Φωτοδιάσπαση και συνεργιστική αποσύνθεση με την βοήθεια φυτικών ειδών, οργανικών ρύπων στα ρευστά
Authors: Γεωργόπουλος Σταύρος 
Published: August 2022

Η σύγχρονη εποχή χαρακτηρίζεται από της μεγάλης κλίμακας και σε παγκόσμιο επίπεδο αρνητικές επιπτώσεις για το περιβάλλον, λόγω της έντονης ανθρώπινης δραστηριότητας. Βέβαια οι συνέπειες των ανθρώπινων δραστηριοτήτων δεν είχαν εξαρχής αυτή τη μορφή. Ο άνθρωπος θεωρούσε τη φύση κάτι το ιερό μέσα στην οποία γεννιέται, μεγαλώνει και πεθαίνει. Γίνεται στοιχείο της ταυτότητάς του και σύμβολο της κοινότητας στην οποία δραστηριοποιείται. Η σχέση όμως αυτή άλλαξε ριζικά με την έκρηξη της Βιομηχανικής Επανάστασης, που πολλαπλασιάστηκε η κατανάλωση ενέργειας. Έτσι όλα αυτά σε συνδυασμό με την επιστημονική και τεχνολογική ανάπτυξη οδήγησαν στη διάσταση ανθρώπου - περιβάλλοντος και στη δημιουργία πολλών σημαντικών προβλημάτων, όπως η κλιματική αλλαγή από την αύξηση της θερμοκρασίας της Γης, η όξινη βροχή, η ατμοσφαιρική και η υδατική ρύπανση. Όλα τα παραπάνω είναι αποτέλεσμα της χαλαρότητας στην πρόληψη της ρύπανσης, θέτοντας σε κίνδυνο τόσο την ποιότητα ζωής όσο και τη βιωσιμότητα του πλανήτη.Ειδικότερα, όσον αφορά την υδατική ρύπανση, ολοένα και περισσότερο εισάγονται ρύποι με διαφορετική σύσταση και φυσικοχημική συμπεριφορά σε επιφανειακά νερά, όπως ποτάμια, λίμνες και θάλασσες εξαιτίας της εντυπωσιακής ανάπτυξης της βιομηχανίας, της τεχνολογίας καθώς και της βελτίωσης του τρόπου ζωής. Οι κυριότερες συνέπειες της ρύπανσης σε υδατικά συστήματα περιλαμβάνουν αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα του νερού, διατάραξη των φυσικών ενδιαιτημάτων των υδρόβιων οργανισμών καθώς και τοξικές επιδράσεις στην υγεία τους και κατά συνέπεια στην υγεία των ανθρώπων. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η ποσότητα του νερού που είναι διαθέσιμη προς χρήση του ανθρώπου, ανέρχεται σε μόλις 0,3% του συνολικού όγκου νερού που υπάρχει στον πλανήτη, κρίνεται επιτακτική η ανάγκη διαφύλαξής του.Με τις κλασσικές μεθόδους των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων δεν μπορεί να επιτευχθεί ικανοποιητικά η απομάκρυνση οργανικών ενώσεων όπως αντιβιοτικά, αναλγητικά, αντιφλεγμονώδη, μικροβιοκτόνα, ζιζανιοκτόνα, κ.λπ. τα οποία χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση ασθενειών σε ανθρώπους, ζώα και φυτά, αντίστοιχα. Αποτέλεσμα αυτού είναι πληθώρα των εν λόγω οργανικών ουσιών να καταλήγουν μέσω του υδροφόρου ορίζοντα ξανά στον άνθρωπο. Όσον αφορά τα φυτοφάρμακα, η επιστημονική έρευνα έχει οδηγήσει στη θέσπιση ορίων και μεθόδων ελέγχου τους, αν και αποτελεσματικοί τρόποι κατεργασίας υδάτων ρυπασμένων από φυτοφάρμακα δεν είναι ακόμα ικανοποιητικά αναπτυγμένοι. Στην περίπτωση όμως των φαρμάκων και των προϊόντων προσωπικής φροντίδας των οποίων η ανίχνευση στα νερά γίνεται όλο και πιο συχνή, το πρόβλημα έχει γίνει επιτακτικό τόσο γιατί υπάρχει περιορισμένη μόνο γνώση ως προς τις συνέπειές τους στον άνθρωπο και στο περιβάλλον, όσο και γιατί οι τρόποι με τους οποίους μπορεί να επιτευχθεί η απομάκρυνσή τους δεν είναι γνωστοί. Γι’ αυτό η επιστημονική κοινότητα έχει ενεργοποιηθεί για την αντιμετώπιση του παραπάνω προβλήματος με ανάπτυξη μεθόδων για την ελάττωση τέτοιου είδους οργανικών ουσιών, οι οποίες είτε μπορούν να συνυπάρξουν αρμονικά με υπάρχουσες μεθόδους κατεργασίας όπως οι εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (με εφαρμογή τους πριν ή μετά από αυτών) είτε να εφαρμοστούν ανεξάρτητα από αυτές.Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την επαρκή απομάκρυνση ιδιαίτερα έμμονων οργανικών ρύπων με τη βοήθεια φωτός και φυτικών ειδών, έτσι ώστε το νερό να είναι αβλαβές για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Στόχος είναι τα αποτελέσματα να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη μιας ενοποιημένης τεχνολογικής μεθόδου (συμπεριλαμβανομένων των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων) που να είναι εφικτή η αποτελεσματική απομάκρυνση των αναφερόμενων οργανικών ρύπων (καινοτομία). Ως κριτήριο για τη διάρκεια της κατεργασίας χρησιμοποιήθηκαν δείκτες όπως η απομάκρυνση της φυτοτοξικότητας, ολικού οργανικού άνθρακα, χημικά απαιτούμενου οξυγόνου ή ένας συνδυασμός των παραπάνω.Η μελέτη της απομάκρυνσης τέτοιων ρύπων αποσκοπεί στη δημιουργία μεθόδων που μπορούν να εφαρμοστούν είτε απευθείας στο φυσικό περιβάλλον (με φύτευση των κατάλληλων φυτών ή φυσική κυκλοφορία του νερού μέσω διαδρομής που έχουν τοποθετηθεί επιλεγμένα φυτά) ενώ ταυτόχρονα δημιουργούνται συνθήκες κατάλληλου φυσικού φωτισμού των υδάτων (καινοτομία). Επιπλέον, είτε να συνδυαστούν με εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων με την προσθήκη τεχνητών μονάδων φυτο ή/και φωτοεπεξεργασίας πριν ή μετά από αυτές ή για την κατεργασία αποβλήτων νοσοκομείων ή φαρμακοβιομηχανιών που το οργανικό φορτίο των εν λόγω αποβλήτων είναι ιδιαίτερα αυξημένο.Για το σκοπό αυτό, βάσει συγκεκριμένων κριτηρίων, συλλέχθηκαν φυτικά είδη που αφθονούν σε επιλεγμένες γεωγραφικές περιοχές (ευρύτερη περιοχή του Αγρινίου, του Μεσολογγίου και της Καστοριάς). Ακολούθως, αναγνωριζόταν με βάση τις κλείδες στο εργαστήριο και αφού τοποθετούνταν κυρίως σε γυάλινα μπουκάλια που περιείχαν συγκεκριμένη ποσότητα τεχνητών ή πραγματικών υδατικών αποβλήτων, αφηνόταν για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.Επιπλέον, διεξήχθησαν πειράματα στα οποία συγκεκριμένα φυτικά είδη τοποθετούνταν σε γλάστρες που περιείχαν χώμα. Πιο συγκεκριμένα, όσον αφορά τα εν λόγω πειράματα υπήρξε προσομοίωση μεθόδου η οποία μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας στο φυσικό περιβάλλον (με φύτευση των κατάλληλων προαναφερόμενων φυτών ή φυσική κυκλοφορία του νερού μέσω διαδρομής που έχουν τοποθετηθεί τα αναφερόμενα επιλεγμένα φυτικά είδη).Κατά τη διάρκεια παραμονής των παραπάνω φυτών λαμβανόταν συστηματικά δείγματα νερού και αναλυόταν στο εργαστήριο για να διαπιστωθεί η απομάκρυνση των συγκεκριμένων ρύπων. Οι αναλύσεις περιλάμβαναν φασματοφωτομετρικές τεχνικές με το φασματοφωτόμετρο Hita- chiU-2000 UV Spectrophotometer 1212301-10, υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC, Dionex®), αναλυτή ολικού οργανικού άνθρακα (TOC-VCSH, TOC Analyzer, Schi- madzu), αναλυτή χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (Hach Company, Model 45600) και χρωματογραφία λεπτής στιβάδας (Thin Layer Chromatography-TLC). Παράλληλα, εξεταζόταν τη μεταβολή της (φύτο και γένο) τοξικότητας του υπό κατεργασία αποβλήτου ως συνάρτηση του χρόνου κατεργασίας.Τα κριτήρια με τα οποία επιλέχθηκαν τα αναφερόμενα φυτικά είδη ήταν τα ακόλουθα:•φυτικά είδη τα οποία αναπτύσσονται κοντά σε ποταμούς και λίμνες (υγρόφιλα), με την υπόθεση ότι αφού απορροφούν αρκετό νερό για την επιβίωσή τους, ενδεχομένως θα απομακρύνουν και μεγάλη ποσότητα των εξεταζόμενων ουσιών,•φυτά τα οποία εκ πρώτης όψεως φαίνονται ανθεκτικά (πχ βάτος (Rubus sp.)),•φυτικά είδη τα οποία μπορεί να βρίσκονται κοντά σε μονάδες με ζώα και σε υδατοκαλλιέργειας (ερυθρομυκίνη) αλλά και σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων,•αυτοφυή φυτικά είδη αλλά και με μεγάλο σχετικά οικολογικό εύρος,•το υψομετρικό εύρος τους να είναι ευρύ και να συναντώνται όλο το χρόνο σε όλες τις χλωριδικές περιοχές της Ελλάδος και σε άφθονη ποσότητα,•να μην βρίσκονται υπό καθεστώς προστασίας.Παράλληλα, τεχνητά ή πραγματικά απόβλητα, υπόκειντο σε φωτολυτική ή φωτοκαταλυτική (κυρίως με καταλύτη διοξείδιο του τιτανίου-TiO2-) κατεργασία με χρήση φυσικού ηλιακού φωτός ή τεχνητού φωτός (λάμπα υδραργύρου 254 nm και λάμπα ξένου). Για το σκοπό αυτό σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικά εργαστηριακής κλίμακας συστήματα διαλείποντος έργου, που τα απόβλητα υπόκειντο σε επεξεργασία είτε μέσω συνεχούς ανακυκλοφορίας του διαλύματος (με περισταλτική αντλία), είτε χωρίς ανακυκλοφορία. Οι παραπάνω διαδικασίες επιτελούνταν επίσης με συνέργεια φωτός και υπερηχητικής κατεργασίας του καταλύτη πριν και κατά τη διεργασία, σε διάφορες συγκεντρώσεις καταλύτη, καθώς επιπλέον και με συνέργεια φωτός, καταλύτη και υποξειδίου του υδρογόνου. Η πορεία της απομάκρυνσης διαλυμάτων ως συνάρτηση του χρόνου επεξεργασίας επίσης παρακολουθούνταν με τις προαναφερθείσες αναλυτικές μεθόδους ενώ η μεταβολή της τοξικότητάς τους παρακολουθούνταν επίσης.Τέλος, διεξήχθησαν πειράματα που πραγματοποιούνταν παράλληλα φωτοκατάλυση και φυτοαποκατάσταση σε τεχνητά αλλά και πραγματικά απόβλητα. Ειδικότερα, την ημέρα λάμβανε χώρα φωτοεπεξεργασία ενώ τη νύχτα φυτοεπεξεργασία. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων λαμβανόταν δείγματα που στη συνέχεια πραγματοποιούνταν μέτρηση απορρόφησης καθώς και ανάλυση τοξικότητας.Οι μέθοδοι που εφαρμόστηκαν στην παρούσα δουλειά είναι "ελκυστικές", καθώς είναι εύκολες στην κατασκευή και στη λειτουργία τους, έχουν χαμηλό κόστος και είναι φθηνές και βιώσιμες σε σχέση με τις συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας. Επιπλέον, φαίνεται να είναι αποτελεσματικές στην απομάκρυνση των ουσιών που μελετήθηκαν. Ωστόσο, κρίνεται αναγκαία περαιτέρω έρευνα έτσι ώστε να συσταθεί μια ενοποιημένη (συμπεριλαμβανομένων των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων) ή ανεξάρτητη μέθοδος που να είναι εφικτή η πρακτικά πλήρης απο- μάκρυνσή τους.