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Nitrogen removal in low pH and heavy metal contaminated mine wastewaters

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viii TABLE OF CONTENTS ABSTRACT ........................................................................................................ .i SOMMARIO...................................................................................................... iii PREFACE AND ACKNOWLEDGEMENTS ................................................ vi TABLE OF CONTENTS................................................................................ viii ABBREVIATIONS .......................................................................................... xii Chapter 1 INTRODUCTION...................................................................... 1 Chapter 2 LITERATURE REVIEW.......................................................... 7 2.1 MINING OPERATIONS AND IMPACTS ......................................... 8 2.2 MINING ACTIVITY IN FINLAND ................................................. 11 2.3 ACID MINE DRAINAGE AND CONTAMINANT LEACHING ... 12 2.4 HEAVY METALS IN MINE WASTEWATERS ............................. 14 2.4.1 Iron ................................................................................................. 19 2.4.2 Nickel ............................................................................................. 20 2.4.3 Metal toxicity on microorganisms.................................................. 21 2.5 NITROGEN CYCLE IN THE ACQUATIC ENVIRONMENT ....... 23 2.6 NITROGEN IN MINE WASTEWATERS........................................ 25 2.6.1 Nitrogen from explosive residues .................................................. 26 2.6.2 Nitrogen from cyanide leaching process........................................ 29 2.7 BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL ......................................... 30 2.7.1 Nitrification .................................................................................... 32 ix 2.7.2 Denitrification ................................................................................ 33 2.7.2.1 Effect of temperature.............................................................. 35 2.7.2.2 Effect of pH............................................................................ 35 2.7.2.3 Electron donors ...................................................................... 36 2.8 BIOREACTOR CONFIGURATIONS .............................................. 38 2.8.1 Fluidized bed reactor (FBR)........................................................... 39 2.8.1.1 Carrier materials used for FBR applications.......................... 42 2.8.2 Membrane biological reactor (MBR)............................................. 43 2.8.2.1 Membrane materials and configurations................................ 46 2.8.2.2 Membrane fouling and cleaning............................................. 49 Chapter 3 MATERIALS AND METHODS............................................. 52 3.1 MATERIALS ..................................................................................... 53 3.1.1 Source of microorganisms.............................................................. 53 3.1.2 Nutrients stock solution.................................................................. 53 3.1.3 Heavy metal stock solutions........................................................... 54 3.1.4 Sodium phosphate buffer ............................................................... 54 3.2 ANALITYCAL METHODS.............................................................. 55 3.2.1 Alkalinity, pH and Dissolved Oxygen .......................................... 55 3.2.2 Nitrate and nitrite analysis.............................................................. 55 3.2.3 Ammonium analysis....................................................................... 56 3.2.4 Ethanol analysis.............................................................................. 56 3.2.5 Metal analysis................................................................................. 56 3.2.6 TSS and VSS.................................................................................. 57 3.2.7 Microbial communities .................................................................. 57 3.3 REACTOR EXPERIMENTS............................................................. 58 3.3.1 Denitrification in FBRs .................................................................. 58 3.3.2 Nickel toxicity in DFBRs............................................................... 61 3.3.3 Nitrification in fluidized bed reactors (NFBR) .............................. 62 x 3.3.4 Nitrification in membrane bioreactor (NMBR) ............................. 64 3.3.4.1 Start-up and feed .................................................................... 66 3.3.4.2 Comparison of mixing systems.............................................. 66 3.3.4.3 Washing procedure for clogged membranes.......................... 66 3.4 DENITRIFICATION IN BATCH EXPERIMENTS......................... 67 3.4.1 Low pH effects .............................................................................. 68 3.4.2 Study of proper operating conditions for metal toxicity tests ....... 69 3.4.3 Nickel toxicity ............................................................................... 69 3.4.4 Iron toxicity ................................................................................... 70 Chapter 4 RESULTS.................................................................................. 73 4.1 REACTORS....................................................................................... 74 4.1.1 Denitrification in FBRs .................................................................. 74 4.1.2 Nickel toxicity in DFBRs............................................................... 76 4.1.3 Nitrification in FBR ....................................................................... 79 4.1.4 Nitrification in MBR ...................................................................... 80 4.2 BATCH ASSAYS.............................................................................. 82 4.2.1 Inhibitory pH for denitrification..................................................... 82 4.2.2 Optimal conditions for metal toxicity tests .................................... 84 4.2.3 Metal toxicity on denitrification..................................................... 86 4.2.3.1 Nickel ..................................................................................... 86 4.2.3.2 Iron ......................................................................................... 87 4.3 MICROBIAL COMMUNITIES ........................................................ 89 4.3.1 Denitrification ................................................................................ 90 4.3.2 Nitrification .................................................................................... 91 Chapter 5 DISCUSSION ........................................................................... 93 5.1 DENITRIFICATION ......................................................................... 94 5.1.1 Low pH effect................................................................................. 94 xi 5.1.2 Heavy metals toxicity..................................................................... 95 5.1.2.1 Nickel ..................................................................................... 95 5.1.2.2 Iron ......................................................................................... 98 5.1.3 Effects of other parameters in FBRs .............................................. 99 5.1.3.1 C/N ratio................................................................................. 99 5.1.3.2 Temperature ......................................................................... 100 5.1.3.3 HRT...................................................................................... 101 5.2 NITRIFICATION............................................................................. 101 5.3 MICROBIAL COMMUNITIES ...................................................... 102 5.3.1 Denitrification .............................................................................. 102 5.3.2 Nitrification .................................................................................. 105 Chapter 6 CONCLUSIONS..................................................................... 108 Chapter 7 REFERENCES....................................................................... 112
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Nitrogen removal in low pH and heavy metal contaminated mine wastewaters

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Informazioni tesi

  Autore: Francesco Di Capua
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2012-13
  Università: Università degli Studi di Napoli - Federico II
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria per l'ambiente e il territorio
  Relatore: Francesco Pirozzi
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 149

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Parole chiave

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acquatic environment
nitrification
denitrification
bioreactor configuration
nitrate analysis
reactor experimets

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