Application of nano-bubbles in drinking water disinfection and the operation of bioreactors
Authors: Σερίδου Πετρούλα 
Published: August 2023

Η βακτηριακή μόλυνση του νερού αποτελεί σοβαρή απειλή για τη δημόσια υγεία και είναι επιτακτική ανάγκη να αποφευχθεί, διασφαλίζοντας την ποιότητα του νερού ώστε να μην υπάρξει μετάδοση ασθενειών μέσω του νερού. Επίσης, η παρουσία των οργανικών ρύπων κρίνεται ως θέμα μείζονος σημασίας από την διεθνή επιστημονική κοινότητα, καθώς οι συμβατικές εγκαταστάσεις λυμάτων δεν έχουν σχεδιαστεί με την προοπτική της απομάκρυνσης των ενώσεων αυτών, με αποτέλεσμα να γίνεται μερική ή ολική απόρριψή τους στους τελικούς αποδέκτες. Στο πλαίσιο αναβάθμισης των μεθόδων επεξεργασίας του νερού και των λυμάτων, η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που έχουν ως σκοπό να προσφέρουν υψηλής ποιότητας νερό στο χαμηλότερο δυνατό κόστος είναι στο επίκεντρο. Σε αυτό το πλαίσιο εντάσσεται η τεχνολογία των νανοφυσαλίδων (Nanobubbles, NBs), η οποία είναι μια τεχνολογία αιχμής που έχει τραβήξει το επιστημονικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω των πιθανών εφαρμογών τους σε πολλούς τομείς της επιστήμης και τεχνολογίας. Η σημασία τους είναι ευρέως γνωστή για τoν ρόλο που διαδραματίζουν σε σχέση με το μέγεθος του και την σταθερότητα τους. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για μικροσκοπικές σφαιρικές φυσαλίδες κάτω από 1 μm με μοναδικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες και σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των μακροφυσαλίδων. Μία από τις πιο αξιοσημείωτες ιδιοτήτες τους είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής λόγω της σχεδόν αμελητέαςάνωσης/πλευστότητας. Επιπρόσθετα, λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων, οι νανοφυσαλίδες οδηγούν σε υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς μάζας καθώς η εσωτερική πίεση της φυσαλίδας είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μέγεθος της. Επομένως, οι νανοφυσαλίδες έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια που εντείνει τον ρυθμό μεταφοράς μάζας λόγω της μεγαλύτερης επιφάνειας επαφής μεταξύ της αέριας και της υγρής φάσης. Επιπλέον, η μεγάλη ειδική επιφάνεια τους συμβάλλει στην προώθηση χημικών αντιδράσεων, φυσικής προσρόφησης, και μεταφοράς μάζας στη διεπιφάνεια αερίου-υγρού. Ο οζονισμός είναι μια μέθοδος απολύμανσης που χρησιμοποιείται ευρέως, καθώς είναι γνωστό ότι το όζον είναι ένα από τα ισχυρά οξειδωτικά και είναι αποτελεσματικό εναντίον των βακτηρίων και των ιών. Ωστόσο είναι μια ασταθής ένωση και η αποτελεσματικότητα της μεθόδου περιορίζεται από το γρήγορο ρυθμό μείωσης της οξειδωτικής ικανότητας του διαλυμένου όζοντος. Ο χρόνος ημιζωής του όζοντος στην αέρια φάση είναι πολύ μεγαλύτερος (3 μέρες έναντι 20 min στους 20 oC) και επομένως η σύζευξη του όζοντος με την τεχνολογία των νανοφυσαλίδων δύναται να ενισχύσει την απολυμαντική δράση (και υπολειπόμενη δραστικότητα). Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την μελέτη των εφαρμογών των νανοφυσαλίδων με ιδιαίτερη αναφορά στην επεξεργασία πόσιμου νερού για καλύτερη απόδοση στην εξουδετέρωση παθογόνων βακτηρίων. Επιπλέον, διερευνήθηκε η υπολειπόμενη δράση των νανοφυσαλίδων όζοντος. Ο κύριος στόχος της μελέτης είναι η σύγκριση της τεχνολογίας των νανοφυσαλίδων όζοντος σε σύγκριση με τον συμβατικό οζονισμό ως προς την απολύμανση καθώς και την απολυμαντική δράση του όζοντος. Τέσσερα είδη βακτηρίων (Escherichia coli, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis) μελετήθηκαν, τα οποία είναισημαντικά για την ποιότητα του νερού. Με βάση τα αποτελέσματα, η εφαρμογή της τεχνολογίας των νανοφυσαλίδων όζοντος παρουσίασε σημαντική επίδραση στην αδρανοποίηση των βακτηρίων και στον ρυθμό διάσπασης του όζοντος, καθιστώντας την μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για την επεξεργασία του πόσιμου νερού. Επιπλέον όσον αφορά την επεξεργασία του θαλάσσιου έρματος, μελετήθηκε η απόδοση της απολύμανσηςτης αρχικής συγκέντρωσης του βακτηρίου Εschericia coli (Ε. coli) (10^7, 10^6, and 10^5 CFU/mL) και της υπολειπόμενης συγκέντρωσης του όζοντος σε διάφορες αλατότητες (1.5, 4, 8 and 15 PSU) με την χρήση των νανοφυσαλίδων όζοντος σε σύγκριση με τον συμβατικό οζονισμό. Τα αποτελέσματα έδειξαν στατιστική διαφορά στην υπολειπόμενη συγκέντρωση οξειδωτικών που έχουν δημιουργηθεί από την αντίδραση του θαλασσινού νερού με το όζον με την χρήση των νανοφυσαλίδων όζοντος στην χαμηλότερη αλατότητα, 1.5 PSU για όλες τις βακτηριακές συγκεντρώσεις καθώς και στα 4 PSU αλατότητα μόνο στην χαμηλότερη συγκέντρωση. Στην χαμηλότερη αλατότητα, η υπολειπόμενη συγκέντρωση των οξειδωτικών με την εφαρμογή των νανοφυσαλίδων όζοντος είναι 6 φορές μεγαλύτερη σε σύγκριση με τον συμβατικό οζονισμό. Η αλατότητα παρουσιάζει ισχυρή επιρροή στην υπολειπόμενη δραστικότητα του όζοντος, καθώς όσο αυξάνεται η αλατότητα, αυξάνονται τα ιόντα χλωρίου και βρωμίου με τα οποία το όζον αντιδρά ταχέως. Η χρήση νανοφυσαλίδων όζοντος φαίνεται να αποδίδει καλύτερα καθώς επιτυγχάνεται μεγαλύτερη απόδοση απολύμανσης και μεγαλύτερη υπολειπόμενη συγκέντρωση. Μια επιπλέον εφαρμογή των νανοφυσαλίδων που μελετήθηκε στην συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή είναι η εφαρμογή των νανοφυσαλίδων αέρα σε τεχνητούς υγροβιότοπους, καθώς μελέτες έχουν δείξει ότι η παροχή αερισμού στους τεχνητούς υγροβιότοπους οδηγεί σε καλύτερη απόδοση απομάκρυνσης οργανικών ρύπων. Η παροχή αερισμού επετεύχθη μέσω των νανοφυσαλίδων, οι οποίες παρήχθησαν μέσω ενός νανοσωλήνα-διαχυτήρα και μέσω της ηλεκτρόλυσης. Στον τεχνητό υγροβιότοπο με τονδιαχυτήρα των νανοφυσαλίδων εντοπίστηκε η καλύτερη απομάκρυνση της φαινόλης και του τολουολίου καθώς και στον συνδυασμό των δύο ρύπων σε σύγκριση με τoν υγροβιότοπο ελέγχου. Επιπλέον, η συγκέντρωση του οξυγόνου σε αυτό το σύστημα διατηρήθηκε σε υψηλά επίπεδα (πάνω από 7 mg/L) σε όλους τους πειραματικούς κύκλους. Στη συνέχεια, πρωτοβάθμια-επεξεργασμένο αστικό λύμα προερχόμενο από τον βιολογικό καθαρισμό της περιοχής του Πλατανιά (Χανιά) χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα μαζί με τους οργανικούς ρύπους φαινόλης και τολουολίου αρχικής συγκέντρωσης 100 ppm. Και σε αυτή την περίπτωση, αυτός ο υγροβιότοπος επέδειξε την καλύτερη απομάκρυνση των οργανικών ρύπων, φαινόλη και τολουόλιο, καθώς η προσθήκη του αστικού λύματος ενίσχυσε την απόδοση του υγροβιότοπου, ο οποίος λειτουργεί με την ηλεκτρόλυση. Μετρήθηκαν όλες οι παράμετροι ποιότητας των λυμάτων, παρουσιάζοντας μεγάλη αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης σε όλα τα συστήματα, ωστόσο δεν αναφέρθηκε σημαντική διαφορά μεταξύ των τεχνητών υγροβιότοπων. Τέλος, ένας άλλος τομέας στον οποίο εφαρμόστηκαν οι νανοφυσαλίδες είναι η βιολογική αποκατάσταση. Ειδικότερα, στην φυτοαποκατάσταση εξετάστηκε η επίδραση της άρδευσης με νερό με νανοφυσαλίδες οξυγόνου (ONBs). Σε αυτή τη μελέτη, χώμα από ένα πεδίο βολής συλλέχθηκε και εμπλουτίστηκε με αντιμονίτη (Sb(III)) αρχικής συγκέντρωσης 50 mg/kg και διεξήχθη ένα πείραμα για να διερευνηθεί εάν η πικροδάφνη (Nerium oleander) σε συνδυασμό με οργανικά οξέα (OAs) και ONBs μπορεί να συσσωρεύσει το αντιμόνιο Sb στη ρίζα και να το μεταφέρει περαιτέρω στον υπέργειο ιστό. Η μετατόπιση του Sb για κάθε επεξεργασία ήταν πολύ χαμηλή, επιβεβαιώνοντας ότι το φυτό N. oleander δεν μπορεί να μεταφέρει το Sb από τη ρίζα στους βλαστούς. Μεγαλύτερη ποσότητα Sb συσσωρεύτηκε στα φυτά που ποτίστηκαν με τα ONBs. Όσον αφορά στηνβιοσυσσώρευση των στοιχείων Fe, Mg και Mn από το έδαφος στους φυτικούς ιστούς, το Fe και το Mn δεν κινητοποιήθηκαν, ενώ το Mg εκχυλίστηκε καθώς ο παράγοντας βιοσυγκέντρωσης αξιολογήθηκε πάνω από ένα και σημαντικά υψηλότερος με την παρουσία ONBs. Ο παράγοντας βιοσυσσώρευσης του Mn και του Mg ήταν σημαντικά μεγαλύτερος όταν τα ONBs χρησιμοποιήθηκαν, ενώ η αντίθετη τάση παρατηρήθηκε όσον αφορά τον παράγοντα μετατόπισης. Οι νανοφυσαλίδες μπορούν να ενισχύσουν τη σταθεροποίηση αυτών των μετάλλων στις ρίζες ενώ δεν συμβάλουν στην μετατόπιση τους στο υπέργειο τμήμα του φυτού. Επιπλέον, διερευνήθηκε η κινητοποίηση του αντιμονίου (Sb) από το έδαφος με βιοενισχυμένες ή όχι διαδικασίες σε συνδυασμό με την τεχνολογία νανοφυσαλίδων. Τα ONBs ενίσχυσαν την κινητοποίηση του Sb στα μη-βιοενισχυμένα πειράματα. Η βιοενίσχυση είχε σημαντική επίδραση στην απελευθέρωση Sb στην υδατική φάση αφού το ποσοστό του Sb που παραμένει στο έδαφος βρέθηκε να είναι χαμηλότερο στο βιοενισχυμένο πείραμα υποδηλώνοντας την κινητοποίηση περίπου 75% του αρχικού Sb στο έδαφος. Οι νανοφυσαλίδες βρέθηκε να μην έχουν σημαντική επίδραση στην απελευθέρωση Sb από τα εδάφη, καθώς το ίδιο ποσοστό Sb βρέθηκε επίσης στη βιοενισχυμένη επεξεργασία με νερό NBs. Εν κατακλείδι, το βασικό συμπέρασμα που προκύπτει από την συγκεκριμένη έρευνα είναι η σημαντική συμβολή της τεχνολογίας των νανοφυσαλίδων καθώς βρέθηκε να είναι αποτελεσματική σε διάφορους περιβαλλοντικούς τομείς, όπως η απολύμανση, η διαχείριση λυμάτων και η φυτοεξυγίανση. Επομένως, η εφαρμογή των νανοφυσαλίδων είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος και συνίσταται για συστήματα επεξεργασίας νερού και εδάφους.