι εξαιρετικά τοξικά, γεγονός που επιβάλλει άλλωστε το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο των 0.03mg [4] αζώτου/l. Η τοξικότητα των νιτρωδών οφείλεται στην ικανότητα τους να προκαλέσουν μεταλλάξεις στον ανθρώπινο οργανισμό είτε άμεσα λόγω απαμίνωσης (deamination) βάσεων του DNA (κυτοσίνη, αδενίνη, γουανίνη, θυμίνη) σε όξινο περιβάλλον (π.χ. στο στομάχι του ανθρώπου): είτε έμμεσα λόγω αντίδρασής τους με αμίνες και αμίδια προς σχηματισμό νιτρωδοενώσεων, γνωστών ως καρκινογόνων ουσιών [11], οι οποίες δρουν ως αλκυλιωτικά μέσα για ορισμένες βάσεις του DNA [12] : (CH 3 ) 2 NH Διμεθυλαμίνη NO2 (CH 3 ) 2 N-N=O + H + Ν-Νιτρωδοδιμεθυλαμίνη

22 Όλοι οι παραπάνω λόγοι, επιβάλλουν τη μείωση των συγκεντρώσεων του αζώτου στα υγρά λύματα, στα επίπεδα που καθορίζονται από τους Ελληνικούς και διεθνείς κανονισμούς, πριν αυτά διατεθούν σε ευαίσθητους υδάτινους αποδέκτες. Η απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα και το πόσιμο νερό πραγματοποιείται με χρήση μίας ποικιλίας φυσικοχημικών και βιολογικών διεργασιών [13]. Στις φυσικές μεθόδους διακρίνουμε την απαέρωση της αμμωνίας σε αλκαλικό περιβάλλον (ph>11) NH 4 OH >11 ph NH 3 Την ηλεκτροδιάλυση και την αντίστροφη όσμωση. Οι χημικές μέθοδοι περιλαμβάνουν: τη χλωρίωση μετατροπής 2NH 3 + 3HΟCI N 2 + 3H 2 O + 3HCI τη χημική ιζηματοποίηση την προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα την επιλεκτική ιοντοανταλλαγή για τα ιόνια του αμμωνίου και των νιτρικών. Ωστόσο, η χρήση τόσο των φυσικών όσο και των χημικών μεθόδων είναι περιορισμένη λόγω του αυξημένου κόστους λειτουργίας των μονάδων επεξεργασίας, της ασταθούς απόδοσης και των προβλημάτων λειτουργίας και συντήρησης που συχνά εμφανίζονται. Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου είναι αποτελεσματική και με μικρό κόστος και για αυτόν το λόγο χρησιμοποιείται ευρέως σε σχέση με τις φυσικοχημικές διεργασίες. Οι βιολογικές μέθοδοι περιλαμβάνουν την αφομοίωση (κυρίως της αμμωνίας) από τους μικροοργανισμούς, τη νιτροποίηση και την απονιτροποίηση. Το οργανικό άζωτο που βρίσκεται σε σωματιδιακή μορφή αφαιρείται κατά την

23 πρωτοβάθμια καθίζηση, ενώ οι διαλυτές ενώσεις του μετατρέπονται σε αμμωνιακό άζωτο (αμμωνικοποίηση) [1]. Βιολογική Αμμωνικοποίηση: Οργανικό άζωτο Α ποδόμηση ΝΗ 3 Στη συνέχεια, το αμμωνιακό άζωτο μετατρέπεται με τη βοήθεια αυτότροφων μικροοργανισμών σταδιακά σε νιτρώδες και νιτρικό άζωτο με παράλληλη παραγωγή ενέργειας για τα κύτταρα (νιτροποίηση) [1]. Νιτροποίηση: 1 ο Στάδιο ΝΗ Ο2 Nitrosomonas 2 ΝΟ 2 + 2Η+ + Η 2 Ο 2 ο Στάδιο ΝΟ Ο2 Nitrobacter 2 ΝΟ 3 και ακολούθως προαιρετικά αερόβιοι ετερότροφοι μικροοργανισμοί με τη βοήθεια οργανικής πηγής άνθρακα σε αναερόβιο περιβάλλον, μετατρέπουν το νιτρικό άζωτο σε αέριο άζωτο (απονιτροποίηση) [1], όπως φαίνεται και στο σχήμα 1.1. Απονιτροποίηση: ΝΟ Απονιτροποιητικά 3 Β ακτύρια N

24 Σχήμα 1.1. Ο κύκλος του αζώτου στο περιβάλλον [95] Η πλήρης σειρά των παραπάνω αντιδράσεων αποτελεί μία από τις βασικότερες βιολογικές μεθόδους απομάκρυνσης αζώτου. Παράλληλα το αμμωνιακό άζωτο μπορεί να αφαιρεθεί μέσω της βιολογικής αφομοίωσής του κατά την κυτταρική ανάπτυξη είτε αυτότροφων μικροοργανισμών (χρήση ανόργανης πηγής άνθρακα, CO 2 ) είτε ετερότροφων μικροοργανισμών (χρήση οργανικής πηγής άνθρακα, π.χ. μεθανόλης). Ωστόσο, μέρος του αζώτου που απομακρύνεται με αυτόν τον τρόπο θα επιστρέψει στο απόβλητο κατά το θάνατο και τη λύση των κυττάρων [1]. Αφομοίωση (μεθανόλης): 20 CH 3 ΟΗ + 15Ο 2 + 3ΝΗ 3 3C 5 H 7 O 2 N + 5CO H 2 O Στο σχήμα 1.2 παρουσιάζονται συνοπτικά οι μετατροπές του αζώτου σε διεργασίες βιολογικών μεθόδων

25 Οργανικός άνθρακας Σχήμα 1.2. Μετατροπές του αζώτου σε διεργασίες βιολογικών μεθόδων [94] Η χρήση των βιολογικών μεθόδων είναι ιδιαίτερα ελκυστική τόσο στους μηχανικούς-σχεδιαστές μονάδων επεξεργασίας, όσο και στους υπεύθυνους λειτουργίας αυτών. Αυτό οφείλεται στο χαμηλό κόστος λειτουργίας των μεθόδων αυτών, στην υψηλή απόδοση που επιτυγχάνουν και στην απουσία ανάγκης για προσθήκη χημικών ουσιών, οι οποίες επιβαρύνουν αφενός την περαιτέρω επεξεργασία του υγρού ρεύματος και αφετέρου την παραγόμενη λάσπη στις δεξαμενές καθίζησης

26 Στον πίνακα 1.3 παρουσιάζονται συνοπτικά οι διάφορες μέθοδοι επεξεργασίας καθώς και η επίδρασή τους στη μετατροπή και απομάκρυνση των μορφών του αζώτου. Πίνακας 1.3 Επίδραση των διαφόρων μεθόδων επεξεργασίας στις μορφές του αζώτου [13] Μέθοδοι Μορφή του αζώτου Οργανικό Άζωτο ΝΗ 3 - ΝΗ + 4 ΝΟ 3 Φυσικές Μέθοδοι Διήθηση Αφαίρεση 30-95% του οργ. Ν όταν Μικρή Επίδραση Μικρή Επίδραση περιέχεται στα Α.Σ Απαέρωση Καμία Επίδραση Αφαίρεση 60-95% Καμία Επίδραση Ηλεκτροδιάλυση Αφαίρεση 100% του οργ. Ν όταν Αφαίρεση 30-50% Αφαίρεση 30-50% περιέχεται στα Α.Σ Αντίστροφη Όσμωση Αφαίρεση 60-90% Αφαίρεση 60-90% Αφαίρεση 60-90% Χημικές Μέθοδοι Χλωρίωση Αφαίρεση 90- Αβέβαιη Μετατροπής 100% Καμία Επίδραση Χημική Ιζηματοποίηση Αφαίρεση 60-90% Μικρή Επίδραση Μικρή Επίδραση Προσρόφηση Σε Ενεργό Άνθρακα Αφαίρεση 60-90% Μικρή Επίδραση Μικρή Επίδραση Επιλεκτική Ιοντοανταλλαγή Μικρή, Αβέβαιη Αφαίρεση 80-97% Καμία Επίδραση Ιόντων Αμμωνίου Επιλεκτική Ιοντοανταλλαγή Μικρή Επίδραση Μικρή Επίδραση Αφαίρεση 75-90% Νιτρικών Βιολογικές Μέθοδοι Αφομοίωση από Καμία Επίδραση Αφαίρεση 40-70% Μικρή Επίδραση

27 μικροοργανισμούς Νιτροποίηση Περιορισμένη Μετατροπή σε Επίδραση νιτρικά Καμία Επίδραση Απονιτροποίηση Καμία Επίδραση Καμία Επίδραση Αφαίρεση 80-90% 1.4 Νιτροποίηση (μικροβιολογία) Νιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία μετατροπής του αμμωνιακού αζώτου σταδιακά σε νιτρώδες και νιτρικό άζωτο. Είναι μία αυτοτροφική διεργασία, κατά την οποία η ενέργεια που απαιτείται από τους μικροοργανισμούς που την πραγματοποιούν λαμβάνεται από την οξείδωση ανόργανων ενώσεων του αζώτου (αμμωνία), ενώ για τη σύνθεση νέας κυτταρικής βιομάζας χρησιμοποιείται ανόργανος άνθρακας (CO 2 ). Για τη σταθεροποίηση του CO 2 οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν τον κύκλο του Calvin, ο οποίος εικονίζεται στο σχήμα 1.3 Σχήμα 1.3. Ο κύκλος του Calvin [18]

28 Η νιτροποίηση πραγματοποιείται σε δύο στάδια, καθένα από τα οποία καταλύεται από διαφορετικά γένη μικροοργανισμών, σύμφωνα με τις αντιδράσεις που ακολουθούν [14] : 3 1 ο Στάδιο: NH 3 + O2 Nitrosomonas 2 NO 2 +H + +H 2 O +84 kcal /mol (νιτρωδοποίηση) (1.1) 2 ο Στάδιο: NO O2 Nitrobacter 2 NO kcal /mol (νιτρικοποίηση) (1.2) Στο πρώτο στάδιο η αμμωνία οξειδώνεται σε νιτρώδη από νιτρωδοποιητικούς μικροοργανισμούς που ανήκουν κυρίως στο γένος Nitrosomonas [15], ενώ έχουν απομονωθεί και άλλα γένη όπως τα Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, Nitrosocyctis και Nitrosoglea [14]. Τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για την οξείδωση της αμμωνίας (ammonium oxidizing bacteria) ή νιτρωδοβακτήρια, λαμβάνουν την ενέργεια τους από τον καταβολισμό της μη ιονισμένης αμμωνίας [16] σε νιτρώδη (νιτρωδοποίηση, nitritification). Η αντίδραση που αφορά το πρώτο στάδιο της νιτροποίησης (εξωγενής) απελευθερώνει περίπου τετραπλάσια ενέργεια σε σχέση με αυτή που περιγράφει το δεύτερο στάδιο. Στο δεύτερο στάδιο το παραγόμενο νιτρώδες άζωτο οξειδώνεται σε νιτρικό άζωτο (νιτρικοποίηση, nitratification) από νιτρικοποιητικούς μικροοργανισμούς (νιτρικοβακτήρια) που ανήκουν κυρίως στο γένος Nitrobacter [15], ενώ έχουν απομονωθεί και άλλα γένη όπως τα Nitrocystis, Nitrococcus, Nitrospira και Nitrospina [17]. Ωστόσο, η νιτροποίηση στο έδαφος και στις διεργασίες επεξεργασίας αποβλήτου αποδέχεται κυρίως στα γένη Nitrosomonas και Nitrobacter

29 Φωτογραφία 1.2. Νιτροδωποιητικοί μικροοργανισμοί a) Nitrosomonas, b) Nitrosocyctis,.. c)nitrosolobus, d) Nitrosospira briensis [135]. Φωτογραφία 1.3. Νιτρικοποιητικοί μικροοργανισμοί a) Nitrobacter, b) Nitrospina [96]

30 Και τα δύο είδη μικροοργανισμών που συνολικά ονομάζονται νιτροποιητές ανήκουν στην κατηγορία των αυτότροφων μικροοργανισμών. Είναι αερόβιοι, αρνητικοί κατά Gram-test, ικανοί να οξειδώσουν το αμμωνιακό ή το νιτρώδες άζωτο και δεν δημιουργούν ενδοσπόρους. Παρουσιάζουν, όμως, διαφορές στη μορφολογία και στο μέγεθος του κυττάρου, στον τρόπο αναπαραγωγής, στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, στην κινητικότητα και στο περιβάλλον που αναπτύσσονται. Το σχήμα των νιτροποιητικών βακτηρίων μπορεί να είναι κυλινδρικό, ραβδοειδές, σφαιρικό ή σπειροειδές. Συχνά παρουσιάζουν εκτεταμένα συμπλέγματα μεμβρανών μέσα στο κυτταρόπλασμα. Στις φωτογραφίες 1.4 και 1.5 παρουσιάζονται οι μορφολογικές δομές διαφόρων νιτρωδοποιητικών και νιτρικοποιητικών μικροοργανισμών. Η ταυτοποίησή τους βασίζεται σε ιδιότητες όπως η προτίμησή τους στην αμμωνία ή τα νιτρώδη, στο σχήμα τους και στη φύση των κυτταροπλασματικών μεμβρανών [18]. Φωτογραφία 1.4. Φωτογραφίες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο όπου διακρίνονται οι. μορφολογικές δομές διάφορων νιτρικοποιητικών βακτηρίων

31 (α) (β) Φωτογραφία 1.5. Φωτογραφίες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο όπου διακρίνονται οι.μορφολογικές δομές του βακτηρίου Nitrosomonas (α) και του βακτηρίου.nitrosococcus mobilis (β) Τα περισσότερα βακτήρια που οξειδώνουν την αμμωνία ανήκουν στην β- υποκατηγορία της οικογένειας των πρωτεοβακτηρίων ή πορφυρών βακτηρίων [19]. Υπάρχουν όμως και κάποιες ομάδες που ανήκουν στα γ-πρωτεοβακτήρια. β- Νιτρωδοποιητές αποτελούν τα βακτήρια Nitrosomonas και Nitrosospira [20], ενώ στο γένος των γ-πρωτεοβακτηρίων ανήκει το βακτήριο Nitrosococcus [21]. Τα μέλη των οικογενειών των βακτηρίων αυτών, που επικρατούν, τόσο στις διάφορες μονάδες βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, όσο και στα φυσικά οικοσυστήματα, ποικίλουν [22]. Το βακτήριο Nitrosomonas europaea είναι το πιο ευρέως διαδεδομένο νιτρωδοποιητικό βακτήριο για το οποίο έχουν πραγματοποιηθεί οι περισσότερες μελέτες. Τα βακτήρια αυτά έχουν το σχήμα μικρών ράβδων (0.8 x 1-2 μm), είναι ακίνητα και απαντώνται ευρέως στα χώματα [23]. Άλλα είδη του Nitrosomonas βρίσκονται σε «καθαρό» νερό και σε θαλάσσια ιζήματα [24]. Το βακτήριο N. europaea έχει χαρακτηριστεί ως το επικρατέστερο γένος σε μέρη στα οποία υπάρχουν μεγάλες διακυμάνσεις στο περιεχόμενο του οξυγόνου [25]. Συγκεντρώσεις μπορούν να βρεθούν στην επιφάνεια των ιζημάτων, όπου υπάρχουν αλληλεπιδράσεις οξικών-ανοξικών συνθηκών και η πηγή ενέργειας προέρχεται από την αποσύνθεση των οργανικών που έχουν καθιζάνει [26]. Η κυτταρική μεμβράνη ξεδιπλώνεται σε μεγάλο βαθμό από μέσα

32 προς τα έξω, είναι ασυνήθιστα πλούσια σε κυτόχρωμα και μεταδίδει ένα σκούρο καφέ χρώμα σε πυκνές καλλιέργειες [27]. Για τα βακτήρια που οξειδώνουν τα νιτρώδη πρέπει να αναφερθεί ότι τα Nitrobacter και Nitrococcus ανήκουν στα άλφα πρωτεοβακτήρια, ενώ για τα Nitrospira δεν έχουν σχετιστεί φυλογενετικά με κάποια άλλα καλλιεργούμενα είδη οπότε αποτελούν μία ξεχωριστή κατηγορία [28]. Γενικά θεωρείται ότι μόνο οι αυτότροφοι μικροοργανισμοί μπορούν να οξειδώσουν το αμμωνιακό άζωτο, Πάρα ταύτα, μελέτες πριν από μερικές δεκαετίες [29] έδειξαν ότι είναι δυνατή η ετεροτροφική νιτροποίηση από διάφορα είδη βακτηριών, μυκήτων και ακτινομυκήτων. Μεταξύ αυτών είναι οι Pseudomonas, Bacillus, Nocardia και Streptomyces. Η ετεροτροφική νιτροποίηση είναι πιο έντονη σε περιβάλλον με πολύ αλκαλικές ή πολύ όξινες συνθήκες, αλλά είναι αμφίβολο αν παράγονται σημαντικές ποσότητες νιτρικού αζώτου αφού οι ρυθμοί αυτοτροφικής νιτροποίησης είναι 10 φορές περίπου μεγαλύτεροι. Πίνακας 1.4 Χαρακτηριστικά των νιτροποιητικών βακτηρίων [18] ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΓΕΝΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Νιτρωδοποιητές Ραβδοειδή, κινητά ή ακίνητα, συστήματα μεμβρανών Nitrosomonas Έδαφος, Θάλασσα, Διεργασίες Επεξεργασίας Αποβλήτων, Νερό Κόκκοι, κινητά, συστήματα μεμβρανών Nitrosococcus Νερό, Θάλασσα Σπειροειδή, κινητά, όχι εμφανή συστήματα Nitrosospira Έδαφος μεμβρανών Πλειόμορφα, κινητά Nitrosolobus Έδαφος Καμπυλόμορφα Nitrosovibrio Έδαφος Νιτρικοποιητές Μικρά ραβδοειδή, κινητά, συστήματα μεμβρανών Nitrobacter Έδαφος, Θάλασσα, Νερό

33 Μεγάλα ραβδοειδή, ακίνητα, όχι εμφανή συστήματα μεμβρανών Κόκκοι, κινητά, συστήματα μεμβρανών Ελικοειδή, ακίνητα, όχι εμφανή συστήματα μεμβρανών Nitrospina Nitrococcus Nitrospira Θάλασσα Θάλασσα Θάλασσα Την τελευταία δεκαετία, ανακαλύφθηκε ότι συγκεκριμένα βακτήρια, τα οποία ανήκουν στο γένος των Plactomycetales, είναι ικανά να απομακρύνουν ταυτόχρονα το αμμωνιακό και το νιτρώδες άζωτο κάτω από ανοξικές συνθήκες. Σε αυτήν τη διαδικασία, που είναι γνωστή ως ανοξική οξείδωση της αμμωνίας (anammox: anoxic ammonia oxidation), η αμμωνία και τα νιτρώδη μετατρέπονται σε αέριο άζωτο, με παράλληλη ανάπτυξη της βιομάζας χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα το διοξείδιο του άνθρακα. Η αντίδραση αυτή ακολουθεί την εξής στοιχειομετρία [30] : ΝΗ ΝΟ 2 + Η Ν ΝΟ 3 + 2Η 2 Ο (1.3) Η ανακάλυψη αυτής της διεργασίας κλόνισε την κραταιά άποψη ότι η αμμωνία είναι σταθερή κάτω από ανοξικές συνθήκες και ότι μπορεί να οξειδωθεί μόνο από αερόβια νιτροποιητικά βακτήρια. 1.5 Πλεονεκτήματα των νιτροποιητικών βακτηρίων Οι νιτροποιητικοί μικροοργανισμοί κατέχουν τέτοιους μηχανισμούς επιβίωσης, οι οποίοι τους δίνουν τη δυνατότητα να είναι διαδεδομένοι τόσο σε χερσαία όσο και σε υδάτινα οικοσυστήματα. Καλλιέργειες αυτών των μικροοργανισμών έχουν απομονωθεί, ακόμα και από νερό βροχής [31]. Ως αυτότροφοι, είναι ικανοί να παράγουν το σύνολο της βιομάζας τους μέσω βιοσυνθετικών μονοπατιών [32]. Την ίδια στιγμή μπορούν να οξειδώνουν την ουρία και το μεθάνιο και να συμμεταβολίζουν μία

34 ποικιλία από υδρογονάθρακες [33]. Ακόμα, τα κύτταρα μπορούν να παραμείνουν σε συνθήκες έλλειψης υποστρώματος κατά την χαμηλού επιπέδου ενδογενή αναπνοή των κυτταροπλασματικών συστατικών, ενώ οι αναβολικές διεργασίες μικραίνουν σε μη ανιχνεύσιμο βαθμό [34]. Ένα διαφορετικό μονοπάτι δημιουργίας ενέργειας εμφανίζουν τα βακτήρια που οξειδώνουν την αμμωνία [35]. Το πολυ-βυδροξυβουτυρικό έχει προσδιοριστεί ως το ενδογενές υλικό αποθήκευσης για τα γένη του Nitrobacter [36]. Οι νιτροποιητικοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να επιβιώνουν για μεγάλες περιόδους σε αναερόβια υπολίμνια, δεξαμενές υγρών αποβλήτων και ευτροφικά ιζήματα [37]. Έχει αναφερθεί σε μετρήσεις που έγιναν σε μία αναερόβια λίμνη, όπου η συγκέντρωση του αμμωνιακού αζώτου ήταν 52 mg/l, πως η συγκέντρωση των ενεργών βακτηρίων που οξειδώνουν την αμμωνία ήταν 100 κύτταρα / λίτρο. Η διεργασία της νιτροποίησης έχει αναφερθεί πως μπορεί να πραγματοποιηθεί ακόμα και σε συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου έως 0.05 mg/l [38]. Τα βακτήρια που οξειδώνουν τα νιτρώδη είναι επίσης ενεργά κάτω από αυτές τις συνθήκες και υπερτερούν αριθμητικά κατά πολύ των νιτρωδοποιητικών βακτήριων. Σε μικρές συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου, τα βακτήρια που οξειδώνουν την αμμωνία χρησιμοποιούν τα νιτρώδη ως ένα τεχνητό δέκτη ηλεκτρονίων και παράγουν αέριο υποξείδιο του αζώτου (N 2 O) [39]. Επίσης, με όμοιο τρόπο μπορεί να παραχθεί μονοξείδιο του αζώτου μόνο που αυτή η διαδικασία είναι πιο ευαίσθητη στη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου [40]. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι αυτά τα αέρια προκύπτουν από μερική απονιτροποίηση, παρά από μερική νιτροποίηση χρησιμοποιώντας οξυγόνο [41]. Οι νιτρικοποιητές μπορούν και αυτοί με τη σειρά τους να αναγάγουν τα νιτρώδη σε μονοξείδιο του αζώτου αλλά όχι σε υποξείδιο [42]. Οι νιτρωδοποιητές [43] και οι νιτρικοποιητές [44] δεν είναι γνωστοί στο ότι ανάγουν λιθότροφα τα νιτρώδη. Όμως, σε αναερόβια και ετερότροφα υποστρώματα, οι νιτρικοποιητές μπορούν να αναγάγουν τα νιτρικά σε νιτρώδη και σε αμμωνία [45]

35 1.6 Βιοχημεία της νιτροποίησης Α. Εξωθερμικά ενεργειακά μονοπάτια Οι βασικές χημικές αντιδράσεις που συνήθως χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη νιτροποίηση (εξισώσεις (1.1) και (1.2)) είναι υπεραπλουστεύσεις των πραγματικών καταβολικών διεργασιών των νιτρωδοποιητικών και νιτρικοποιητικών βακτηρίων. Στην πραγματικότητα, λαμβάνει χώρα μία σειρά από βιοχημικές αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής. Η νιτρωδοποίηση ξεκινά από το εσωτερικό της κυτταροπλασματικής μεμβράνης όπου η αμμωνία οξειδώνεται σε υδροξυλαμίνη (NH 2 OH) [46], με τη βοήθεια, του αναπόσπαστου από τη μεμβράνη ενζύμου, της αμμωνιακής μονοοξυγενάσης (ammonia monooxygenase, AMO) [47], ενώ παράλληλα σχηματίζονται και άλλα ασταθή ενδιάμεσα προϊόντα, για την μορφή ορισμένων από τα οποία γίνονται υποθέσεις (νιτροξύλιο), χωρίς να έχουν προσδιοριστεί µε βεβαιότητα [48] : NH O 2 + 2Η + + 2e -1 NH 2 OH + H 2 O +0.7 kcal mol 1 (1.4) Η οξείδωση των νιτρωδών, σε αντίθεση µε την οξείδωση της αμμωνίας, πραγματοποιείται χωρίς τον σχηματισμό ενδιάμεσων προϊόντων και έτσι η αντίδραση μπορεί να παρασταθεί ικανοποιητικά από την εξίσωση (1.2). Η ενεργοποίηση του ενζύμου της αμμωνιακής μονοοξυγενάσης απαιτεί ενέργεια και, γι αυτό το κύτταρο δεν αποκομίζει κάποια ενέργεια από την αντίδραση (1.4) [49]. Στη συνέχεια η υδροξυλαμίνη (NH 2 OH) μεταφέρεται στο περίπλασμα και μετατρέπεται σε νιτρώδη με ταυτόχρονο σχηματισμό ενός ελεύθερου πρωτονίου. NH 2 OH + O 2 NO 2 + H 2 O + H kcal mol 1 (1.5) Η υδροξυλαμίνη θα μπορούσε να είναι υπόστρωμα για την νιτροποίηση, αλλά έχει βρεθεί ότι είναι τοξική σε χαμηλές συγκεντρώσεις [50]. Επίσης, η υδραζίνη είναι ένας ανταγωνιστικός παρεμποδιστής για την κανονική οξείδωση της υδροξυλαμίνης και μπορεί να προστεθεί στο θρεπτικό μέσο, έτσι ώστε να είναι εφικτό να εξεταστεί

36 μόνο η αντίδραση κατάλυσης της αμμωνιακής μονοοξυγενάσης [51]. Πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι η αύξηση στην οξύτητα κατά τη νιτροποίηση προέρχεται εξ ολοκλήρου από την αντίδραση (1.5). Αυτή η πηγή των υδρογονοκατιόντων μπορεί εύκολα να ανατρέψει τη ρυθμιστική δυνατότητα των υγρών αποβλήτων. Το γεγονός αυτό έχει αναφερθεί ότι ίσως ευθύνεται για την αλλαγή της τιμής του ph των ωκεανών [52]. Είναι λοιπόν επιτακτικό να ενισχυθεί η αλκαλικότητα των συστημάτων που χρησιμοποιούν ανακυκλοφορία, έτσι ώστε να αποφευχθεί παρεμπόδιση λόγω ανάδρασης των ιόντων υδρογόνου [53]. Η εξίσωση (1.4) χρειάζεται απευθείας οξυγόνο [51], ενώ η εξίσωση (1.5) είναι από μόνη της συστατικό αφυδρογόνωσης που ακολουθείται από πολλές ανταλλαγές ηλεκτρονίων. Το οξυγόνο δεν συμμετέχει απευθείας στη δημιουργία των νιτρωδών από το πρώτο ενδιάμεσο, την υδροξυλαμίνη. Αντί αυτού, το νερό μετατρέπεται σε δότη υδρογόνων από ένα περιπλασμικό ένζυμο, την οξειδoαναγωγάση της υδροξυλαμίνης (hydroxylamine oxidoreductase, HAO). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή αναγωγικών ισοδύναμων, τα οποία μπορούν να έχουν σημασία ως άτομα υδρογόνου (H + + e - ), ή απλά ως ηλεκτρόνια (e - ) [54]. NH 2 OH + H 2 O NO 2 + H + + 4[H + + e ] (1.6) Στο στάδιο αυτό παράγεται ενέργεια (287 kj/mole) καθώς και ΑΤΡ µέσω φωσφορυλίωσης µε μεταφορά ηλεκτρονίων, µε τη βοήθεια ενός κυτοχρωµικού συστήματος [18]. Τα αναγωγικά ισοδύναμα σχηματίζονται σε ζευγάρια και το ενδιάμεσο της εξίσωσης (1.6) είναι ένας ενζυμικός δεσμός (μικρής χρονικά διάρκειας) [55]. NH 2 OH (HNO) +2[H + + e ] (1.7) (HNO) + H 2 O NO 3 +2[H+ + e ] (1.8) Στην αντίδραση που καταλύεται από την αμμωνιακή μονοοξυγενάση απαιτούνται δύο εξωγενώς παρεχόμενα ηλεκτρόνια για να αναχθεί ένα άτομο