Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής - Κωνσταντίνος Παπαδόπουλος

Η ανάπτυξη τεχνολογιών που επιτρέπουν την ανάκτηση ενέργειας και φυσικών πόρων είναι το κλειδί για την επίτευξη της βιωσιμότητας και της αποδοτικότητας στον τομέα της επεξεργασίας αποβλήτων. Η ενσωμάτωσή φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών σε αερόβιες μικροβιακές κοινότητες μπορεί να αποτελέσει ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση: η φωτοσύνθεση αντικαθιστά τον μηχανικό αερισμό του συστήματος, και οι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί καταναλώνουν τον παραγόμενο ανόργανο άνθρακα, μετατρέποντάς τον σε αξιοποιήσιμη βιομάζα. Η παρούσα εργασία επιχειρεί να αναπτύξει μια διεργασία που χρησιμοποιεί κοινότητες μικροφυκών-βακτηρίων για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων, και μπορεί να αποτελέσει μία βιώσιμη εναλλακτική συμβατικών τεχνολογιών επεξεργασίας αποβλήτων.

Χρησιμοποιώντας απόβλητα ζυθοποιίας ως σύστημα υπό μελέτη, αξιολογούνται δύο μικροβιακές κονότητες: (α) μία κοινότητα που απομονώθηκε από ενεργό ιλύ και (β) μία κοινότητα κυριαρχούμενη από το κυανοβακτήριο Arthrospira platensis. Παρόλο που και οι δύο κοινότητες επιβίωσαν στο απόβλητο, υψηλότεροι ρυθμοί ανάπτυξης, αφαίρεσης ρύπων, και ηπιότερες διακυμάνσεις στην σύσταση των μικροβιακών πληθυσμών παρατηρήθηκαν στην περίπτωση (α). Η ποικιλομορφία της μικροβιακής κοινότητας, τα μεταβολικά χαρακτηριστικά του κυανοβακτηρίου Leptolyngbya sp. που κυριάρχησε στις καλλιέργειες, και η συμβίωση με ετερότροφα βακτήρια επέτρεψε την αφαίρεση ανόργανων και οργανικών ρύπων, και τον σχηματισμό μεγάλων συσσωματωμάτων που μπορούν να διαχωριστούν με καθίζηση.

Στη συνέχεια, αναπτύσσεται μια ημι-συνεχής διεργασία που αξιοποιεί τα χαρακτηριστικά των συσσωματωμάτων μικροφυκών-βακτηρίων. Οι στοιχειώδεις λειτουργικές αρχές της διεργασίας ενεργού ιλύος (καθίζηση και ανακυκλοφορία βιομάζας) διατηρούνται, ενώ ο αερισμός του συστήματος πραγματοποιείται αποκλειστικά μέσω της φωτοσύνθεσης. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η απόδοση της διεργασίας είναι σταθερή σε διαδοχικούς καλλιεργητικούς κύκλους, ενώ η ανακυκλοφορία της βιομάζας ευνοεί τον σχηματισμό μεγάλων συσσωματωμάτων που επιτρέπουν αποδοτικότερο διαχωρισμό βιομάζας και αφαίρεση ρύπων. Επιπλέον, η παραγωγή βιοαιθανόλης αξιολογείται ως στρατηγική αξιοποίησης της βιομάζας. Η παραγωγή βιοαιθανόλης, σε συνδυασμό με αποδοτική επεξεργασία αποβλήτων ζυθοποιίας αποδείχθηκε εφικτή, αλλά λιγότερο αποδοτική σε σχέση με συστήματα αποκλειστικά σχεδιασμένα για παραγωγή βιοκαυσίμων και συμβατικές τεχνολογίες παραγωγής βιοενέργειας, όπως η αναερόβια χώνευση.

Τα πειραματικά αποτελέσματα προσεγγίστηκαν και αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα που αναπτύχθηκαν με το πακέτο ASM της IWA ως βάση και έμπνευση. Αποκαλύπτεται ότι η ένταση του φωτός και η σκίαση αποτελούν τους κύριους ρυθμιστικούς παράγοντες του συστήματος. Επιπλέον, υπογραμμίζεται περαιτέρω ο ρόλος της συσσωμάτωσης: δεν αποτελεί μόνο ένα μέσο διαχωρισμού της βιομάζας, αλλά επιτρέπει αποδοτικότερη διείσδυση της φωτεινής ακτινοβολίας σε πυκνές καλλιέργειας και προστατεύει τους μικροβιακούς πληθυσμούς από τη θήρευση. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε επίσης για την εκτίμηση του λειτουργικού κόστους της διεργασίας σε μεγάλη κλίμακα. Αποδεικνύεται ότι ο συνδυασμός επεξεργασίας αποβλήτων με συσσωματώματα μικροφυκών-βακτηρίων και αξιοποίησης της βιομάζας με αναερόβια χώνευση μπορεί να εξαλείψει το λειτουργικό κόστος, αν και οι αυξημένες εδαφικές απαιτήσεις σε σχέση με άλλες συμβατικές τεχνολογίες πρέπει να ληφθούν υπόψιν.