Μοντελοποίηση περιβαλλοντικών συστημάτων φυτοαποκατάστασης οργανικών ρύπων

Abstract

Phytoremediation is a state-of-the-art technology that uses plants and microorganisms that grow synergistically with them to remediate environmental pollution (soil, sludge, sediments, groundwater and surface water). Phytoremediation has multiple advantages over physico-chemical methods of remediation, the main ones being that it has low cost, is environmentally friendly and does not require special technical expertise in its implementation.In the first part of the present thesis the performance of pilot scale phytoremediation units for Olive mill wastewater (OMW) treatment has been experimentally investigated. Plant species tested were Juncus acutus L., Tamarix parvifora DC., Punica granatum L. and Myrtus communis L.. The configuration of the pilot units was according to the corresponding technology of Santori and Cicalini (2002), whereas OMW is undergoing remediation as it recirculates through soil planted with trees. OMW treatment in the pilot units took place in batches of gradually increasing organic load and during different plant growth stages. The aim of this work was to examine the behaviour of the plants in the environment of the wastewater, as well as to estimate the percentage removal of selected OMW constituents.Overall, it was found that the highest COD concentration of OMW which was tolerated by the examined plants without the appearance of phytotoxicity symptoms, was within the range of 10 000 mg/L - 20 000 mg/L. Particularly, the species P. granatum and M. communis were resistant during the application of OMW with COD concentration up to ~12 400 mg/L and even showed faster growth than the corresponding control plants. The application of the specific plant species in the studied technology reinforces its circular economy character, as it provides the advantage of the parallel production of products of high economic value. When treating OMW with a COD concentration in the range of 10 000-20 000 mg/L, the removal rates for COD, TPh, TN and TP were respectively 55-67%, 58-79%, 54-79% and 47-78% in the pilot units. The corresponding removal rates were in the range of 0.37-1.16 g/d/kg-soil for COD, 0.067-0.093 g/d/kg-soil for TPh, 0.034-0.051 g/d/kg-soil for TN, and 0.053 -0.0096 g/d/kg-soil for TP. When treating OMW with a high COD concentration (>40000 mg/L) the average removal rates for COD and TPh in the pilot units were higher than the corresponding rates in the control unit (without plants) by up to 20 times for COD and up to 160 times for TPh. In addition, the mean removal rates for COD and TPh in the pilot units are within the range of the corresponding removal rates reported in the relevant literature for constructed wetlands treating OMW.In the second part of the thesis, a mathematical mechanistic state-space model was developed to describe the pilot phytoremediation systems with P. granatum and M. communis plants. In the model, basic processes related to the removal, transformation and accumulation of OMW compounds in the system were considered, i.e. uptake by plants, rhizodegradation, accumulation of the recalcitrant compounds of the wastewater in the root tissue of plants, microbial growth, maintenance and decay and enzymatic degradation of organic substances.The model satisfactorily predicts the dynamics of the studied pilot systems during the OMW treatment cycles with an average concentration of 6 200-39 300 mg/L COD, which were performed in the framework of part A' of the thesis. Regarding the determination of the kinetic parameters of the model, the maximum specific growth rate of the considered microbial populations and the specific rate of enzymatic degradation of the organic compounds of OMW were determined up to two orders of magnitude higher than the corresponding rates reported in studies of OMW degradation in bioreactors and in studies of organic matter composting respectively. TSCF coefficient values for readily biodegradable organics (phenolic or non-phenolic) of OMW were estimated to be greater than 0.95, indicating almost passive uptake of these substances by plants. TSCF coefficients for inorganic N and P were estimated to be greater than unity, respectively indicating active uptake of these compounds by plants. Moreover, the relative contribution of plant-related processes to the overall remediation of OMW was further estimated in the context of the experimental cycles performed. It was found that the processes of rhizodegradation and plant uptake (via evapotranspiration) contribute a total of more than 91% to the removal of organic and nutrient compounds of OMW, regardless of the organic load of the wastewater.A simple mechanistic model was additionally developed in the context of organics phytoremediation modeling work in the present thesis. The model describes the dynamics of bisphenol-A (BPA) remediation in a pilot phytoremediation unit, simulating a shallow aquifer with the presence of J. acutus plants. The model was calibrated against relevant available experimental data by Christofilopoulos (2017). The results from the model simulation showed that for the specific pilot system and experimental context, the processes of hydrolysis and microbial degradation in the rhizosphere of the plants jointly contribute to the removal of BPA in a total percentage greater than 97%.

Η «φυτοαποκατάσταση» είναι μια τεχνολογία αιχμής, η οποία χρησιμοποιεί φυτά και τους μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται συνεργιστικά με αυτά για την αποκατάσταση της ρύπανσης του περιβάλλοντος (έδαφος, ιλύς, ιζήματα, υπόγεια και επιφανειακά νερά). Η φυτοαποκατάσταση συγκεντρώνει ένα πλήθος πλεονεκτημάτων έναντι των φυσικοχημικών μεθόδων απορρύπανσης, τα κυριότερα από τα οποία είναι ότι έχει χαμηλό κόστος, είναι περιβαλλοντικά φιλική και δεν απαιτεί ιδιαίτερη τεχνική εξειδίκευση στην εφαρμογή της.Στο Ά μέρος της παρούσας διατριβής διερευνήθηκε πειραματικά η απόδοση πιλοτικών μονάδων φυτοαποκατάστασης υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου (Olive Mill Wastewater- OMW) με χρήση των φυτών Juncus acutus L., Tamarix parvifora DC., Punica granatum L. και Myrtus communis L.. Οι πιλοτικές μονάδες διαμορφώθηκαν κατά το πρότυπο της τεχνολογίας των Santori και Cicalini (2002), κατά την οποία τα OMW υφίστανται εξυγίανση καθώς ανακυκλοφορούνται διαμέσου εδαφικού στρώματος με υφιστάμενη δενδροκαλλιέργεια, χρησιμεύοντας παράλληλα ως μέσο άρδευσης. Η επεξεργασία OMW στις πιλοτικές μονάδες έγινε κατά παρτίδες με αυξανόμενο οργανικό φορτίο και σε διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης των φυτών. Σκοπός ήταν η εξέταση της συμπεριφοράς των φυτών στο περιβάλλον του ρύπου, καθώς και η εκτίμηση του ποσοστού απομάκρυνσης επιλεγμένων συστατικών του αποβλήτου.Συμπερασματικά προέκυψε, ότι η υψηλότερη συγκέντρωση COD των OMW η οποία είναι ανεκτή από τα εξεταζόμενα φυτά χωρίς την εμφάνιση συμπτωμάτων φυτοτοξικότητας, βρίσκεται εντός τους εύρους 10 000 mg/L - 20 000 mg/L. Τα δε είδη P. granatum και M. communis ήταν ανθεκτικά κατά την εφαρμογή OMW συγκέντρωσης COD έως ~12 400 mg/L και μάλιστα επέδειξαν ταχύτερη ανάπτυξη από τα αντίστοιχα φυτά-μάρτυρες. Η εφαρμογή των συγκεκριμένων φυτικών ειδών στην προκειμένη τεχνολογία, ενισχύει το χαρακτήρα κυκλικής οικονομίας της, καθώς παρέχει το πλεονέκτημα της παράλληλης παραγωγής υψηλής οικονομικής αξίας προϊόντων. Κατά την επεξεργασία OMW με συγκέντρωση COD στο εύρος 10 000-20 000 mg/L, τα ποσοστά απομάκρυνσης στις πιλοτικές μονάδες για τις παραμέτρους COD, TPh, TN και TP ήταν αντίστοιχα 55-67%, 58-79%, 54-79% και 47-78%. Οι αντίστοιχοι ρυθμοί απομάκρυνσης ήταν στο εύρος 0.37-1.16 g/d/kg-εδάφους για το COD, 0.067-0.093 g/d/kg-εδάφους για τις TPh, 0.034-0.051 g/d/kg-εδάφους για το TN και 0.053-0.0096 g/d/kg-εδάφους για το TP. Κατά την επεξεργασία OMW με υψηλή συγκέντρωση COD (>40000 mg/L) οι μέσοι ρυθμοί απομάκρυνσης για το COD και τις TPh στις πιλοτικές μονάδες ήταν υψηλότεροι από τους αντίστοιχους ρυθμούς στη μονάδα ελέγχου χωρίς φυτά έως και 20 φορές για το COD και έως και 160 φορές για τις TPh. Επιπλέον, οι μέσοι ρυθμοί απομάκρυνσης για το COD και τις TPh στις πιλοτικές μονάδες κυμαίνονται εντός του εύρους των αντιστοίχων ρυθμών απομάκρυνσης που αναφέρονται στη σχετική βιβλιογραφία που αφορά σε συστήματα τεχνητών υδροβιότοπων που επεξεργάζονται OMW.Στο Β’ μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μαθηματικό μηχανιστικό μοντέλο χώρου κατάστασης για την περιγραφή των πιλοτικών συστημάτων φυτοαποκατάστασης με τα φυτά P. granatum και M. communis. Στο μοντέλο θεωρήθηκαν βασικές διεργασίες που αφορούν στην απομάκρυνση, μετατροπή και συσσώρευση των συστατικών των OMW στο σύστημα, ήτοι πρόσληψη από τα φυτά, ριζοαποδόμηση, συσσώρευση των δύσκολα αποδομούμενων συστατικών του αποβλήτου στα ριζικά τοιχώματα των φυτών, μικροβιακή ανάπτυξη, συντήρηση και θανάτωση και ενζυμική αποδόμηση των οργανικών ουσιών.Το μοντέλο προβλέπει ικανοποιητικά τη δυναμική των μελετώμενων πιλοτικών συστημάτων κατά τους κύκλους επεξεργασίας OMW με μέση συγκέντρωση 6 200-39 300 mg/L COD, οι οποίοι εκτελέστηκαν στο πλαίσιο του Α’ μέρους της διατριβής. Σχετικά με τον προσδιορισμό των κινητικών παραμέτρων του μοντέλου, ο μέγιστος ειδικός ρυθμός ανάπτυξης των θεωρούμενων μικροβιακών πληθυσμών και ο ειδικός ρυθμός ενζυμικής αποδόμησης των οργανικών συστατικών των OMW προσδιορίστηκαν έως και δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτεροι από τους αντίστοιχους ρυθμούς που αναφέρονται σε μελέτες αποδόμησης OMW σε βιοαντιδραστήρες και σε μελέτες κομποστοποίησης οργανικών υλικών αντιστοίχως. Οι τιμές του συντελεστή TSCF για τα ευκόλως αποδομούμενα οργανικά (φαινολικού ή μη χαρακτήρα) των OMW εκτιμήθηκαν ως μεγαλύτερες από 0.95, υποδεικνύοντας σχεδόν παθητική πρόσληψη των εν λόγω ουσιών από τα φυτά. Οι συντελεστές TSCF για το ανόργανο N και τον P εκτιμήθηκαν ως μεγαλύτεροι της μονάδας, υποδεικνύοντας αντιστοίχως ενεργό πρόσληψη των συστατικών αυτών από τα φυτά. Από την εφαρμογή του μοντέλου εκτιμήθηκε επιπλέον η σχετική συνεισφορά των διεργασιών που σχετίζονται με τα φυτά στη συνολική εξυγίανση των OMW, στο πλαίσιο των πειραματικών κύκλων που εκτελέστηκαν. Προέκυψε ότι οι διεργασίες της ριζοαποδόμησης και της πρόσληψης στο εσωτερικό των φυτών (μέσω της εξατμισοδιαπνοής) συνεισφέρουν συνολικά κατά ποσοστό μεγαλύτερο από 91% στην απομάκρυνση των οργανικών και θρεπτικών συστατικών των OMW, ανεξαρτήτως του οργανικού φορτίου του αποβλήτου.Στο πλαίσιο της μαθηματικής μοντελοποίησης συστημάτων φυτοαποκατάστασης οργανικών ρύπων, αναπτύχθηκε συμπληρωματικά στο Β’ μέρος της διατριβής, ένα απλό μοντέλο περιγραφής της δυναμικής εξυγίανσης της δισφαινόλης-Α (BPA) σε πιλοτική μονάδα φυτοαποκατάστασης, η οποία προσομοιώνει ρηχό υδροφορέα παρουσία φυτών J. acutus. Η βαθμονόμηση του μοντέλου έγινε βάσει διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων από τον Christofilopoulos (2017). Τα αποτελέσματα από την προσομοίωση του μοντέλου έδειξαν ότι για το συγκεκριμένο πιλοτικό σύστημα και στο πειραματικό πλαίσιο που αυτό μελετήθηκε, οι διεργασίες της υδρόλυσης και της μικροβιακής αποδόμησης στη ριζόσφαιρα των φυτών συνεισφέρουν από κοινού στην απομάκρυνση της BPA από το σύστημα σε συνολικό ποσοστό μεγαλύτερο από 97%.