Μοντελοποίηση περιβαλλοντικών συστημάτων φυτοαποκατάστασης οργανικών ρύπων
Authors: Πετούση Μαργαρίτα 
Published: March 2024

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%.