Διερεύνηση τοξικότητας και μελέτη συμπεριφοράς χημικών μορφών μετάλλων σε συστήματα ενεργού ιλύος με έμφαση στο χρώμιο
Authors: Στασινάκης Αθανάσιος 
Published: August 2021

Στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η επίδραση της χημικής μορφής των μετάλλων στην τοξικότητά και στη συμπεριφορά τους κατά τη διεργασία της ενεργού ιλύος. Για την επίτευξη του πρώτου στόχου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα παρουσία των κυριότερων χημικών μορφών του αρσενικού (As), του υδραργύρου (Hg), του κασσιτέρου (Sn) και παρουσία του εξασθενούς χρωμίου (Cr(VI)). Για την επίτευξη του δεύτερου στόχου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα παρουσία των σημαντικότερων χημικών μορφών του χρωμίου (Cr), του Cr(III) και του Cr(VI). Πειράματα εκτίμησης της τοξικής δράσης των κυριότερων χημικών μορφών του As, Hg και Sn στην ταχύτητα αναπνοής των ετερότροφων μικροοργανισμών έδειξαν ότι, το As(III) και ο CH₃Hg παρουσιάζουν σημαντικά μεγαλύτερη τοξικότητα από το As(V) και τον Hg(II), αντίστοιχα. Επιπλέον, οι ενώσεις ΤΒΤ (τριβούτυλ-Sn), DBT (διβούτυλ-Sn) και TPhT (τριφαίνυλ-Sn) είναι σημαντικά τοξικότερες του ΜΒΤ (μονοβούτυλ-Sn). Η αύξηση της ηλικίας ιλύος και η αύξηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών μειώνουν την τοξική δράση των συγκεκριμένων χημικών μορφών των μετάλλων. Η τοξικότητα του Cr(VI) αρχικά εκτιμήθηκε μέσω προσδιορισμού της μέγιστης ειδικής ταχύτητας αύξησης των ετερότροφων μικροοργανισμών, μm και του συντελεστή μετατροπής υποστρώματος σε βιομάζα, ΥH, παρουσία Cr(VI). Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με μη-εγκλιματισμένη βιομάζα έδειξαν ότι, συγκεντρώσεις Cr(VI) ίσες ή μεγαλύτερες των 10 mg l⁻¹ μείωσαν τις τιμές των συγκεκριμένων κινητικών παραμέτρων. Τόσο η αύξηση της ηλικίας ιλύος, όσο και ο εγκλιματισμός της βιομάζας στο Cr(VI) συνέβαλλαν στη μείωση της τοξικότητάς του. Επιπλέον, σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν απουσία τοξικής ουσίας διαπιστώθηκε ότι, η χρήση αντιδραστήρων διακοπτόμενης ροής με υψηλό αρχικό λόγο υποστρώματος προς βιομάζα (S₀/X₀) αλλοιώνει την αρχική σύνθεση της βιομάζας, ευνοώντας την ανάπτυξη των γρήγορα αναπτυσσόμενων μικροοργανισμών. Αντίθετα, ο προσδιορισμός του μm σε αντιδραστήρες διακοπτόμενης ροής με χαμηλό (S₀/X₀) αναπαριστά καλύτερα τα χαρακτηριστικά της αρχικής βιομάζας. Επίσης, η χρήση της ταχύτητας αποξυγόνωσης για τον υπολογισμό των τιμών του μm περιγράφει την ικανότητα των μικροοργανισμών να οξειδώνουν το υπόστρωμα, αλλά δεν καθορίζει πάντα τον τρόπο που το κύτταρο χρησιμοποιεί την παραγόμενη ενέργεια. Υπό συνθήκες υψηλού S₀/X₀ και χαμηλών ηλικιών ιλύος, παρατηρείται αποσύνδεση των διεργασιών του καταβολισμού και του αναβολισμού, με αποτέλεσμα η οξείδωση του υποστρώματος να μην σχετίζεται άμεσα με τη βακτηριακή αύξηση. Η τοξικότητα του Cr(VI) εκτιμήθηκε επίσης, σε μονάδες ενεργού ιλύος συνεχούς ροής. Από τα συγκεκριμένα πειράματα προέκυψε ότι, οι νιτροποιητές παρουσιάζουν μεγαλύτερη ευαισθησία στο Cr(VI) από τους ετερότροφους μικροοργανισμούς. Συγκεκριμένα, η παρουσία 0.5 mg l⁻¹ Cr(VI) αναχαίτισε σημαντικά τη διεργασία της νιτροποίησης. Αντίθετα, συγκεντρώσεις Cr(VI) έως και 5 mg l⁻¹ προκάλεσαν μικρή μόνο μείωση στην απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Επίσης, συγκεντρώσεις ίσες και μεγαλύτερες του 1.0 mg l⁻¹ Cr(VI) μείωσαν σταδιακά την παρουσία τροχόζωων, πρωτόζωων και την αφθονία των νηματοειδών μικροοργανισμών, προκαλώντας την επικράτηση μικροσκοπικών βιοκροκίδων και ελεύθερων βακτηρίων στο μικτό υγρό. Για να εκτιμηθεί η επίδραση της χημικής μορφής του χρωμίου στη συμπεριφορά του, αρχικά αναπτύχθηκε και βελτιστοποιήθηκε μία αναλυτική μεθοδολογία για τον προσδιορισμό των χημικών μορφών του χρωμιίου στη διαλυτή και στη σωματιδιακή φάση των αποβλήτων. Στη συνέχεια, πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρες διακοπτόμενης ροής και σε μονάδες συνεχούς ροής. Από τα συγκεκριμένα πειράματα προέκυψε ότι, σχεδόν το 90% του Cr(III) προσροφήθηκε στα αιωρούμενα στερεά, ενώ το υπόλοιπο κατακρημνίστηκε. Αντίθετα, η απομάκρυνση του Cr(VI) ήταν πολύ μικρή και δεν ξεπέρασε το 15%. Αύξηση της ηλικίας ιλύος και μείωση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών μείωσε την απομάκρυνση του Cr(III), ενώ δεν επηρέασε την απομάκρυνση του Cr(VI). Κατά τη διεργασία της ενεργού ιλύος δεν παρατηρήθηκε οξείδωση του Cr(III) σε Cr(VI), ενώ παρατηρήθηκε αναγωγή του Cr(VI) σε Cr(III). Η συγκεκριμένη αναγωγή αποτελεί μηχανισμό μείωσης της τοξικότητας των αποβλήτων, καθώς το Cr(VI) είναι ιδιαίτερα τοξικό, καρκινογόνο και μεταλλαξιογόνο, ενώ το Cr(III) παρουσιάζει πολύ χαμηλή τοξικότητα. Επιπλέον παρατηρήθηκε ότι, το κλάσμα του Cr(VI) που ανάχθηκε, δεσμεύτηκε στα αιωρούμενα στερεά ως Cr(III), ενώ το υπόλοιπο Cr(VI) παρέμεινε κυρίως στη διαλυτή φάση. Η αναγωγή του Cr(VI) ευνοήθηκε από την παρουσία οργανικού υποστρώματος, την αύξηση του υδραυλικού χρόνου παραμονής των λυμάτων στον αερόβιο αντιδραστήρα και την παρουσία ανοξικού αντιδραστήρα.