Removal of bisphenol A from wastewater and groundwater with helophytes
Authors: Χριστοφιλόπουλος Σταύρος 
Published: September 2021

Η παρουσία των αναδυόμενων οργανικών ρύπων (EOCs) σε αστικά λύματα (WW) έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας, λόγω της συχνότητας προσδιορισμού τους και τις επιπτώσεις που δύναται να έχουν στην ανθρώπινη υγεία και στο περιβάλλον. Οι EOCs περιλαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα ενώσεων, στις οποίες ανήκουν οι ενδοκρινικοί διαταράκτες (EDCs), τα παρασιτοκτόνα και οι φαρμακευτικές ενώσεις, όπως τα αντιβιοτικά. Οι EDCs είναι εξωγενείς ουσίες οι οποίες ακόμα και σε πολύ μικρή συγκέντρωση επιδρούν στο ορμονικό και ενδοκρινικό σύστημα των οργανισμών. Από την άλλη πλευρά, η παρουσία των αντιβιοτικών στο περιβάλλον έχει επιστήσει την προσοχή, επειδή δυνητικά μπορεί να προκαλέσει επιλεκτικό πολλαπλασιασμό βακτηρίων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά. Οι συμβατικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) έχουν αποδειχθεί ανεπαρκείς για την απομάκρυνση των EOCs, δεδομένου ότι δεν έχουν σχεδιαστεί για την επεξεργασία αυτής της κατηγορίας ρύπων. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι εκροές των λυμάτων εξακολουθούν να αποτελούν μία από τις κυριότερες πηγές εισόδου των EOCs στο υδάτινο περιβάλλον, η μείωση της επικινδυνότητας των αποβλήτων αποτελεί στόχο υψηλής προτεραιότητας. Μεταξύ των εναλλακτικών τεχνολογιών επεξεργασίας, οι τεχνητοί υγροβιότοποι (ΤΥ) προτείνονται ως μια περιβαλλοντικά αποδεκτή μέθοδος η οποία εκμεταλλεύεται την συνεργιστική δράση των φυτών και τους σχετιζόμενους με αυτά μικροοργανισμούς, για την επεξεργασία λυμάτων ρυπασμένων με EOCs. Οι γνώσεις σχετικά με την αποτελεσματικότητα της απομάκρυνσης των EOCs με ΤΥ και η επίδραση διαφόρων παραμέτρων στην απομάκρυνσή τους, είναι ακόμα περιορισμένη. Υπό αυτό το πρίσμα, ο στόχος της διατριβής αυτής είναι να μελετηθεί η συμβολή επιλεγμένων ελόφυτων στην απομάκρυνση του ενδοκρινικού διαταράκτη δισφαινόλη Α (ΒΡΑ) από αστικά λύματα και υπόγεια ύδατα. Στο πλαίσιο αυτό αξιολογήθηκε η απόδοση της λειτουργίας δύο ΤΥ όσον αφορά στην απομάκρυνση επιλεγμένων EOCs. Πιο συγκεκριμένα, εστιάσαμε αφενός στο ρόλο των φυτών στην απομάκρυνση αυτή και αφετέρου στην αποτελεσματικότητα του ΤΥ ως σύστημα εξυγίανσης.Αρχικά διεξήχθησαν πειράματα μικρής κλίμακας ώστε να γίνει μια πρώτη εκτίμηση της συμβολής του Juncus acutus (βούρλο) και του Tamarix parviflora (αρμυρίκι) στην απομάκρυνση της ΒΡΑ από ρυπασμένο έδαφος. Ο υπολογισμός του φαινομενικού ρυθμού απομάκρυνσης (k’), κατέδειξε την συνεισφορά των φυτών στην απομάκρυνση. Οι ρυθμοί απομάκρυνσης βρέθηκαν 1.94-2.47 10-2 παρουσία φυτών και 0.71-0.98 10-2 mg BPA kg-1 soil h-1 απουσία φυτών. Με βάση τα αποτελέσματα, σχεδιάστηκε ένα υδροπονικό πείραμα κατά το οποίο υδρόβια φυτά, J. acutus, εκτέθηκαν σε μικτή ρύπανση με BPA, τις αντιβιοτικές ουσίες σιπροφλοξασίνη (CIP) και σουλφαμεθοξαζόλη (SMX) και βαρέα μέταλλα (χρώμιο, ψευδάργυρο, νικέλιο και κάδμιο). Με αυτόν τον τρόπο εξετάστηκε η απόκριση των φυτών για χρήση σε σύστημα ΤΥ. Οι προστιθέμενες συγκεντρώσεις κυμάνθηκαν από επίπεδα μg L-1 έως και >1000 mgL−1 (για Zn και Cr). Το J. acutus συνέβαλε σημαντικά στην απομάκρυνση συγκεντρώσεων της ΒΡΑ έως και 50 mg L-1 σε ποσοστό άνω του 96%, σε διάστημα 28 ημερών. Επίσης, τα ελόφυτα συσσώρευσαν σημαντικές ποσότητες βαρέων μετάλλων στους ιστούς της ρίζας και των φύλλων.Στη συνέχεια της μελέτης έγινε προσομοίωση επεξεργασίας ρηχού υδροφορέα παρουσία ελόφυτων με εκτίμηση των παραμέτρων που επιδρούν στην απομάκρυνση των ρύπων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε μία πιλοτική μονάδα, όγκου 1 m3, με J. acutus, στην οποία γινόταν επανακυκλοφορία του ρυπασμένου με ΒΡΑ νερού, από τον πυθμένα προς την επιφάνεια της μονάδας, περνώντας μέσα από τη ριζόσφαιρα. Όταν το σύστημα εκτέθηκε σε συγκεντρώσεις ΒΡΑ 2.67 mg L-1-184 μg L-1, παρατηρήθηκε απομάκρυνση της ένωσης κάτω από τα όρια ανίχνευσης μετά από 15 ημέρες. Tο σύστημα υποβλήθηκε σε πειραματικούς κύκλους ώστε να επιβεβαιωθεί η αξιοπιστία και η ευρωστία του σε πραγματικές πιέσεις, με βάση εύλογες διαταραχές τόσο της συγκέντρωσης ρύπων στην εισροή, όσο και της ογκομετρικής παροχής. Ακολούθως, εξετάστηκε ένας ΤΥ οριζόντιας υποεπιφανειακής ροής, ο οποίος τροφοδοτούταν από δευτεροβάθμια επεξεργασμένη εκροή αστικών λυμάτων, στην ΕΕΛ Χανίων. Ο ΤΥ είχε επιφάνεια 0.5 m2, λειτουργικό όγκο 157 L και ήταν φυτεμένος J. acutus. O σκοπός ήταν η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας του συστήματος στην απομάκρυνση των ΒΡΑ, CIP και SMX κάτω από διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας, σε πειραματικούς κύκλους 14 ημερών. Υπό αυτές τις συνθήκες, αξιολογήθηκε η δυναμική της βλάστησης στην απομάκρυνση της ΒΡΑ μέσω σύγκρισης με αντίστοιχο μη φυτεμένο ΤΥ ελέγχου. Ο λόγος της απομακρυνόμενης μάζας της ΒΡΑ προς αυτή που εισάγεται στο σύστημα (m_p%) βρέθηκε κατά 46% υψηλότερος στον φυτεμένο υγροβιότοπο. Η μεταβολή του χρόνου παραμονής (HRT) προκάλεσε σημαντική διαφοροποίηση στην απομάκρυνση της ΒΡΑ. Ο λόγος m_p βρέθηκε ίσος με 92% σε HRT 2 d και 48% σε HRT 1 d. Αντίστοιχα, η επίδραση του HRT στην απομάκρυνση της CIP ήταν μικρότερη. Από την άλλη, η SMX αποδείχθηκε ανθεκτική στην επεξεργασία και έδειξε ασταθή αποτελέσματα αναφορικά με τη δυνατότητα απομάκρυνσής της. Επίσης, διαπιστώθηκε μικρή αύξηση του ποσοστού απομάκρυνσης της ΒΡΑ κατά τη θερμή περίοδο, χωρίς να επιβεβαιωθεί στατιστικά.Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια έρευνα με ΤΥ πιλοτικής κλίμακας διάρκειας 7 μηνών για την απομάκρυνση της ΒΡΑ από αστικά λύματα πρωτοβάθμιας επεξεργασίας. Η μέση απομάκρυνση των 0.26 mg L-1 ΒΡΑ ήταν 98%. Σημαντική ευαισθησία του συστήματος ως προς την απομάκρυνση της ΒΡΑ παρατηρήθηκε με τη μεταβολή του HRT. Η απόδοση ως προς τις φυσικοχημικές παραμέτρους ήταν μέτρια.Η μεθοδολογία προσέγγισης του αντικειμένου, ο πειραματικός σχεδιασμός και κυρίως η συνεισφορά του J. acutus στην απομάκρυνση αναδυόμενων οργανικών ρύπων, στην παρούσα διατριβή, αποτέλεσε σημαντικό βήμα για την εκτίμηση της αποτελεσματικότητάς του σε συστήματα ΤΥ. Συμπερασματικά η εφαρμογή του συγκεκριμένου είδους ελόφυτου συνιστάται για περαιτέρω διερεύνηση στον τομέα της φυτοεξυγίανσης.