Απομάκρυνση νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου από πόσιμο νερό με χρήση τροποποιημένου παλυγορσκίτη σε στήλη προσρόφησης

• Κύριος συγγραφέας: Παναγόπουλος, Στυλιανός-Δημήτριος
• Άλλοι συγγραφείς: Panagopoulos, Stylianos-Dimitrios
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Νιτρικό άζωτο; Αμμωνιακό άζωτο; Στήλη προσρόφησης; Παλυγορσκίτης; Nitrate-nitrogen; Ammonium-nitrogen; Adsorption column; Palygorskite

Αναμφισβήτητα, το νερό αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ύπαρξη ζωής στον πλανήτη. Ο άνθρωπος ανέκαθεν επέλεγε τοποθεσίες που του εξασφάλιζαν σταθερή παροχή φρέσκου και όσο το δυνατόν πιο καθαρού νερού. Ο έλεγχος του ποταμού, εκτός από τα μεγάλα στρατηγικά πλεονεκτήματα που προσέφερε, οδηγούσε και σε σημαντική αναβάθμιση της ποιότητας ζωής και την εξέλιξη του πολιτισμού. Ερχόμενοι στην σημερινή πραγματικότητα του υπερπληθυσμού, της αστικοποίησης και της υπερκατανάλωσης, η ραδγαία αύξηση των αναγκών σε συνδυασμό με την αλόγιστη εκμετάλλευση των τεχνολογικών επιτευγμάτων στον τομέα της γεωργίας και πιο συγκεκριμένα των λιπασμάτων έχουν συνεισφέρει στην ρύπανση της ήδη, λόγω κλιματική αλλαγής, υποβαθμισμένης ποιότητας του πόσιμου νερού. Ενώσεις αζώτου, όπως είναι τα νιτρικά (ΝΟ3-) και τα, πολύ δραστικά, αμμωνιακά (ΝΗ4+) (που εύκολα μετατρέπονται σε νιτρικά) τα οποία προέρχονται από τα λιπάσματα, τις εκροές των χωματερών και των βιομηχανιών και τα απόνερα διαπερνούν το έδαφος και εμπλουτίζουν τα υπόγεια ύδατα ρυπαίνοντας τις πηγές πόσιμου νερού. Οι επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία αλλά και στο περιβάλλον μπορεί να είναι δραματικές αφού η αυξημένη κατανάλωση νιτρικών (NO3- - N) έχει συνδεθεί με ασθένειες όπως η διαταραχή του αίματος γνωστή ως μεθαιμοσφαιριναιμία ή καρκίνο του στομάχου στους ανθρώπους και με το φαινόμενο του ευτροφισμού στα υδατικά οικοσυστήματα. Σύμφωνα με τον οδηγό ποιότητας πόσιμου νερού του παγκόσμιου οργανισμού υγείας, τα τελευταία 20 χρόνια έχει παρατηρηθεί έως και διπλασιασμός της συγκέντρωσης του νιτρικού αζώτου σε ευρωπαϊκές χώρες όπως είναι ορισμένες περιοχές της Δανίας και της Ολλανδίας που παρουσιάζουν ετήσια αύξηση κατά 0.2-1.3 mg/L . Με στόχο την μείωση της εξάπλωσης της ρύπανσης, ο παγκόσμιος οργανισμός υγείας (World Health Organisation, WHO) θέτει όρια για την περιεκτικότητα του πόσιμου νερού σε νιτρικά ιόντα. Συγκεκριμένα, η μέγιστη επιτρεπόμενη συγκέντρωση νιτρικών ιόντων (ΝΟ¬3-) ή νιτρικού αζώτου (ΝΟ¬3-- - Ν) ορίζεται στα 50 και 11.3 mg L-1 αντίστοιχα ενώ η μέγιστη ημερήσια επιτρεπόμενη κατανάλωση NO3- είναι τα 3.7 mg ανά kg σωματικού βάρους. Ανάλογα θέτονται και όρια στην συγκέντρωση αμμωνιακού αζώτου (ΝΗ4+ - Ν) στα 0.5mg L-1 για το πόσιμο νερό. Αρκετές μέθοδοι, φυσικοχημικές και βιολογικές, έχουν μελετηθεί και εφαρμοστεί για τον καθαρισμό του πόσιμου νερού. Η διεργασίες της βιολογικής απονιτροποίησης που εκμεταλλεύονται τις μεταβολικές ιδιότητες των μικροοργανισμών, υπόσχονται μία προσέγγιση φιλική απέναντι στο περιβάλλον με υψηλή απόδοση. Παρολαυτά, μέχρι σήμερα, φυσικοχημικές μέθοδοι όπως είναι η προσρόφηση φαίνεται να αποτελούν την πιο κατάλληλη επιλογή καθώς αποδεικνύονται αρκετά αποτελεσματικές για τον καθαρισμό του πόσιμου νερού με σχετικά χαμηλό κόστος. Στην συγκεκριμένη μέθοδο η πρόκληση που είναι και ο σκοπός της παρούσας εργασίας παραμένει η βελτιστοποίηση των συνθηκών της διαδικασίας της προσρόφησης έτσι ώστε να καθαρίζεται η μεγαλύτερη δυνατή ποσότητα πόσιμου νερού στο συντομότερο χρονικό διάστημα και στον απαιραίτητο βαθμό με το χαμηλότερο φυσικά κόστος. Στο πλαίσιο της εργασίας μελετήθηκε η χρήση στήλης προσρόφησης συνεχούς ροής για την απομάκρυνση νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου από πόσιμο νερό με χρήση θερμικά επεξεργασμένου παλυγορσκίτη (Τ-Pal) ως προσροφητικό μέσο. Τα πειράματα χωρίστηκαν σε δύο βασικά μέρη. Αρχικά μετρήθηκε η απομάκρυνση ΝΟ3- από νερό συλλεγμένο από το νέο Βουπρασίο Αχαϊας, συγκέντρωσης 26mg L-1, για τρεις διαφορετικές παροχές (15, 25, 35 και 50 ml min-1 ) σε στήλη προσρόφησης μήκους 40cm αλλα και παροχή 35 ml min-1 σε στήλη μήκους 120cm. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ταχύτατο κορεσμό του T-Pal με μικρές τιμές προσροφητικής ικανότητας. Από την ανάλυση των αντίστοιχων διαγραμμάτων εφαρμόστηκαν κινητικά μοντέλα και υπολογίστηκαν οι κινητικές παράμετροι. Στην συνέχεια μετρήθηκε η προσροφητική ικανότητα και το ποσοστό προσρόφησης στήλης θερμικά επεξεργασμένου παλυγορσκίτη για την απομάκρυνση αμμωνιακού αζώτου (NH4+ - Ν) από διάλυμμα συγκέντρωσης 200mg L-1 με παροχή 10 mL min=1 και 50mL min-1. Η μέγιστη προσροφητική ικανότητα υπολογίστηκε ίση με 3.407mg g-1 και 1.886mg g-1 αντίστοιχα. Στη συνέχεια εφαρμόστηκαν κινητικά μοντέλα προσρόφησης και υπολογίστηκαν οι ανάλογες κινητικές παράμετροι. Παράλληλα με τα πειράματα απομάκρυνσης νιτρικού και αμμωνιακού αζώτου μετρήθηκε και η μεταβολή της σκληρότητας του νερού για μελέτη παράλληλης αποσκλήρυνσης και για έλεγχο ανταγωνισμού των ιόντων ασβεστίου Ca2+ και αμμωνιακών NH4+ κατά της διαδικασία της προσρόφησης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε οικονομική ανάλυση για τον υπολογισμό του κόστους εφαρμογής της μεθόδου όπου στην περίπτωση του αμμωνιακού αζώτου το κόστος επεξεργασίας του νερού βρέθηκε αρκετά ανταγωνιστικό αντίστοιχων μελετών. Τέλος πραγματοποιήθηκε case study για την εφαρμογή κινητικού μοντέλου προσρόφησης και τον υπολογισμό του κόστους απομάκρυνσης αζώτου από νερό συγκέντρωσης 1mg L-1 σε αμμωνιακό άζωτο το οποίο επέδειξε αρκετά ικανοποιητικά αποτέλέσματα.