title: Εφαρμογή προηγμένων διεργασιών οξείδωσης για την αδρανοποίηση βακτηρίων
title: Application of advanced oxidation processes for disinfection purposes
Creators: name: Χατζη Αννα-Μαρια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Το νερό αποτελεί έναν θεμελιώδες και αναπόσπαστο πόρο για όλους τους ζώντες οργανισμούς του πλανήτη. Ο ρόλος του είναι πολύπλευρος, καθώς συμβάλλει στη συντήρηση των οικοσυστημάτων, των ανθρώπινων κοινωνιών και διατηρεί την ισορροπία του πλανήτη. Παρά το γεγονός αυτό, η μόλυνση των υδάτινων πόρων από ρύπους και παθογόνους μικροοργανισμούς είναι ένα πρόβλημα που μαστίζει την σημερινή εποχή και θέτει σε κίνδυνο την δημόσια υγεία. Η έλλειψη πρόσβασης σε καθαρό νερό μπορεί να οδηγήσει σε υδατογενείς ασθένειες  οι οποίες είναι εύκολο να μεταδοθούν παγκοσμίως. Για τους λόγους αυτούς, το πρόβλημα χρήζει ιδιαίτερης προσοχής και η ανάπτυξη οικολογικών τεχνικών, όπως των Προηγμένων Διεργασιών Οξείδωσης έχει ιδιαίτερη σημασία για την αδρανοποίηση των παθογόνων μικροοργανισμών. Αναλογίζοντας όλα τα παραπάνω, η παρούσα διπλωματική εργασία, μελετά την δυνατότητα αδρανοποίησης βακτηριακών δεικτών κοπρανώδους μόλυνσης μέσω Προηγμένων Διεργασιών Οξείδωσης σε διάφορες υδατικές μήτρες.
Ειδικότερα, ελέγχθηκε αρχικά η αποτελεσματικότητα ενεργοποίησης του υπερθειϊκού νατρίου (Na2S2O8) ή του υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2) με χρήση βιοεξανθρακώματος. Στην συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα απολύμανσης μέσω ενεργοποίησης των υπερθειϊκών ριζών με διάφορους τύπους βιοεξανθρακώματος/UVA ακτινοβολίας  και τέλος, πειράματα  ηλιακής φωτοκατάλυσης με τρεις φωτοκαταλύτες. Ως υδατικές μήτρες επιλέχθηκαν το απιονισμένο νερό, το νερό βρύσης, το εμφιαλωμένο νερό και απόβλητο δευτεροβάθμιας εκροής ενώ η απόδοση των μεθόδων απολύμανσης εξετάστηκε στα βακτηριακά στελέχη Escherichia coli  και Enterococcus sp.. Η αρχική συγκέντρωση των βακτηριακών δεικτών σε όλα τα πειράματα ήταν 106 CFUs/mL. 
Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα γίνεται αντιληπτό πως κάθε είδος Προηγμένης Διεργασίας Οξείδωσης δεν έχει την ίδια επίδραση στα βακτήρια. Συγκεκριμένα, στον πρώτο κύκλο πειραμάτων η ενεργοποίηση του Na2S2O8  ή του H2O2 μεμονωμένα με βιοεξανθράκωμα δεν κρίνονται ιδιαίτερα αποτελεσματικές μέθοδοι καθώς δεν επέφεραν κάποια μείωση του πληθυσμού των δύο βακτηριακών δεικτών. Η αδρανοποίησή τους σημειώθηκε μόνο παρουσία υπερθειϊκής ρίζας σε συνδυασμό με υπεριώδη ακτινοβολία, κατά τον δεύτερο κύκλο πειραμάτων. Ωστόσο, και σε αυτόν τον κύκλο μόνο συγκεκριμένα βιοεξανθρακώματα συνεισέφεραν στην απολύμανση, αναλόγως του βακτηρίου που χρησιμοποιήθηκε κάθε φορά. Στις περισσότερες περιπτώσεις απαιτήθηκαν διαφορετικές συνθήκες, οι οποίες υπαγορεύονται από τον υπό μελέτη μικροοργανισμό. Παρά το γεγονός αυτό, ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδος για την απομάκρυνση και των δύο βακτηρίων από απιονισμένο νερό κρίθηκε αυτή όπου έγινε ενεργοποίηση της S2O82- 1400mg/L με ακτινοβολία UVA ισχύος 30W και βιοεξανθρακώματος BSG850 (υπολείμματα ζυθοποιίας πυρολυμένα στους 850ºC) 1g/L. Αναφορικά με την μέθοδο απολύμανσης μέσω ετερογενούς ηλιακής φωτοκατάλυσης, κατά τον τρίτο κύκλο πειραμάτων, τα ποσοστά θανάτωσης είναι μεγαλύτερα. Ο φωτοκαταλύτης TiO2 εμπλουτισμένος με τα μέταλλα μετάπτωσης Mo και W επίδρασε καλύτερα από τον BiVO4  στην απολύμανση των βακτηριακών στελεχών σε απιονισμένο νερό. Ειδικότερα, την βέλτιστη φωτοκαταλυτική αποτελεσματικότητα για την αδρανοποίηση της E.coli επέδειξε ο W-TiO2, ενώ για τον Enterococcus sp. ο Mo-TiO2. Αποδείχθηκε ότι μειωμένης της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας η φωτοκαταλυτική αποτελεσματικότητα είναι μικρότερη.  Κατά την προσπάθεια απομάκρυνσης της E.coli από απόβλητο μέσω των μεθόδων S2O82-/UVA/biochar και ηλιακής φωτοκατάλυσης αποδείχθηκε ότι η συγκεκριμένη υδατική μήτρα παρεμποδίζει την απολύμανση και συμβάλλει αρνητικά σε αυτή. Σε γενικές γραμμές, η E.coli επέδειξε μεγαλύτερη ευαισθησία κατά την ηλιακή φωτοκατάλυση ενώ ο Enterococcus sp. κατά την μέθοδο ενεργοποίησης του υπερθειϊκού με UVA/biochar σε απιονισμένο νερό. 
Συνοψίζοντας, οι Προηγμένες Διεργασίες Οξείδωσης και η συγκεκριμένη μεθοδολογία, ως καινοτόμος και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος κρίθηκε αποτελεσματική για την αδρανοποίηση των δύο βακτηριακών δεικτών υπό συγκεκριμένες συνθήκες, οι οποίες εξαρτώνται από την ποικιλία των δομικών τους χαρακτηριστικών και τη φυσιολογία τους.


description: Water forms a fundamental and integral source for all living organisms on the planet. Its role is versatile as it contributes to the preservation of ecosystems, human societies and it also maintains the planet’s balance. Despite this fact, water pollution from pollutants and pathogenic microorganisms is a problem that torments present time and jeopardizes public health. The lack of access to clean water may lead to waterborne diseases which are easy to spread globally. For all the above reasons, the problem asks for special attention and thus the development of ecological techniques, such as Advanced Oxidation Processes (AOPs), is of major importance in order to inactivate pathogenic microorganisms. Considering all of the above, this diploma thesis, examines the potential of inactivating bacterial indicators of fecal contamination via Advanced Oxidation Processes in various water matrices. 
More specifically, the activation efficiency of sodium persulfate (Na2S2O8) or hydrogen peroxide (H2O2) was first tested using biochars of various origins. Subsequently, disinfection experiments were performed by activation of persulfate radicals with different types of biochar/UVA irradiation and finally, solar photocatalysis experiments with three photocatalysts. Deionized water, tap water, bottled water and secondary effluent waste were selected as aqueous matrixes and the performance of the disinfection methods was tested on the bacterial strains Escherichia coli and Enterococcus sp. The initial concentration of bacterial indicators in all experiments was 106 CFUs/mL. 
According to the experimental results, it can be seen that not every type of Advanced Oxidation Process has the same effect on bacteria. In particular, in the first cycle of experiments, activation of Na2S2O8 or H2O2 individually by biochar were not considered to be particularly effective methods as they did not bring about any reduction in the population of the two bacterial indicators. Their inactivation occurred only in the presence of persulfate radicals in combination with UV radiation during the second cycle of experiments. However, also in this cycle, only specific type of biochars contributed to the disinfection, depending on the bacterium used each time. In most cases different conditions were required, dictated by the microorganism under study. Despite this, a particularly effective method for the removal of both bacteria from deionized water was found to be the one where S2O82- 1400mg/L was activated by 30W UVA radiation and BSG850 biochar (brewery residues pyrolyzed at 850ºC) 1g/L. Regarding the method of disinfection by heterogeneous solar photocatalysis, during the third cycle of experiments, the kill rates were higher. The photocatalyst TiO2 doped with the transition metals Mo and W had a better effect than that of BiVO4 photocatalyst, on the disinfection of bacterial strains in deionized water. In particular, W-TiO2 showed the best photocatalytic efficiency for the inactivation of E. coli, while for Enterococcus sp. ,Mo-TiO2 photocatalyst. It was shown that reduced solar irradiance decreased the photocatalytic efficiency.  When attempting to remove E. coli from waste by S2O82-/UVA/biochar and solar photocatalysis methods, it was shown that this aqueous matrix contributes negatively to disinfection. In general, E. coli showed higher susceptibility during solar photocatalysis while Enterococcus sp. during the UVA/biochar activated persulfate method in deionized water. 
In summary, Advanced Oxidation Processes and in particular this methodology, as an innovative and environmentally friendly method was found to be effective for the inactivation of the two bacterial indicators under specific conditions, which depends on the variety of their structural characteristics and physiology and the operating conditions in each case.