Η μελέτη της νιτροποίησης στα φυσικά εδαφολογικά συστήματα είναι σημαντική όχι μόνο για αγρονομικούς λόγους αλλά και λόγω των αποτελεσμάτων της στο περιβάλλον. Δεδομένου ότι τα λιπάσματα της ουρίας και αμμωνίου περιλαμβάνουν τον συνολικό όγκο των λιπασμάτων που χρησιμοποιούνται στην παγκόσμια γεωργία, το ποσοστό νιτροποίησης είναι ένας βασικός παράγοντας που καθορίζει τις πιθανές απώλειες του Ν. Συσσωρευμένο NO3 μπορεί να μειωθεί από το εδαφικό οικοσύστημα μέσω της διύλισης και της διάσπασης νιτρικών, οι οποίες προκαλούν τη ρύπανση των υδάτων εδάφους και επιφάνειας και τις αεριώδεις εκπομπές στη ατμόσφαιρα Η παρούσα εργασία ασχολήθηκε με την νιτροποίηση, (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) που υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία ( ) σε νιτρώδη ( ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν σε νιτρικά. Ακολούθως προαιρετικά αερόβιοι ετερότροφοι μικροοργανισμοί με τη βοήθεια οργανικής πηγής άνθρακα σε αναερόβιο περιβάλλον μετατρέπουν το νιτρικό άζωτο σε αέριο άζωτο (απονιτροποίηση). Το στάδιο της απονιτροποίησης δεν θα μας αποασχολήσει στην παρούσα εργασία. Τα βακτήρια που είναι υπεύθυνα για την οξείδωση της αμμωνίας είναι τα (ammonium oxidizing bacteria) ή νιτρωδοβακτήρια, ενώ τα βακτήρια που οξειδώνουν τα νιτρώδη σε νιτρικά είναι τα νιτρικοβακτήρια. Βακτήρια των γενών Nitrosomonas συμμετέχουν στο πρώτο στάδιο της νιτροποίησης. Στο δεύτερο στάδιο περιλαμβάνεται το γένος Nitrobacter. Με μια σειρά πειραμάτων φυσικού και τεχνητού χώματος, με την παρουσία ή μη μικροοργανισμών, μελετάμε την κινητική της νιτροποίησης και τους παράγοντες που ενδεχομένως επιδρούν στην κινητική αυτή, καθώς και τους παράγοντες που παρεμποδίζουν την νιτροποίηση. / The study of nitrification in the natural soil' systems is important not only for agronomic reasons but also because of its potentials effects on the environment. Since urea and ammonium fertilizers comprise the bulk of total fertilizer N uzed in world agriculture, the rate of nitrification is a basic factor determining potential losses of N. Accumulated NO3 can be depleted from the grassland ecosystem via leaching and denitrification, which cause ground and surface water pollution and gaseous emissions to the atmosphere. The present work is about the nitrification, (biological oxidation of ammonia) that is materialized by two different categories of autotrophic bacteria. The first group (ammonia oxidizers) converts ammonium ( ) to nitrite ( ), then the second group, nitrite oxidizers, oxidizes further the intermediate product to nitrate. Denitrification is the biological process, which is responsible for the removal of nitrogen in the form of nitrate and/or nitrite by conversion to nitrogen gas. The stage of denitrification won’t occupy us in the present work. The bacteria responsible for biological oxidation of ammonia are (ammonium oxidizing bacteria), while the bacteria that oxidize nitrite to nitrate are nitrite oxidizers. Bacteria of genders Nitrosomonas participate in the first stage of nitrification. In the second stage the gender Nitrobacter is included. With a row of experiments including natural and artificial soil, and with the presence or not of micro-organisms, we study the kinetics of nitrification and the factors that potential influence this kinetics, as well as the factors that impede the nitrification.

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 (+4 NH) σε νιτρώδη (−2NO) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν (νιτρώδη) σε νιτρικά. Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα μέσω μετατροπή 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 για την απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα με παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών μέσω κατάλληλης ρύθμισης του πλήθους και της διάρκειας των αερόβιων και ανοξικών φάσεων λειτουργίας του. Η παράκαμψη της νιτρικοποίησης επιτεύχθηκε για λειτουργία του συστήματος με 12ωρο κύκλο, με 3 ζεύγη αερόβιας/ανοξικής φάσης και αναλογία φάσεων 2:3. Η μείωση της διάρκειας του κύκλου λειτουργίας σε 8 ώρες οδήγησε σε εξίσου ικανοποιητική απόδοση, ταυτόχρονα όμως επιτρέπει την επεξεργασία μεγαλύτερου όγκου αποβλήτου στο ίδιο χρονικό διάστημα. / -

Το Πι-κριτήριο των Bittanti et al. (1973) έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε εφαρμογές με στόχο την πρόβλεψη ενδεχόμενης βελτίωσης της απόδοσης ενός μη γραμμικού συστήματος υπό περιοδική είσοδο. Το κριτήριο όμως έχει τοπική ισχύ και περιορίζεται σε περιοδικές διαταραχές μικρού πλάτους. Η παρούσα εργασία αναπτύσσει μια μέθοδο προσδιορισμού διορθώσεων υψηλότερης τάξης στο πι-κριτήριο, προερχόμενη από βασικά αποτελέσματα της θεωρίας κεντρικής πολλαπλότητας (Center Manifold theory). Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην επίλυση της μερικής διαφορικής εξίσωσης της κεντρικής πολλαπλότητας με χρήση δυναμοσειρών. Το τελικό αποτέλεσμα της προτεινόμενης προσέγγισης είναι ο κατά προσέγγιση υπολογισμός του δείκτη απόδοσης υπό μορφή σειράς, η οποία παρέχει ακριβή αποτελέσματα σε μεγαλύτερα εύρη. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται σε έναν συνεχή αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης (CSTR), όπου στόχος είναι η μεγιστοποίηση της παραγωγής του επιθυμητού προϊόντος. Κατασκευάστηκε αλγόριθμος που προβλέπει την μόνιμη κατάσταση στην οποία καταλήγει ένα σύστημα απομάκρυνσης αζώτου που αποτελείται από αντιδραστήρα εμβολικής ροής και δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης με ανακύκλωση. Με χρήση υπολογιστικού μοντέλου βασιζόμενο στο ASM3 υπολογίστηκαν οι μόνιμες καταστάσεις αυτού του συστήματος για ένα εύρος καταστάσεων λειτουργίας. Βρέθηκαν οι βέλτιστες τιμές των βαθμών ελευθερίας για την ελαχιστοποίηση του συνολικού αερισμού και για την ελαχιστοποίηση του συνολικού αζώτου στην απορροή. Και στις δύο περιπτώσεις στις βέλτιστες μόνιμες καταστάσεις παρατηρήθηκε έκπλυση των Nitrobacter δηλαδή παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών. / The frequency-dependent Pi criterion of Bittanti et al. (1973) has been used extensively in applications to predict potential performance improvement under periodic forcing in a nonlinear system. The criterion, however, is local in nature and is limited to periodic forcing functions of small magnitude. The present work develops a method to determine higher-order corrections to the pi criterion, derived from basic results of Center Manifold theory. The proposed method is based on solving the Center Manifold partial differential equation via power series. The end result of the proposed approach is the approximate calculation of the performance index in the form of a series expansion, which provides accurate results under larger amplitudes. The proposed method is applied to a continuous stirred tank reactor, where the yield of the desired product must be maximized. An algorithm was constructed, that predicts the steady state of a nitrogen removal system consisting of a plug flow reactor and a secondary clarifier with recycle. Using a numerical model based on ASM3 and a grid of degrees of freedom, the steady states of this system were calculated. The optimal values for minimizing the total aeration were found, as well as those for minimizing the total nitrogen exit flow. In both cases the Nitrobacter bacteria were washed out thus indicating the bypassing of nitrate production.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης είναι οι διεργασίες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων καθώς και για την προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία ( + 4 NH ) σε νιτρώδη ( − 2 NO ) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν σε νιτρικά. Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα με μετατροπή 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 για κάθε μονάδα αζώτου που απομακρύνεται, πράγμα το οποίο είναι πολύ ελκυστικό από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της διεργασίας. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το pH και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν να εξεταστεί το φαινόμενο «υστέρησης» που παρουσιάζουν οι νιτρικοποιητικοί μικροοργανισμοί εξαιτίας της μετάβασης από ανοξικές σε αερόβιες συνθήκες. Επίσης το συγκεκριμένο φαινόμενο μοντελοποιήθηκε για τη διεργασία της νιτροποίησης για (α) ένα αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας (CSTR) στον οποίο λάμβανε χώρα ανάπτυξη βιομάζας τόσο στον υγρό όγκο όσο και στα τοιχώματα του αντιδραστήρα (προσκολλημένη) και (β) σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Με σκοπό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιήθηκε ένας αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (SBR) για να προσομοιωθεί η διεργασία της νιτροποίησης λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο υστέρησης των νιτρικοποιητικών βακτηρίων. Η προσομοίωση αυτή έδειξε ότι είναι δυνατό να παρακαμφθεί η νιτρικοποίηση χρησιμοποιώντας 3 ζεύγη αερόβιας – ανοξικής φάσης, με συνολική διάρκεια κάθε φάσης 4.5 και 5.5 ωρών αντίστοιχα, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα σχεδόν πλήρη απομάκρυνση του αζώτου. Οι μονάδες βιολογικής επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων γίνονται συχνά δέκτες αρκετών ξενοβιοτικών ουσιών, τα οποία πρέπει να επεξεργαστούν ταυτόχρονα με τα αστικά απόβλητα προτού εναποτεθούν στους υδάτινους αποδέκτες. Η παρουσία αυτών των ουσιών στις εισροές των βιολογικών καθαρισμών είναι πιθανόν παρεμποδιστικός παράγοντας για ευαίσθητες βιολογικές διεργασίες όπως η νιτροποίηση. Παρεμπόδιση αυτής της διεργασίας, μπορεί κάτω από ανεξέλεγκτες συνθήκες να οδηγήσει σε αποτυχία της βιολογικής απομάκρυνση αζώτου. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε η τυχόν παρεμπόδιση 12 ξενοβιοτικών ουσιών σε (α) νιτρωδοποιητικά βακτήρια και (β) νιτρικοποιητικά βακτήρια τα οποία είχαν απομονωθεί από την ενεργό ιλύ. Από τα πειράματα αυτά προέκυψαν αξιοσημείωτα φαινόμενα παρεμπόδισης για κάποιες από τις εξεταζόμενες ουσίες. Η συγκεκριμένη παρεμπόδιση μοντελοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το μη – ανταγωνιστικό μοντέλο παρεμπόδισης. / In the recent years significant research effort has been spent in bypassing the nitrification process. It is beneficial if ammonium is oxidized to nitrite and is thereafter directly denitrified rather than first being converted to nitrate in biological nitrogen removal systems. the bypass is often accimplished by changing the concentration of the dissolved oxygen, the pH and the temperature. The aim of this work was to examine the \"delay\" effect exhibited by nitrite oxidezers during the transition from anoxic to aerobic conditions. Furthermore, this effect was modeled for the nitrification process that took place in a)a continuously stirred tank reactor (CSTR) and b)in batch reactors. In order to bypass nitrification, a system called Sequencing Batch Reactor (SBR) was used to simulate the nitrification process by taking into account the delay effect of nitrite oxidizers. Sewage Treatment Plants (STPs) are usual receptors of xenobiotic compounds which may inhibit biological processes such as nitrification irrevesibly. This work also examined the possible inhibitory effect of twelve xenobiotic compounds an a)a mixed culture of autotrophic ammonium-oxidizing bacteria and b)nitrite-oxidizing bacteria isolated from activated sludge.