ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΙΧΑΗΛ Κ. ΜΙΧΑΗΛΙΔΗ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΙΧΑΗΛ Κ. ΜΙΧΑΗΛΙΔΗ ΑΓΡΙΝΙΟ 2015

2

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό ΜΙΧΑΗΛ Κ. ΜΙΧΑΗΛΙΔΗ Για την απόκτηση του Τίτλου του Διδάκτορα του Τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών ΑΓΡΙΝΙΟ 2015

4

5 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ Υπό ΜΙΧΑΗΛ Κ. ΜΙΧΑΗΛΙΔΗ Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών ΑΓΡΙΝΙΟ 2015

6

7 Η παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: ΘΑΛΗΣ. Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου.

8

9 ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΑΓΩΓΗ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Δημήτριος Βαγενάς, Καθηγητής, Επιβλέπων Καθηγητής Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων Πανεπιστήμιο Πατρών Σταύρος Παύλου, Καθηγητής Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Τμήμα Χημικών Μηχανικών Πανεπιστήμιο Πατρών Χρήστος Ακράτος, Επίκουρος Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων Πανεπιστήμιο Πατρών Αναστάσιος Ζουμπούλης, Καθηγητής Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Τμήμα Χημείας Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Γεράσιμος Λυμπεράτος, Καθηγητής Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Μηνάς Γιάγκου, Καθηγητής Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Τμήμα Βιολογίας Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Αθανασία Τεκερλεκοπούλου, Λέκτορας Μέλος Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων Πανεπιστήμιο Πατρών

10

11 Η εργασία αυτή είναι αφιερωμένη στην οικογένεια μου Στους γονείς μου Άννα & Κωνσταντίνο Στην αδερφή μου Ιωάννα Στον Πνευματικό μου Πατέρα Πανοσιολογιότατο Αρχιμανδρίτη Πατέρα Στέφανο

12

13 Πρόλογος Πρόλογος Η διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων του Τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών με επιβλέποντα τον Καθηγητή κ. Δημήτριο Βαγενά. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Δημήτριο Βαγενά για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου, για τη συνεχή επιστημονική καθοδήγηση και την εποικοδομητική συνεργασία που κατέστησαν δυνατή τη διεκπεραίωση της διδακτορικής διατριβής. Καθώς επίσης και για τις πολύτιμες υποδείξεις και συμβουλές σε προσωπικό επίπεδο. Ευχαριστώ, τον Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών, κ. Σταύρο Παύλου και τον κ. Χρήστο Ακράτο, Επίκουρο Καθηγητή του Τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών, μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής μου. Ευχαριστώ τους, κ. Αναστάσιος Ζουμπούλης, Καθηγητή του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, τον κ. Γεράσιμο Λυμπεράτο, Καθηγητή του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, τον κ. Μηνάς Γιάγκου, Καθηγητής του Τμήματος Βιολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και την κα Αθανασία Τεκερλεκοπούλου, Λέκτορα του Τμήματος Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων του Πανεπιστημίου Πατρών, για το ότι δέχτηκαν να συμμετάσχουν στην Επταμελή Επιτροπή Αξιολόγησης της Διδακτορικής μου Διατριβής. Θα ήθελα ευχαριστήσω επίσης και τους διδάκτορες, τους υποψήφιους διδάκτορες, μεταπτυχιακούς και προπτυχιακούς φοιτητές του Εργαστηρίου Περιβαλλοντικών Συστημάτων, για την ηθική συμπαράσταση, το ευχάριστο κλίμα συνεργασίας και το χρήσιμο συμβουλευτικό ρόλο που διαδραμάτισαν όλο αυτό το διάστημα της παρουσίας μου σε αυτό ( ). Ένα ξεχωριστό ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ στην Αθανασία Τεκερλεκοπούλου, για την άριστη συνεργασία που είχαμε όλα αυτά τα χρόνια, από την διπλωματική μου εργασία ως προπτυχιακός φοιτητής μέχρι το τέλος της διδακτορικής μου διατριβής, για τις πολύτιμες υποδείξεις και συμβουλές σε επιστημονικό αλλά και προσωπικό επίπεδο. i

14 Πρόλογος Ένα μεγάλο ευχαριστώ στις φίλες μου Μαγδαλινή Πλένιου, Ελένη Ηλιάδου και Μαρία Τσιφλικιώτου για την ηθική συμπαράσταση και τη βοήθεια που πρόθυμα μου προσέφεραν όλο αυτό το διάστημα της γνωριμίας μας. Ένα μεγάλο ευχαριστώ από τα βάθη της καρδιάς μου στους γονείς μου Κωνσταντίνο και Άννα, και την αδερφή μου Ιωάννα για τη στήριξη κάθε είδους (ηθική, ψυχολογική και οικονομική) που έδειξαν στα τόσα χρόνια σπουδών μου. ΣΑΣ ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ!!! Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Πνευματικό μου πατέρα Πανοσιολογιότατο Αρχιμανδρίτη Πατέρα Στέφανο Μιχαηλίδη για την πνευματική καθοδήγηση, αλλά και την ψυχολογική και ηθική στήριξη που έδειξε μέχρι και σήμερα. Τέλος ένα μεγάλο ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ στον Θεό και την Παναγία για τη δύναμη, το κουράγιο και την καθοδήγηση που μου έδιναν και συνεχίζουν να μου δίνουν μέχρι και σήμερα. ii

15 Περίληψη Περίληψη Το χρώμιο (Cr) αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους ρύπους του φυσικού περιβάλλοντος. Η ευρεία βιομηχανική χρήση του χρωμίου έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων του μετάλλου στο περιβάλλον κυρίως με τη μορφή του εξασθενούς χρωμίου (Cr(VI)). Το εξασθενές χρώμιο, μία από τις σταθερές μορφές του χρωμίου στο περιβάλλον, είναι ευδιάλυτο, υψηλά τοξικό, καρκινογενές και μεταλλαξιγόνο. Οι σύγχρονες μέθοδοι επεξεργασίας του εξασθενούς χρωμίου χρησιμοποιούν μικροοργανισμούς, στηριζόμενες στη μεταβολική και κυτταρική τους δράση. Πρόκειται για διεργασίες πιο ανταγωνιστικές, αποτελεσματικές και οικονομικές έναντι των συμβατικών φυσικοχημικών μεθόδων (χημική αναγωγή, ανταλλαγή ιόντων, διήθηση, ηλεκτροχημική επεξεργασία, προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα, αντίστροφη όσμωση και μεμβράνες) καθώς παρουσιάζουν μικρές ενεργειακές απαιτήσεις, χαμηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος και τέλος μικρότερη παραγωγή τοξικής λάσπης. Η βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου απαιτεί την παρουσία ενός δότη ηλεκτρονίων. Το ρόλο αυτό παίζει ο οργανικός άνθρακας, ο οποίος είναι απαραίτητος για την πραγματοποίηση της διεργασίας αυτής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η επεξεργασία υγρών χρωμικών βιομηχανικών αποβλήτων, με ταυτόχρονη εκμετάλλευση/αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων/αποβλήτων (μελάσα - χαμηλού κόστους και ορρός γάλακτος μηδενικού κόστους), χρησιμοποιώντας βιολογικές μεθόδους. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τη βελτιστοποίηση του ρυθμού αναγωγής των μεικτών αερόβιων γηγενών καλλιεργειών σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η μεικτή καλλιέργεια για τη μελέτη της βιολογικής αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας με πλαστικό πληρωτικό υλικό, σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες, στοχεύοντας στην μέγιστη απόδοση των συστημάτων και την αποφυγή λειτουργικών προβλημάτων. Το βιολογικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αποτελεί μία πολύ αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας βιομηχανικών αποβλήτων επιβαρυμένων με το τοξικό εξασθενές χρώμιο, χρησιμοποιώντας οικονομικές πηγές άνθρακα όπως η μελάσα και ο ορρός γάλακτος. Η μέθοδος αυτή είναι πολλά υποσχόμενη, συνδυάζοντας υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης με εξαιρετικά χαμηλές δαπάνες λειτουργικού κόστους. iii

16

17 Abstract Abstract Chromium is one of the most serious pollutants of natural environment. The widespread industrial use of chromium leads to the release of large quantities of this metal in the environment, mainly in the form of hexavalent chromium. The hexavalent chromium, one of the most stable forms that we can notice in the environment, is soluble, highly toxic carcinogenic and mutagenic. Contemporary water processing techniques of hexavalent chromium use microorganisms, based on their metabolic and cellular activity. These procedures are more competitive, more effective and certainly financially affordable over the conventional physicochemical methods (chemical oxidation or reduction, ion exchange, filtration, electrochemical treatment, activated carbon adsorption, reverse osmosis and membrane technologies) as they show low energy demands, low maintenance cost and a smaller production of toxic mud. The biological reduction of hexavalent chromium requires the presence of an electron donor. This part is covered by organic carbon that is essential for carrying out the process. The present thesis studied the treatment of liquid industrial chromate waste and the exploitation/utilization of agroindustrial byproducts/wastewaters (molasses - low cost and cheese whey- zero cost), using biological methods. At the beginning, experiments were conducted to optimize the reduction rate of mixed aerobic indigenous cultures in suspended growth reactors. Subsequently, the mixed culture was used for the biological reduction of the hexavalent chromium, in laboratory pilot scale fixed bed reactors, with plastic media, in various functional conditions targeting to the maximum system performance and the prevention of functional problems. The biological system used in the present thesis constitutes a very effective method of processing industrial wastewater polluted with the toxic hexavalent chromium, by using affordable sources of carbon, such as molasses and cheese whey. This is a quite promising method, combining high removal rates with extremely low operating expenditure. iv

18

19 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Πρόλογος...i Περίληψη... iii Abstract... iv Περιεχόμενα... v Κατάλογος Εικόνων... viii Κατάλογος Σχημάτων... ix Κατάλογος Πινάκων... xiv 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ιστορική αναδρομή για το χρώμιο (Cr) Φυσικές και χημικές ιδιότητες του χρωμίου Οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου Χημεία του χρωμίου Χημεία του τρισθενούς χρωμίου, Cr(III) Χημεία του εξασθενούς χρωμίου, Cr(VI) Το χρώμιο στο περιβάλλον Το χρώμιο στα υδάτινα συστήματα Το χρώμιο στα εδαφικά συστήματα Το χρώμιο στα ατμοσφαιρικά συστήματα Το χρώμιο στα τρόφιμα Εφαρμογές και χρήσεις χρωμίου Επιπτώσεις του χρωμίου στην ανθρώπινη υγεία Τρισθενές χρώμιο ως βασικό ιχνοστοιχείο Τοξικές επιδράσεις του εξασθενούς χρωμίου Μηχανισμός καρκινογένεσης Νομοθετικό Ρυθμιστικό πλαίσιο Τεχνολογίες απομάκρυνσης χρωμίου από υγρά βιομηχανικά απόβλητα Φυσικοχημικές μέθοδοι επεξεργασίας των υγρών χρωμικών αποβλήτων Βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας υγρών χρωμικών αποβλήτων Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Μελάσα Τυρόγαλο Κατηγορίες βιολογικών αντιδραστήρων για την αναγωγή του Cr(VI) v

20 Περιεχόμενα Αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης Αντιδραστήρες προσκολλημένης ανάπτυξης Αντικείμενο και συμβολή της διδακτορικής διατριβής ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Εισαγωγή Ανάπτυξη μικροοργανισμών Πηγή άνθρακα Αναλυτικές μέθοδοι Πειραματικές διατάξεις Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ ΜΕΙΚΤΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Εισαγωγή Μελέτη της επίδρασης της αρχικής συγκέντρωσης του άνθρακα Σύγκριση ρυθμών αναγωγής εξασθενούς χρωμίου με χρήση διαφόρων πηγών άνθρακα (Οξικό νάτριο Ζάχαρη Μελάσα) Κόστος επεξεργασίας Μελέτη του μηχανισμού της βιολογικής αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου Βιοπροσρόφηση του χρωμίου στα κύτταρα των μικροοργανισμών Μελέτη της έξω-κυτταρικής δράσης των μικροοργανισμών στην αναγωγή του Cr(VI) Συμπεράσματα ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ ΜΕΙΚΤΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΚΛΙΝΗΣ ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ Εισαγωγή Φυσικοχημική αναγωγή εξασθενούς χρωμίου Εγκλιματισμός μικροοργανισμών σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας Μελέτη της αναγωγής του Cr(VI) στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό περιοδικής διαλείπουσας λειτουργίας Μελέτη της αναγωγής του Cr(VI) στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό περιοδικής διαλείπουσας λειτουργίας με ανακυκλοφορία (SBR με ανακυκλοφορία) Μελέτη της αναγωγής του Cr(VI) στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό συνεχή λειτουργία Συζήτηση - Συμπεράσματα vi

21 Περιεχόμενα 5. ΣΥΝΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΚΑΙ ΟΡΡΟΥ ΓΑΛΑΚΤΟΣ Εισαγωγή Πειράματα σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης με μεικτές καλλιέργειες Πειράματα σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας Μελέτη της αναγωγής του Cr(VI) στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό περιοδικής διαλείπουσας λειτουργίας Μελέτη της αναγωγής του Cr(VI) στον αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. με ανακυκλοφορία και συνεχή λειτουργία Συζήτηση - Συμπεράσματα ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γενικά Συμπεράσματα Προτάσεις για μελλοντική εργασία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ελληνική Βιβλιογραφία Διεθνής Βιβλιογραφία Ηλεκτονικές Πηγές Κανονισμοί Οδηγίες ΚΥΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΒΙΟΓΡΑΦΙΚΟ ΣΗΜΕΙΩΜΑ vii

22

23 Κατάλογος Εικόνων Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1.1 Louis-Nikolas Vauquelin ( 3 Εικόνα 1.2 Ίχνη χρωμίου δίνουν τα έντονα χρώματα στους πολύτιμους λίθους Εικόνα 1.3 Μετάλλευμα χρωμίτη, FeCr 2 O Εικόνα 1.4 Το χρώμιο ως χημικό στοιχείο Εικόνα 1.5 Διάφορες ενώσεις του χρωμίου Εικόνα 1.6 Μεταλλικό χρώμιο ( 6 Εικόνα 1.7 Χρωμικό ανιόν (αριστερά) και διχρωμικό ανιόν (δεξιά) ( 14 Εικόνα 1.8 Χάρτης των περιοχών δειγματοληψίας και μετρώνται Cr (VI) τα επίπεδα συγκέντρωσης (Kaprara et al., 2015) Εικόνα 1.9 Χάρτης με την κατανομή των οφιολιθικών και υπερβασικών πετρωμάτων στην Ελλάδα σύμφωνα με το ΙΓΜΕ (ΙΓΜΕ, 1983; Kaprara et al., 2015) Εικόνα 1.10 Λουτρό επιχρωμίωσης (chrome plating bath) (NIOSH) ( 23 Εικόνα 1.11 Συνοπτικός πιθανός μηχανισμός δράσης βιοχημικής δράσης του Cr(VI) ( 29 Εικόνα 1.12 Μελάσα ( 47 Εικόνα 1.13 Φυσικός διαχωρισμός τυροπήγματος ορρού γάλκτος β) Συγκέντρωση ορρού γάλακτος Εικόνα 1.14 Τυπικά χαλικοδιυλιστήρια: (α) συμβατικά χαλικοδιυλιστήρια με πληρωτικό υλικό χαλίκι, (β) τομή χαλικοδιυλιστηρίου ( Εικόνα 1.15 Τυπικά πληρωτικά υλικά για χαλικοδιυλιστήρια: (α) χαλίκια, (β) πλαστικά διάταξης σταυρωτής ροής, (γ) και (δ) πλαστικά διάταξης κατακόρυφης ροής (Hammer, 2008) Εικόνα 1.16 (α) Σχηματισμός Βιοφίλμ (MSU Center for Biofilm Engineering P. Dirckx) (β) Σχηματισμός βιοφίλμ πάνω σε πληρωτικό υλικό στο εργαστήριο Εικόνα 2.1 Διχρωμικό Κάλιο, Κ 2 Cr 2 O Εικόνα 2.2 Φιάλες Erlenmeyer 3L Εικόνα 2.3 Αντιδραστήρας σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας Εικόνα 2.4 Πλαστικό πληρωτικό μέσον βιολογικού φίλτρου Εικόνα 2.5 Τεμάχια πλαστικών σωλήνων που χρησιμοποιήθηκαν ως πληρωτικό υλικό Εικόνα 3.1 Αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης υπό διαλείπουσα λειτουργία Εικόνα 4.1 Προσκόλληση βιομάζας στο πληρωτικό υλικό Εικόνα 6.1 Αποτύπωση πειραματικής ακολουθίας της παρούσας διδακτορικής διατριβής. 174 viii

24

25 Κατάλογος Σχημάτων Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 1.1 Το διάγραμμα Frost για τις μορφές του χρωμίου συναρτήσει του δυναμικού αναγωγής σε όξινα διαλύματα (Shriver et al., 1994) Σχήμα 1.2 Εξάρτηση του E 0 του εξασθενούς χρωμίου από το ph, όπως υπολογίστηκε από τις αντιδράσεις (3) (διακεκομμένη γραμμή) και (4) (συνεχής γραμμή). Οι ανοιχτοί κύκλοι παρουσιάζουν το αποτέλεσμα της υδρόλυσης του Cr(OH) 3 που οδηγεί στο σχηματισμό των Cr(OH) 2+ (aq) και Cr(OH) 2+ (aq). Οι κάθετες διακεκομμένες γραμμές παρουσιάζουν τη διακύμανση του ph στα φυσικά νερά (Nieboer and Jusys, 1988) Σχήμα 1.3 Διάγραμμα Pourbaix, για τις μορφές του χρωμίου που επικρατούν σε οξυγονωμένα υδάτινα διαλύματα, υπό την απουσία μέσων συμπλοκοποίησης (εκτός από το H 2 O και το OH- ) (Kotaś and Stasicka, 2000) Σχήμα 1.4 Περιεκτικότητα των μορφών εξασθενούς χρωμίου σε υδάτινα διαλύματα, με ολική συγκέντρωση εξασθενούς χρωμίου Μ και σε εύρος ph 1 έως 14. Οι διακεκομμένες κάθετες γραμμές αντιπροσωπεύουν την περιοχή ph των φυσικών υδάτων (Tandon et al., 1984) Σχήμα 1.5 Παγκόσμια παραγωγή χρωμίου (Geological Survey U.S., 2009) Σχήμα 1.6 Σχηματικό διάγραμμα της τοξικότητας και μεταλλαξιογόνος δράση του εξασθενούς χρωμίου (Cheung and Gu, 2007) Σχήμα 1.7 Πιθανοί μηχανισμοί ενζυμικών Cr(VI) μείωση υπό από αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες. Τα ένζυμα που εμπλέκονται στην αναγωγή του Cr(VI) σε Cr(III) απεικονίζονται σε τετραγωνάκια. Διαλυτή αναγωγάση (SR), αναγωγάση της μεμβράνης (MR). (Cheung and Gu, 2007) Σχήμα 3.1 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.2 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l, τριών λειτουργικών κύκλων σε μόνιμη κατάσταση Σχήμα 3.3 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.4 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.51 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.5 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 12.8 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.7 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 32.1 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l ix

26 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 3.8 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.9 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.10 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.52 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.11 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5.02 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.12 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.13 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.14 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.15 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.16 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.17 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.47 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.18 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.33 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.19 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 3.1 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.20 Σύγκριση ρυθμών αναγωγής για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου και για διάφορες πηγές άνθρακα (Μελάσα, Ζάχαρη, Οξικό νάτριο) Σχήμα 3.21 Σύγκριση ρυθμών αναγωγής για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου και για διάφορες πηγές και ποσότητες άνθρακα (Μελάσα, Ζάχαρη, Οξικό νάτριο) Σχήμα 3.22 Ρυθμοί αναγωγής (mg Cr(VI)/ g biomass h) με χρήση μελάσας για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα Σχήμα 3.23 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης απουσία πηγής άνθρακα x

27 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 3.24 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης απουσία πηγής άνθρακα Σχήμα 3.25 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης, παρουσία και απουσία πηγής άνθρακα Σχήμα 3.26 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 30 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης, παρουσία και απουσία πηγής άνθρακα Σχήμα 3.27 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) στο διηθημένο αιώρημα και συγκέντρωση 0.4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.28 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) στο διηθημένο αιώρημα και συγκέντρωση 0.8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.29 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα α)απουσία Άνθρακα (Μελάσα), β) διηθημένο αιώρημα και γ) μεικτή καλλιέργεια με συγκέντρωση άνθρακα 0.4 grc(μελάσα)/l Σχήμα 3.30 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα α)απουσία Άνθρακα (Μελάσα), β) διηθημένο αιώρημα και γ) μεικτή καλλιέργεια με συγκέντρωση άνθρακα 0.8 grc(μελάσα)/l Σχήμα 4.1 Φυσικοχημική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε αντιδραστήρα προσκολλημένης ανάπτυξης με πληρωτικό χωρίς μικροοργανισμούς Σχήμα 4.2 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5.44 mg/l σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό διαλείπουσα λειτουργία Σχήμα 4.3 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό διαλείπουσα λειτουργία, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) Σχήμα 4.4 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία, 0.5L/min, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) Σχήμα 4.5 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία, 1.0L/min, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) Σχήμα 4.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία, 2.0L/min, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) Σχήμα 4.7 Ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) για διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις υπό διαφορετικές λειτουργίες βιολογικού φίλτρου (Batch και S.B.R. με ανακυκλοφορία, παροχών 0.5, 1.0 και 2.0 L/min) Σχήμα 4.8 Ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) για διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις υπό διαλείπουσα λειτουργία σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας για δύο διαφορετικές πηγές άνθρακα (Ζάχαρη Μελάσα) Σχήμα 4.9 Ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις, για δύο διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας του αντιδραστήρα σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας (Batch λειτουργία (πηγή άνθρακα: ζάχαρη και μελάσα) και S.B.R. με ανακυκλοφορία 0.5, 1.0 και 2.0 L/min (πηγή άνθρακα: μελάσα) xi

28 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 5.1 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό διαλείπουσα λειτουργία και πηγή άνθρακα τον ορρό γάλακτος Σχήμα 5.2 Μεταβολή της συγκέντρωσης του d-cod ορρού γάλακτος συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση d-cod 1000 mg/l σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό διαλείπουσα λειτουργία και συγκέντρωση Cr(VI) 5mg/L Σχήμα 5.3 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (0.5L/min) για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και 1000 mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.4 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία(0.5l/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και 5000 mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.5 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (0.5L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία, 0.5L/min, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.7 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (0.5L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.8 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (1.0 L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και 1000 mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.9 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (1.0 L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και 5000 mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.10 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (1.0 L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.11 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία (1.0 L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.12 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης υπό S.B.R λειτουργία με ανακυκλοφορία( 1.0 L/min), για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και mg/l d-cod ορρού γάλακτος Σχήμα 5.13 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 0.5 L/min Σχήμα 5.14 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 1.0 L/min Σχήμα 5.15 Ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 0.5 L/min xii

29 Κατάλογος Σχημάτων Σχήμα 5.16 Ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 1.0 L/min Σχήμα 5.17 Επίδραση του λόγου d-cod/cr(vi) στο ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 0.5 L/min Σχήμα 5.18 Επίδραση του λόγου d-cod/cr(vi) στο ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 1.0 L/min Σχήμα 8.1 Πρότυπη καμπύλη βαθμονόμησης για τη μέτρηση του εξασθενούς χρωμίου, Cr(VI) Σχήμα 8.2 Πρότυπη καμπύλη βαθμονόμησης για τον προσδιορισμό πρωτεϊνών Σχήμα 8.3 Πρότυπη καμπύλη βαθμονόμησης για τον προσδιορισμό της βιομάζας συναρτήσει της συγκέντρωσης των πρωτεϊνών Σχήμα 8.4 Πρότυπη καμπύλη βαθμονόμησης για τη μέτρηση πολυσακχαριτών xiii

30

31 Κατάλογος Σχημάτων Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1 Οι κυριότερες φυσικές ιδιότητες του χρωμίου ( 6 Πίνακας 1.2 Οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου και παραδείγματα ενώσεων (Greenwood and Earnshaw, 1997) Πίνακας 1.3 Επίπεδα χρωμίου σε τρόφιμα και ποτά (EPA, 1985) ( 21 Πίνακας 1.4 Τα κυριότερα κράματα του χρωμίου (Δέρμου, 2007) Πίνακας 1.5 Οδηγίες-Κανονισμοί-ΚΥΑ για το ολικό χρώμιο Πίνακας 1.6 Αναλυτικά Στοιχεία Μελάσας Πίνακας 1.7 Φυσικοχημικές ιδιότητες τυρογάλακτος που προέρχεται από την παραγωγή τυριού φέτας (Philippopoulos and Papadakis, 2001) Πίνακας 1.8 Λειτουργικές συνθήκες για αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης Πίνακας 1.9 Λειτουργικές συνθήκες για αντιδραστήρες σταθερής κλίνης προσκολλημένης ανάπτυξης Πίνακας 2.1 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά φίλτρων Πίνακας 3.1 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και παραγωγής βιομάζας με χρήση μελάσας για συγκέντρωση οργανικού άνθρακα 0.8 g C(μελάσα)/L Πίνακας 3.2 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και παραγωγής βιομάζας με χρήση μελάσας για συγκέντρωση οργανικού άνθρακα στα και 0.8 gc(μελάσα)/l Πίνακας 3.3 Σύγκριση αποτελεσμάτων αντιδραστήρων αιωρούμενης ανάπτυξης με τη βιβλιογραφία Πίνακας 4.1 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό διαλείπουσα λειτουργία Πίνακας 4.2 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 0.5, 1.0, 2.0 L/min Πίνακας 4.3 Σύγκριση αποτελεσμάτων Αντιδραστήρων προσκολλημένης ανάπτυξης εργαστηριακής κλίμακας με τη βιβλιογραφία Πίνακας 5.1 Συνδυασμός αρχικών συγκεντρώσεων Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν Πίνακας 5.2 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 0.5 L/min Πίνακας 5.3 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και ποσοστό απομάκρυνσης d-cod για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης υπό S.B.R. λειτουργία με ανακυκλοφορία 1.0 L/min Πίνακας 8.1 Αραιώσεις καμπύλης βαθμονόμησης βιομάζας xiv

32

33 Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΧΡΩΜΙΟ 1

34

35 Εισαγωγή 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Ιστορική αναδρομή για το χρώμιο (Cr) Η ιστορία του χρωμίου ξεκίνησε το 1761 όταν στα ορυχεία Beresof στα Ουράλια Όρη ανακαλύφθηκε ένα πορτοκαλί-κόκκινο ορυκτό, από τον Johann Gottlob Lehmann, το οποίο ονομάστηκε «κόκκινος μόλυβδος της Σιβηρίας». Αρχικά αναγνωρίστηκε ως ένωση μολύβδου με βασικά συστατικά το σελήνιο και το σίδηρο, όμως στην πορεία επανεξετάστηκε και το μετάλλευμα τελικά ήταν κροκοΐτης (χρωμικός μόλυβδος) με χημικό τύπο PbCrO 4 (Testa and Jacobs, 2004). Το 1770, ο Peter Simon Pallas σε συνεργασία με τον Lehmann ανακάλυψαν πως από το ορυκτό αυτό μπορούσαν να παρασκευάσουν με κονιορτοποίηση μια φωτεινή κίτρινη χρωστική ουσία. Έτσι, η χρήση του κόκκινου μολύβδου της Σιβηρίας χρησιμοποιήθηκε ευρέως ως χρωστική ουσία. Έπειτα από κάποια χρόνια, το 1797 ο γάλλος χημικός Louis-Nicolas Vauquelin (Εικόνα 1.1), λαμβάνοντας δείγματα μεταλλεύματος κροκοϊτη, παρήγαγε οξείδιο του χρωμίου (CrO 3 ), αναμειγνύοντας κροκοίτη με υδροχλωρικό οξύ (Vauquelin, 1798). Εικόνα 1.1 Louis-Nikolas Vauquelin ( Το 1798, ο Vauquelin ανακάλυψε ότι με τη θέρμανση του οξειδίου, θα μπορούσε να απομονώσει το μεταλλικό χρώμιο. Επίσης, εντόπισε ίχνη χρωμίου σε πολύτιμους λίθους, όπως το ρουμπίνι, το ζαφείρι και το σμαράγδι (Εικόνα 1.2). 3

36 Εισαγωγή Εικόνα 1.2 Ίχνη χρωμίου δίνουν τα έντονα χρώματα στους πολύτιμους λίθους. Δύο χρόνια μετά την ανακάλυψη του χρωμίου, ένας Γερμανός χημικός, ο Tassaert, ανακάλυψε ότι το χρώμιο βρίσκεται σε ένα μετάλλευμα που σήμερα γνωρίζουμε ως χρωμίτη, FeCr 2 O 4 (Εικόνα 1.3). Εικόνα 1.3 Μετάλλευμα χρωμίτη, FeCr 2 O 4. Κατά τη διάρκεια του 18ου αιώνα, λόγω της χρωστικής ικανότητας του, το χρώμιο χρησιμοποιήθηκε κυρίως ως συστατικό χρωμάτων, με κύρια πηγή αρχικά αποθέματα από τη Ρωσία. Το 1827, ένα μεγαλύτερο απόθεμα χρωμίτη ανακαλύφθηκε στην πολιτεία του Μέριλαντ, στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, καθιστώντας τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής τον μεγαλύτερο παραγωγό προϊόντων χρωμίου. Στην πορεία σημαντικά αποθέματα χρωμίου βρέθηκαν κοντά στην Προύσα της Τουρκίας, ενώ το 1906 άρχισε η εξόρυξη FeCrO 4 στην Ινδία και στη Νότιο Αφρική. Το χρώμιο βρήκε εφαρμογή στη βυρσοδεψία και στην παραγωγή πυρίμαχων υλικών, πέρα από την εφαρμογή του ως χρωστική ουσία. Από το 1920, όπου και αναπτύχθηκαν οι επιμεταλλώσεις και η διεργασία της ηλεκτραπόθεσης το χρώμιο έχει βρει ευρεία εφαρμογή στις διεργασίες αυτές (Testa and Jacobs, 2004). 4

37 Εισαγωγή 1.2 Φυσικές και χημικές ιδιότητες του χρωμίου Το χρώμιο (Chromium - Cr), είναι το πρώτο στοιχείο της έκτης (VIB) ομάδας του Περιοδικού Πίνακα, με ατομικό αριθμό 24 (Εικόνα 1.4). Το όνομα του προέρχεται από την ελληνική λέξη «Χρώμα» και είχε προταθεί από δύο Γάλλους χημικούς, Antoine Francois de Fourcroy ( ) και René-Just Haüy ( ), επειδή οι διάφορες ενώσεις του έχουν χρώματα που καλύπτουν όλο το ορατό φάσμα: από το ιώδες (άλατα του Cr(ΙIΙ)) έως το βαθύ κόκκινο (ορισμένες ενώσεις του Cr(VI)) (Εικόνα 1.5) ( Εικόνα 1.4 Το χρώμιο ως χημικό στοιχείο. Εικόνα 1.5 Διάφορες ενώσεις του χρωμίου. Είναι ένα φυσικά σχηματιζόμενο μέταλλο, το οποίο εμφανίζει όλους τους αριθμούς οξείδωσης από (-ΙΙ) έως (+VI). Το μεταλλικό χρώμιο ή στοιχειακό χρώμιο [Cr(0)] (Εικόνα 1.6), είναι ένα αργυρόλευκο μέταλλο με υψηλό σημείο τήξεως, άοσμο, σκληρό, μη πτητικό, που δεν συναντάται ελεύθερο στη φύση (Brandes et al., 1956). 5

38 Εισαγωγή Εικόνα 1.6 Μεταλλικό χρώμιο ( Πρόκειται για ένα μέταλλο εξαιρετικά ανθεκτικό στη δράση των συνηθισμένων οξειδωτικών και διαβρωτικών μέσων. Ανήκει στα παραμαγνητικά υλικά. Το χρώμιο έχει μία αξιοσημείωτη μαγνητική ιδιότητα: είναι το μόνο στερεό στοιχείο μετάπτωσης που μπορεί, όταν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση, να μην έλκεται μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου (ή χαμηλότερη). Ενώ πάνω από τους 38 C, το χρώμιο έρχεται σε παραμαγνητική κατάσταση (Fawcett, 1988). Οι κύριες φυσικές ιδιότητες του χρωμίου παρατίθενται στο Πίνακας 1.1. Πίνακας 1.1 Οι κυριότερες φυσικές ιδιότητες του χρωμίου ( Φυσικές ιδιότητες του χρωμίου (Cr) Ατομικός αριθμός 24 Ατομικό βάρος Μοριακός όγκος (cm 3 ) 7.23 Σημείο τήξης ( ο C) 1907 Σημείο ζέσης ( ο C) 2671 Θερμική αγωγιμότητα (W m -1 K -1 ) 94 Ειδικό βάρος (28 ο C) 7.20 Πυκνότητα στερεού (kg m -3 ) 7140 Κύρια σθένη +2, +3, +6 Το φυσικό χρώμιο αποτελείται από ένα μίγμα των τεσσάρων σταθερών ισοτόπων του στοιχείου και συγκεκριμένα των 50 Cr (4.31%), 52 Cr (83.76%), 53 Cr (9.55%) και 6

39 Εισαγωγή 54 Cr (2.38%). Δεκαεννιά ραδιοϊσότοπα χρωμίου έχουν χαρακτηριστεί με το πιο σταθερό να είναι το 50 Cr με χρόνο ημιζωής 1,8*10 17 χρόνια και το 51 Cr με χρόνο ημιζωής 27,7 ημέρες. Όλα τα υπόλοιπα ραδιοϊσότοπα έχουν χρόνους ημιζωής μικρότερους από 24 ώρες, ενώ η πλειονότητα αυτών έχει χρόνο ημιζωής λιγότερο από 1 λεπτό (IUPAC, 1998; Winter, 2001; Audi et al., 2003). Το χρώμιο διαλυτοποιείται εύκολα στα μη οξειδωτικά ανόργανα οξέα, όπως είναι το υδροχλωρικό οξύ και το αραιό θειικό οξύ. Αντίθετα, στη συνήθη θερμοκρασία, δεν οξειδώνεται από το νιτρικό οξύ και το νερό, λόγω της παθητικοποίησής του από αυτά, η οποία αποδίδεται στο σχηματισμό ενός λεπτού προστατευτικού στρώματος του οξειδίου. Για το λόγο αυτό, το μέταλλο δε διαβρώνεται στις συνήθεις θερμοκρασίες από το θαλασσινό νερό ή από τον ξηρό ή τον υγρό αέρα. Παρ όλα αυτά, σε υψηλές θερμοκρασίες το χρώμιο ενώνεται απ ευθείας με τα αλογόνα, το θείο, το πυρίτιο, το βόριο, το οξυγόνο, τον άνθρακα, και αντιδρά με το άζωτο σχηματίζοντας εύθραυστα νιτρίδια (Testa and Jacobs, 2004) 1.3 Οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου Το χρώμιο εμφανίζεται σε διάφορες οξειδωτικές καταστάσεις, παρουσιάζοντας αριθμούς οξείδωσης από -2 έως +6 (Πίνακας 1.2). Μεγάλη περιβαλλοντική σημασία εξαιτίας της σταθερότητάς τους στο περιβάλλον παρουσιάζουν το εξασθενές (Cr(VI)) και το τρισθενές (Cr(III)) χρώμιο (Francisco et al., 2002). ↄ Το τρισθενές χρώμιο [Cr(III)], είναι η πλέον σταθερή μορφή του χρωμίου στο περιβάλλον. Είναι αδιάλυτο και θεωρείται "μη ευκίνητο", καθώς έχει τάση να προσροφάται στα αιωρούμενα σωματίδια και στο ίζημα και για τον λόγο αυτό θεωρείται ως σχετικά αδρανές, λιγότερο βιοδιαθέσιμο και μειωμένης τοξικότητας ως προς τους υδρόβιους οργανισμούς. Στη φύση συναντάται ως ορυκτό. Συνήθως εντοπίζεται σε υπερβαστικά πυριγενή πετρώματα, καθώς και σε διάφορους τύπους σχιστολίθων. Απαντάται με την μορφή χρωμιούχων οξειδίων (Cr 2 O 3 ) και υδροξειδίων (Cr(OH) 3 ), καθώς και ως διαλυτά κατιόντα CrOH 2+ και Cr(OH) 2+ (Guertin et al., 2005). Αποτελεί βασικό συστατικό για διατροφή ανθρώπων και ζώων (μαζί με την ινσουλίνη ρυθμίζει την ποσότητα της γλυκόζης στο αίμα) (De Flora et al., 1990). Η πρόσληψη μg τρισθενούς χρωμίου ανά ημέρα συνιστάται για ενήλικες (Demir and Arisoy, 2007). 7

40 Εισαγωγή ↄ Το εξασθενές χρώμιο [Cr (VI)], είναι η δεύτερη πιο σταθερή μορφή του χρωμίου. Δεν συναντάται ελεύθερο στη φύση και είναι κυρίως αποτέλεσμα ανθρωπογενούς δραστηριότητας (βιομηχανικά απόβλητα). Το εξασθενές χρώμιο είναι σταθερό στον αέρα και στο καθαρό νερό, αλλά ανάγεται ταχύτατα προς τρισθενές όταν έρθει σε επαφή με οργανική ύλη, στο νερό, στο έδαφος και σε ζωντανούς οργανισμούς. Η παρουσία, η συγκέντρωση και οι μορφές, εξαρτώνται από διάφορες χημικές φυσικές διεργασίες Απαντάται με τη μορφή χρωμικών (CrO 2-4 ) και διχρωμικών (Cr 2 O 2-7 ) ανιόντων ή ακόμα και ως χρωμικό βάριο (ΒaCrO 4 ) ή διχρωμικό νάτριο (Na 2 Cr 2 O 7 ). Θεωρούνται σταθερές ενώσεις αλλά και σχετικώς ισχυρά οξειδωτικά (Jacques, 2004). Το Cr(VI) είναι ένας τοξικός, καρκινογόνος (Venitt and Levy, 1974) και μεταλλαξιογόνος (Nishioka, 1975) παράγοντας και μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα στο περιβάλλον και την υγεία του ανθρώπου, (προβλήματα στο συκώτι και τα νεφρά, ερεθισμό του γαστρεντερικού συστήματος, ακόμη και θάνατο) (Sharma et al., 1995). Τα τελευταία χρόνια έχει κλιμακωθεί το ενδιαφέρον για το χρώμιο, εξαιτίας της αύξησής του σε τοξικά επίπεδα στο περιβάλλον. 8

41 Εισαγωγή Πίνακας 1.2 Οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου και παραδείγματα ενώσεων (Greenwood and Earnshaw, 1997). Οξειδωτική Παράδειγμα ένωσης κατάσταση Ονοματολογία Χημικός τύπος -2 Καρβονύλιο του χρωμικού (-ΙΙ) νατρίου Na 2 [Cr(CO) 5 ] -1 Καρβονύλιο του χρωμικού (-Ι) νατρίου Na 2 [Cr 2 (CO) 10 ] 0 Στοιχειακό χρώμιο Cr 0 Καρβονύλιο του χρωμίου (0) Cr(CO) 6 +1 Διπυριδινικό χρώμιο (=L) [Cr(L) 3 ] Οξείδιο του χρωμίου (ΙΙ) Φθοριούχο χρώμιο (ΙΙ) +2 Χλωριούχο χρώμιο (ΙΙ) Θειούχο χρώμιο (ΙΙ) Οξείδιο του χρωμίου (ΙΙΙ) Φθοριούχο χρώμιο (ΙΙΙ) +3 Χλωριούχο χρώμιο (ΙΙΙ) Υδροξείδιο του χρωμίου (ΙΙΙ) Οξείδιο του χρωμίου (IV) +4 Φθοριούχο χρώμιο (IV) Χρωμικό βάριο +5 Πενταφθοριούχο χρώμιο Χρωμικό ανιόν Χρωμικό βάριο +6 Διχρωμικό ανιόν Διχρωμικό νάτριο CrO CrF 2 CrCl 2 CrS Cr 2 O 3 CrF 3 CrCl 3 Cr(OH) 3 CrO 2 CrF 4 Ba 3 (CrO 4 ) 2 CrF 5 CrO 4 2- BaCrO 4 2- Cr 2 O 7 Na 2 Cr 2 O 7 9

42 Εισαγωγή 1.4 Χημεία του χρωμίου Το χρώμιο διαλύεται εύκολα, αλλά αργά, με τη βοήθεια του υδροχλωρικού οξέος (HCl) ή σε αραιό θειικό οξύ (H 2 SO 4 ), με παραγωγή δισθενούς χρωμίου [Cr(II)] (αντίδραση 1), το οποίο με τη σειρά του οξειδώνεται ταχύτατα προς το σταθερότερο τρισθενές χρώμιο, παρουσία οξυγόνου (O 2 ) (αντίδραση 2). Cr + 2H + Cr 2+ + H 2 (1) 4Cr 2+ + O 2 + 4H + 4Cr H 2 O (2) Δεν προσβάλλεται από το νιτρικό οξύ (ΗΝΟ 3 ) και το πυκνό θειικό οξύ (H 2 SO 4 ), διότι σχηματίζεται επιφανειακό στρώμα τριοξειδίου του χρωμίου (Cr 2 O 3 ), που το προστατεύει από περαιτέρω επίδραση του οξέος. Τέλος, δεν προσβάλλεται από διαλύματα ισχυρών βάσεων. Το τρισθενές και το εξασθενές χρώμιο αποτελούν τις σταθερότερες μορφές του χρωμίου στο περιβάλλον. Στο διάγραμμα Frost που παρουσιάζεται στο Σχήμα 1.1 η πιο σταθερή μορφή του χρωμίου είναι το τρισθενές χρώμιο, καθώς η μετατροπή του σε χαμηλότερες ή υψηλότερες οξειδωτικές καταστάσεις απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Το δισθενές χρώμιο οξειδώνεται πολύ εύκολα σε τρισθενές, γι αυτό οι διάφορες μορφές του δισθενούς χρωμίου είναι σταθερές μόνο υπό την απουσία οποιοδήποτε οξειδωτικού μέσου (αναερόβιες συνθήκες) (Kotaś and Stasicka, 2000). Το εξασθενές χρώμιο σε όξινα διαλύματα παρουσιάζει ένα πολύ υψηλό θετικό δυναμικό οξειδοαναγωγής (Ε 0 μεταξύ V) (Saleh et al., 1989; Shriver et al., 1994; Greenwood and Earnshaw, 1997; Ball and Nordstrom, 1998) (Σχήμα 1.1), το οποίο δηλώνει ότι είναι ισχυρά οξειδωτικό και ασταθές υπό την παρουσία δοτών ηλεκτρονίων (Kotaś and Stasicka, 2000). H αναγωγή του Cr(VI) σε Cr(ΙΙI) πραγματοποιείται σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα σε σχέση με την ανάλογη οξείδωση του Cr(ΙΙI) σε Cr(VI). Η αναγωγή του Cr(VI) σε Cr(ΙΙI) κάτω από αναερόβιες συνθήκες, ολοκληρώνεται το ανώτερο σε 53 ημέρες, ενώ κάτω από αερόβιες συνθήκες μεταξύ 15 λεπτών έως 21,5 ημερών (Motzer, 2004). 10

43 ne (V) Εισαγωγή oxidation number Σχήμα 1.1 Το διάγραμμα Frost για τις μορφές του χρωμίου συναρτήσει του δυναμικού αναγωγής σε όξινα διαλύματα (Shriver et al., 1994). Καθώς η αναγωγή του HCrO - 4 συνοδεύεται με τη κατανάλωση Η + (αντίδραση 3), δηλαδή τη μείωση της οξύτητας, μειώνεται και το κανονικό δυναμικό (Σχήμα 1.2). ΗCrO H + + 3e - Cr H 2 O (3) Σε πιο αλκαλικά διαλύματα η αναγωγή των CrO 2-4 παράγει OH - (αντίδραση 4) με αποτέλεσμα να μειώνεται το δυναμικό (Ε 0 = -0.13V) και να αποσταθεροποιείται η οξειδωτική κατάσταση του τρισθενούς χρωμίου σε σχέση με την οξειδωτική κατάσταση του εξασθενούς. CrO H 2 O + 3e - Cr(OH) 3 + 5OH - (4) 11

44 Formal potential E o (V) Εισαγωγή 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0, ph Σχήμα 1.2 Εξάρτηση του E 0 του εξασθενούς χρωμίου από το ph, όπως υπολογίστηκε από τις αντιδράσεις (3) (διακεκομμένη γραμμή) και (4) (συνεχής γραμμή). Οι ανοιχτοί κύκλοι παρουσιάζουν το αποτέλεσμα της υδρόλυσης του Cr(OH) 3 που οδηγεί στο σχηματισμό των Cr(OH) 2+ (aq) και Cr(OH) 2+ (aq). Οι κάθετες διακεκομμένες γραμμές παρουσιάζουν τη διακύμανση του ph στα φυσικά νερά (Nieboer and Jusys, 1988). Στο διάγραμμα Pourbaix του χρωμίου (Σχήμα 1.3), παρουσιάζονται οι διάφορες (σταθερές) οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου, ανάλογα με το ph και το δυναμικό οξειδοαναγωγής. Τα διάφορα είδη χρωμικών ιόντων σε αραιωμένα υδατικά διαλύματα παρουσία αέρα και απουσία παραγόντων συμπλοκοποίησης, άλλων εκτός από του H 2 O και το OH -, χωρίς ωστόσο να λαμβάνονται υπόψη κινητικές παρεμπόδισης καθώς και οι πραγματικές μορφές και οι σχηματισμοί του χρωμίου στο φυσικό περιβάλλον (Kotaś and Stasicka, 2000). 12

45 E(V) Εισαγωγή 1,0 HCrO 4 + O 2 / H 2 O 0,5 Cr(H 2 O) 5 3+ HCrO 4 - CrOH 2+ aq 0,0 Cr(OH) 2 +.aq Cr(OH) 3.aq -0,5 Cr(OH) - 4 H 2 O /H 2-1, Σχήμα 1.3 Διάγραμμα Pourbaix, για τις μορφές του χρωμίου που επικρατούν σε οξυγονωμένα υδάτινα διαλύματα, υπό την απουσία μέσων συμπλοκοποίησης (εκτός ph από το H 2 O και το OH-) (Kotaś and Stasicka, 2000) Χημεία του τρισθενούς χρωμίου, Cr(III) Η παρουσία του τρισθενούς χρωμίου στο περιβάλλον εξαρτάται από διάφορες χημικές και φυσικές διεργασίες, όπως η υδρόλυση, η συμπλοκοποίηση, η προσρόφηση και οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Στα υδατικά διαλύματα το τρισθενές χρώμιο παρουσιάζει τάση κατακρήμνισης ως υδροξείδιο του χρωμίου [Cr(OH) 3 ]. Αντιδρώντας χημικά με άλλα ανόργανα και οργανικά μόρια, που είναι διαλυμένα στο νερό, σχηματίζει σταθερές σύμπλοκες ενώσεις. Συνεπώς, ο χρόνος παραμονής του τρισθενούς χρωμίου στο νερό είναι μικρός και υπάρχει σε μικρό ποσοστό στα ρυπασμένα ύδατα. Απουσία μέσων συμπλοκοποίησης (εκτός από το H 2 O και το OH - ), το τρισθενές χρώμιο υπάρχει ως ένυδρο [Cr(H 2 O) 6 ] 3+, με τα προϊόντα υδρόλυσής του (Rai et al., 1987). Το [Cr(H 2 O) 6 ] 3+ είναι ένα μέτρια ισχυρό οξύ (pk ~ 4) και σε ph μεταξύ 4 έως 10 επικρατούν οι εξής αποπρωτονιωμένες του μορφές: Cr(OH) 2+ (aq), Cr(OH) + 2 (aq) και Cr(OH) 3 (aq), σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις: Cr(H 2 O) H 2 O Cr(OH)(H 2 O) H 3 O + (5) Cr(OH)(H 2 O) H 2 O Cr(OH) 2 (H 2 O) H 3 O + (6) Cr(OH) 2 (H 2 O) H 2 O Cr(OH) 3 (aq) + H 3 O + (7) 13

46 Εισαγωγή Το τρι-υδροξείδιο του χρωμίου [Cr(OH) 3 ], είναι σπάνια διαλυτό σε εύρος ph 5,5 έως 12 (Rai et al., 1987; Saleh et al., 1989; Ball and Nordstrom, 1998) που είναι συνήθως το ph των φυσικών υδάτων. Kατά συνέπεια, τα υδροξυ-σύμπλοκα Cr(OH) 2+ (aq) και Cr(OH) 3 (aq) αναμένονται να είναι οι κυρίαρχες μορφές του τρισθενούς χρωμίου στο περιβάλλον. Σε υψηλότερο ph (αλκαλικά διαλύματα) σχηματίζεται αρχικά το κυανοπράσινο δυσδιάλυτο Cr(OH) 3 (aq) το οποίο ως επαμφοτερίζον υδροξείδιο, διαλύεται εύκολα σε περίσσεια βάσης σχηματίζοντας τα τετρα-υδροξυ-σύμπλοκα [Cr(OH) 4 ] - (χρωμιώδη ανιόντα) (Kotaś and Stasicka, 2000). Cr OH - Cr(OH) 3 (8) Cr(OH) 3 + OH - [Cr(OH) 4 ] - (9) Χημεία του εξασθενούς χρωμίου, Cr(VI) Οι σύμπλοκες ενώσεις των ιόντων του εξασθενούς χρωμίου (Εικόνα 1.7) είναι υδατοδιαλυτές και μπορεί να παραμένουν διαλυτές στο νερό για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα. Τα ιόντα αυτά είναι αρκετά διαλυτές, καθώς και αρκετά κινητικές μορφές χρωμίου στα περιβαλλοντικά συστήματα (εδαφικά, υδάτινα, ατμοσφαιρικά). Εντός της φυσιολογικής διακύμανσης ph στα φυσικά ύδατα, οι αναμενόμενες μορφές εξασθενούς χρωμίου είναι: κίτρινα χρωμικά CrO 2-4, HCrO - 4, και πορτοκαλόχρωμα διχρωμικά Cr 2 O 2-7. Εικόνα 1.7 Χρωμικό ανιόν (αριστερά) και διχρωμικό ανιόν (δεξιά) ( Οι διάφορες χημικές μορφές του εξασθενούς χρωμίου και η σχετική αναλογία τους εξαρτώνται από το ph και τη συνολική συγκέντρωση του εξασθενούς χρωμίου, όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα

47 Εισαγωγή Σχήμα 1.4 Περιεκτικότητα των μορφών εξασθενούς χρωμίου σε υδάτινα διαλύματα, με ολική συγκέντρωση εξασθενούς χρωμίου Μ και σε εύρος ph 1 έως 14. Οι διακεκομμένες κάθετες γραμμές αντιπροσωπεύουν την περιοχή ph των φυσικών υδάτων (Tandon et al., 1984). Σε ph>1, επικρατούν οι αποπρωτονιωμένες μορφές του H 2 CrO 4, το οποίο ανήκει στα ισχυρά οξέα: H 2 CrO 4 H + + HCrO - 4 (10) HCrO - 4 H CrO 4 (11) Σε ph>7, επικρατούν εξ ολοκλήρου, σε όλο το διάλυμα τα χρωμικά ιόντα CrO 2 4. Σε ph μεταξύ 1 έως 6, η επικρατέστερη μορφή είναι το HCrO - 4 (για συγκέντρωση εξασθενούς χρωμίου έως 10-2 M), όπου σε αυτή τη συγκέντρωση αρχίζει να συμπυκνώνεται σχηματίζοντας διχρωμικά ιόντα (Nieboer and Jusys, 1988; Greenwood and Earnshaw, 1997). 2HCrO - 4 Cr 2 O H 2 O (12) Ωστόσο τα ανιόντα του εξασθενούς χρωμίου ανάγονται σε τρισθενείς μορφές πολύ γρήγορα παρουσία δοτών ηλεκτρονίων, όπως η οργανική ουσία, η οποία υπάρχει στο περιβάλλον (έδαφος, νερό) (Stollenwerk and Grove, 1985). 15

48 Εισαγωγή 1.5 Το χρώμιο στο περιβάλλον Το χρώμιο στο φλοιό της Γης βρίσκεται σε μέση συγκέντρωση στα 100ppm και είναι το 21 ο πιο άφθονο στοιχείο (Emsley, 2001). Δεν απαντάται ελεύθερο στην φύση. Εξάγεται από τα ορυκτά του, κυριότερο από τα οποία είναι ο χρωμίτης (FeCr 2 O 4 ) (N.R.C., 1974). Η παγκόσμια παραγωγή του εμπορεύσιμου χρωμίτη έφτασε το 2014 τα 7.2 εκατομμύρια τόνους (Σχήμα 1.5). Σχήμα 1.5 Παγκόσμια παραγωγή χρωμίου (Geological Survey U.S., 2009). Ο χρωμίτης εξορύσσεται σε πάνω από 20 χώρες, όμως το 97% της παραγωγής συγκεντρώνεται σε 4 χώρες: στη Νότια Αφρική, στο Καζακστάν, στη Ζιμπάμπουε και στην Ινδία (Papp, 2009; Bachmann et al., 2010). Εκτός από τη φυσική πηγή χρωμίου στο περιβάλλον από τους γεωλογικούς σχηματισμούς, όπως σιδηρινικελιούχα κοιτάσματα και οφιόλιθοι, το συναντάμε και από ανθρωπογενείς πηγές, εξαιτίας της χρήσης του χρωμίου στις διάφορες βιομηχανίες (κυρίως χημικές και μεταλλουργικές βιομηχανίες, παράγοντας υγρά απόβλητα που περιέχουν χρώμιο) (Nriagu and Pacyna, 1988; Ayres, 1992) Το χρώμιο στα υδάτινα συστήματα Το χρώμιο στα υδάτινα συστήματα προέρχεται από φυσικές και ανθρωπογενείς πηγές. Φυσικές πηγές του χρωμίου αποτελούν η αποσάθρωση πετρωμάτων (π.χ. χρωμίτη), η ατμοσφαιρική συμπύκνωση, η ξηρή απόθεση στην ατμόσφαιρα καθώς και η απόπλυση των χερσαίων συστημάτων. Η συγκέντρωση του χρωμίου στα ποτάμια και στις λίμνες κυμαίνεται μεταξύ 26μg/L έως 5,2mg/L ενώ στα θαλάσσια ύδατα κυμαίνεται από 5 έως 800 μg/l. Τα φυσιολογικά επίπεδά του στα μη ρυπασμένα επιφανειακά ύδατα κυμαίνονται στην περιοχή 1-10 μg/l, ενώ στο 16

49 Εισαγωγή πόσιμο νερό οι συγκεντρώσεις του βρίσκονται στην περιοχή μg/l. Στα φυσικά νερά το χρώμιο εμφανίζεται στις δύο σταθερότερες καταστάσεις οξειδώσεώς του, ως τρισθενές και ως εξασθενές χρώμιο (Kotaś and Stasicka, 2000). Η ανθρωπογενής προέλευση χρωμίου στα υδάτινα συστήματα προκαλείται από τη ρίψη υγρών αποβλήτων από μεταλλουργικές βιομηχανίες (εξασθενές χρώμιο), τις διεργασίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, τις επιχρωμιώσεις, τη βυρσοδεψία, τα στραγγίσματα χώρων υγειονομικής ταφής, τους πύργους ψύξης νερού και άλλες χημικές βιομηχανίες. Ο αριθμός και ο τύπος των ειδών χρωμίου που υπάρχουν στα υγρά απόβλητα, εξαρτάται από το χαρακτήρα των βιομηχανικών διεργασιών (Kotaś and Stasicka, 2000). Η Kaprara et al. (2015) μελέτησε την παρουσία του εξασθενούς χρωμίου στο πόσιμο νερό στην Ελλάδα. Πραγματοποιήθηκαν περίπου 600 δειγματοληψίες σε όλη την Ελλάδα. Από τα αποτελέσματα προκύπτει η παρουσία Cr(VI) στο πόσιμο νερό σε μεγάλο τμήμα του Ελλαδικού χώρου. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων δε βρεθήκαν ανθρωπογενείς πηγές χρωμίου, επιβεβαιώνοντας τη φυσική προέλευση του Cr(VI) στα υπόγεια νερά. Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι σε όλες τις περιπτώσεις των δειγμάτων, το Cr(VI) καταλάμβανε πάνω από το 95% της συνολικής συγκέντρωσης χρωμίου, υποδεικνύοντας ότι η παρουσία χρωμίου στα φυσικά νερά θα πρέπει να αποδίδεται κυρίως στο Cr(VI). Ένα ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων Cr(VI) (1-135 μg/l) ανιχνεύθηκε στις περιοχές που μελετήθηκαν, με τις περισσότερες από αυτές να κυμαίνονται κάτω από το όριο των 50 μg/l. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις εντοπίστηκαν σε πορώδεις υδροφορείς που αναπτύσσονται σε Τριτογενή και Τεταρτογενή ιζήματα. Τα ιζήματα αυτά βρίσκονται σε επαφή με οφιολιθικά πετρώματα που τα τροφοδότησαν με υλικό από την αποσάθρωση και διάβρωση τους και είναι πλούσιο σε χρώμιο. Στους οφιολιθικούς υδροφορείς που εκφορτίζονται από πηγές ή υδρομαστεύονται από γεωτρήσεις οι συγκεντρώσεις του χρωμίου κυμαίνονται από 1 έως 15 μg/l. Το γεγονός αυτό οφείλεται στο μικρό χρόνο παραμονής του νερού εντός των υδροφορέων αυτών και στη μικρή επιφάνεια επαφής του νερού με το οφιολιθικό πέτρωμα καθώς η κίνηση του νερού λαμβάνει χώρα σε δευτερογενές πορώδες που αναπτύσσεται στις ζώνες διάρρηξης του. Στις περιοχές που επικρατούν ανθρακικά πετρώματα δεν ανιχνεύτηκε εξασθενές χρώμιο ή οι συγκεντρώσεις αυτού ήταν μικρότερες των 2 μg/l (Εικόνα 1.8). 17

50 Εισαγωγή Εικόνα 1.8 Χάρτης των περιοχών δειγματοληψίας και μετρώνται Cr (VI) τα επίπεδα συγκέντρωσης (Kaprara et al., 2015). 18

51 Εισαγωγή Το χρώμιο στα εδαφικά συστήματα Η κύρια πηγή χρωμίου στα εδαφικά συστήματα είναι η αποσάθρωση των πετρωμάτων. Η περιεκτικότητα των περισσότερων πετρωμάτων σε χρώμιο κυμαίνεται από 5 έως 1800 mg/kg. Οι συγκεντρώσεις του μετάλλου στο έδαφος κυμαίνονται μεταξύ mg/kg. Στα περισσότερα εδάφη, βέβαια υπάρχει σε χαμηλές περιεκτικότητες (2-60 mg/kg) και από αυτά ένα πολύ μικρό ποσοστό είναι διαθέσιμο στα φυτά (μέχρι 0,19 mg/kg) (INCHEM, 1988) ( Δεν έχει διευκρινιστεί επαρκώς το κατά πόσο το χρώμιο είναι γι' αυτά ένα απαραίτητο ιχνοστοιχείο (Taylor, 1997). Αύξηση της τοπικής συγκέντρωσης του χρωμίου στο έδαφος προέρχεται από την απόθεση και έκπλυση ατμοσφαιρικών σωματιδίων που περιέχουν χρώμιο, καθώς επίσης και από την απόθεση ιλύων και αποβλήτων από βιομηχανικές δραστηριότητες. Στα εδάφη το χρώμιο παρουσιάζεται κυρίως ως αδιάλυτο Cr(OH) 3 ή ως Cr(III) προσροφημένο σε εδαφικά συστατικά, γεγονός που εμποδίζει την εκχύλισή στα υπόγεια ύδατα ή την πρόσληψή του από τα φυτά. Η μορφή του χρωμίου στο έδαφος εξαρτάται από το δυναμικό οξειδοαναγωγής και το pη (Dhal et al., 2013). Στην Ελλάδα, τα κοιτάσματα χρωμίου εμφανίζονται σε μανδυακής προέλευσης περιδοτίτες (υπερβασικά πετρώματα) και κυρίως μέσα σε δουνίτες οφιολιθικών συμπλεγμάτων. Συγκεκριμένα κατά τη σύγκλιση των λιθοσφαιρικών πλακών σημαντικό τμήμα του ωκεάνιου φλοιού καταστράφηκε και το υπόλοιπο ανεβαίνοντας στην επιφάνεια δημιούργησε τα οφιολιθικά συμπλέγματα. Τα οφιολιθικά συμπλέγματα στην Ελλάδα σχηματίζουν δύο διακριτές, παράλληλες ζώνες, με γενική ΒΔ-ΝΑ κατεύθυνση, το εσωτερικό κατά μήκος της ζώνης του Αξιού και το εξωτερικό κατά μήκος της ζώνης της Πίνδου (Εικόνα 1.9) (Mountrakis, 1986; Robertson et al., 1991). Υψηλές συγκεντρώσεις χρωμίου βρέθηκαν σε ορυκτά όπως μαγνησιόχρωμίτης και χρωμίτης και στο μαγνητίτη. Πολύ φτωχοί σε χρώμιο (<70 mg/kg) είναι οι ολιβίνες, ενώ το χρώμιο στους σερπεντίνες είναι της τάξης των 100 mg/kg (Kaprara et al., 2015). 19

52 Εισαγωγή Εικόνα 1.9 Χάρτης με την κατανομή των οφιολιθικών και υπερβασικών πετρωμάτων στην Ελλάδα σύμφωνα με το ΙΓΜΕ (ΙΓΜΕ, 1983; Kaprara et al., 2015). 20

53 Εισαγωγή Το χρώμιο στα ατμοσφαιρικά συστήματα Η συνολική ποσότητα του χρωμίου που υπάρχει στην ατμόσφαιρα προέρχεται κυρίως από ανθρωπογενής πηγές που αντιπροσωπεύουν το 60 70%, καθώς επίσης και από φυσικές πηγές που αντιπροσωπεύουν το 30 40% (Seigneur and Constantinou, 1995). Οι κυριότερες φυσικές πηγές του χρωμίου στην ατμόσφαιρα είναι οι ηφαιστειακές εκρήξεις καθώς και η διάβρωση των πετρωμάτων. Σημαντικό ρόλο στην αύξηση των επιπέδων του χρωμίου στο περιβάλλον έχουν οι μεταλλουργικές βιομηχανίες, η ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση, η παραγωγή αλάτων του χρωμίου και χρωστικών ουσιών. Η παραγωγή χάλυβα, η καύση του κάρβουνου και του πετρελαίου, καθώς και η παραγωγή χημικών χρωμίου ελευθερώνουν το μεγαλύτερο ποσοστό χρωμίου στον αέρα. Στην ατμόσφαιρα (όπως στα εδάφη και στα νερά) οι δυο σταθερές οξειδωτικές καταστάσεις του χρωμίου, είναι το τρισθενές χρώμιο και το εξασθενές χρώμιο (Kotaś and Stasicka, 2000) Το χρώμιο στα τρόφιμα Το χρώμιο στα τρόφιμα συναντάται ως επί το πλείστον στην τρισθενή μορφή του (IARC, 2012). Η περιεκτικότητα του χρωμίου στα τρόφιμα κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 0,02 έως 0,51 mg/kg, ενώ στα ποτά μεταξύ 0,1 έως 0,45 μg/l (Πίνακας 1.3) (EPA, 1985). Η χαρακτηριστική καθημερινή λήψη ενός ενήλικα κυμαίνεται από 0,03 έως 0,1 mg, όπου το 90% προέρχεται από τα τρόφιμα. Τα όρια αυτά θεωρούνται ασφαλή για τους ενήλικες (Krejpcio, 2001). Πίνακας 1.3 Επίπεδα χρωμίου σε τρόφιμα και ποτά (EPA, 1985) ( Τρόφιμα, Ποτά Συγκεντρώσεις (μg/l) Σχόλια Τα περισσότερα τρόφιμα Κρασί 0.45 Μπύρα 0.3 Αλκοολούχα ποτά Συχνά υψηλότερες στα όξινα τρόφιμα 21

54 Εισαγωγή 1.6 Εφαρμογές και χρήσεις χρωμίου Το χρώμιο είναι ένα από τα πιο σημαντικά υλικά στον κόσμο, παρουσιάζοντας μεγάλο πλήθος εφαρμογών τόσο στη χημική βιομηχανία όσο και στις βιομηχανίες μετάλλου, παράγοντας χιλιάδες καταναλωτικά προϊόντα. Από τις κυριότερες χρήσεις του είναι αυτές στον ανοξείδωτο και στον επιχρωμιωμένο χάλυβα, στην παραγωγή μη σιδηρούχων κραμάτων για επικαλύψεις μεταλλικών επιφανειών (αυξάνοντας την αντοχή των μετάλλων στην οξείδωση και στη διάβρωση). Οι δύο αυτές εφαρμογές αποτελούν σήμερα το 90% της εμπορικής χρήσης του χρωμίου (Dhal et al., 2013). Το 5% χρησιμοποιείται σε πυρίμαχα υλικά (σιδήρου και χάλυβα, τσιμέντου, γυαλιού, κεραμικών) και το άλλο 5% ως χημικό (βυρσοδεψεία, χρυσοχοΐα, συντήρηση ξύλου και χρωστική). Άλλες εφαρμογές είναι στην παραγωγή χρωστικών και καταλυτών, στη κλωστοϋφαντουργία, στο μελάνι των φωτοτυπικών μηχανημάτων, στις μαγνητοταινίες. Στο παρελθόν έχει χρησιμοποιηθεί ως μυκητοκτόνο (Testa and Jacobs, 2004; Shi et al., 2009). Στη μεταλλουργική βιομηχανία, η μεγαλύτερη ποσότητα μεταλλικού χρωμίου χρησιμοποιείται στην παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα. Με προσθήκη χρωμίου σε ποσοστό 13% (κατ' ελάχιστο), το οποίο μπορεί να αυξηθεί μέχρι 30%, οι χρωμιοχάλυβες εμφανίζουν μεγαλύτερη αντοχή σε σχέση με τον κοινό χάλυβα στη διάβρωση και στην οξείδωση σε φυσικό και αστικό περιβάλλον. Οι μεταλλοβιομηχανίες χρησιμοποιούν πολλές ενώσεις του εξασθενούς χρωμίου ως επιστρώσεις προστασίας μεταλλικών επιφανειών από τη διάβρωση (anti-corrosion and conversion coatings). Στη συγκεκριμένη διεργασία, τμήμα της μεταλλικής επιφάνειας μετατρέπεται με χημικό ή ηλεκτροχημικό τρόπο σε αδρανή επίστρωση (Εικόνα 1.10) (INCHEM, 1988; Akiyama et al., 2003). 22

55 Εισαγωγή Εικόνα 1.10 Λουτρό επιχρωμίωσης (chrome plating bath) (NIOSH) ( Μία ακόμη σημαντική εφαρμογή του χρωμίου αποτελεί η εισαγωγή του στη σύνθεση διαφόρων κραμάτων (Πίνακας 1.4). Περίπου το % των μεταλλευμάτων του χρωμίου χρησιμοποιούνται στα κράματα. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες περιέχουν Fe, Cr, και Ni σε διάφορες αναλογίες, ώστε να εκπληρώνουν τις απαιτήσεις των προϊόντων. Ουσίες όπως το Ni (νικέλιο), Mn (μαγγάνιο), και μικρές ποσότητες Mo (μολυβδαινίου), W (βολφραμίου), ή Pd (παλλαδίου) προστίθενται στο χρώμιο για να ενισχύσουν τις διάφορες φυσικές ιδιότητες των κραμάτων (Bielicka et al., 2005). Το χρώμιο μπορεί να γίνει εξαιρετικό στιλβωτικό μέσον και είναι ανθεκτικό στη προσβολή από συνεχόμενη οξείδωση, με αποτέλεσμα τα κράματά του να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση. Το χρώμιο στα υπερ-κράματα χρησιμοποιείται για να βελτιωθεί η ροή της θερμότητας και να αυξηθεί η αντίσταση στη φθορά και στη διάβρωση. Ακόμη, σε μια εξειδικευμένη ιατρική του χρήση, συνδυάζεται με Ti (τιτάνιο) στην κατασκευή υποκατάστατων ανθρωπίνων αρθρώσεων (στις Η.Π.Α. και στη Μεγάλη Βρετανία), καθώς επίσης και σε οδοντιατρικά συνθετικά υλικά (Testa and Jacobs, 2004). 23

56 Εισαγωγή Πίνακας 1.4 Τα κυριότερα κράματα του χρωμίου (Δέρμου, 2007). Κράματα χρωμίου Περιεκτικότητα Χρήσεις Χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε Cr 1% - 3% Cr 0.5 % - 1.5% C Μαχαιροπήρουνα, εργαλεία Χάλυβες τριβείων, 10% Cr, 1% C Χάλυβες υψηλής εργαλείων χαμηλής 13% Cr, 2% C περιεκτικότητας σε Cr παραμόρφωσης, χάλυβες Cr, Co ή Cr, Si, Bo κατασκευής βαλβίδων Ανοξείδωτοι χάλυβες, πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε C 13% - 20% Cr, 7% - 15% Ni, προσμίξεις (Mo, Ti, Nb) Εξαρτήματα βιομηχανίας τροφίμων, ιατρικά όργανα, μαχαιροπήρουνα Τμήματα καμίνων, Πυρίμαχοι χάλυβες 30% Cr, Al, Si, Mn, Mo, ηλεκτρικές αντιστάσεις, Bo στοιχεία λεβήτων, εξαρτήματα μηχανών Πυρίμαχοι χυτοσίδηροι 30% Cr Εσχάρες φούρνων Χυτοσίδηροι (ανθεκτικοί στη φθορά) 0.7% 2% Cr Κύλινδροι ελασματουργίας, οδοντωτοί τροχοί, σκαπτικά γεωργικά εργαλεία Στη χημική βιομηχανία, το χρώμιο χρησιμοποιείται ως παράγοντας επιμετάλλωσης (Edwards, 1997), ως χρωστική ύλη προσδίδοντας χρώμα στο γυαλί (Anger et al., 2000) και στην παραγωγή συνθετικού σμαραγδιού (Moss and Newnham, 1964). Το πράσινο χρώμα του σμαραγδιού και το κόκκινο του ρουμπινιού οφείλεται στην παρουσία ποσοτήτων οξειδίων του χρωμίου στη δομή του κρυσταλλικού τους πλέγματος (Moss and Newnham, 1964; Paul et al., 2003). Το κίτρινο του χρωμίου (Chrome Yellow), αποτελούμενο κατά βάση από χρωμικό μόλυβδο (PbCrO 4 ), είναι μια εξαιρετικής ποιότητας κίτρινη χρωστική, χρησιμοποιείται στο χρωματισμό του βινυλίου, του καουτσούκ και του χαρτιού, αλλά λόγω της μεγάλης τοξικότητάς του η χρήση του πλέον αποθαρρύνεται. Στο χρωμικό μόλυβδο οφείλονται και άλλες χρωστικές όπως το λαμπερό κόκκινο (Gettens and Stout, 1966). Το πράσινο οξείδιο του χρωμίου Cr 2 O 3, είναι η σταθερότερη γνωστή πράσινη χρωστική ύλη που χρησιμοποιείται ως πράσινο χρώμα στην υαλοποιία, στα πλαστικά αλλά και στην κεραμική (Anger et al., 2000; Testa and Jacobs, 2004). Ενώσεις του τρισθενούς χρωμίου, όπως θειώδη άλατα: Cr 2 (SO 4 ) 3 12(H 2 O), KCr(SO 4 ) 2 12(H 2 O), αλλά και φθοριούχα, βρωμικά, οξαλικά και θειοκυανικά άλατα χρησιμοποιούνται στη βυρσοδεψία για την κατεργασία δερμάτων. Η δέψη με τις 24

57 Εισαγωγή ενώσεις αυτές είναι ταχύτερη από τη δέψη με φυτικές ταννίνες και τα δέρματα που παράγονται με αυτόν τον τρόπο έχουν μεγαλύτερη αντοχή στην τάση και είναι ιδανικά για δερμάτινες τσάντες και ρούχα (N.R.C., 1974; Brown, 1997). Περίπου το 40% του χρησιμοποιημένου χρωμίου αποβάλλεται ως Cr (VI) και Cr (III) στην έξοδο της βιομηχανίας (Saha and Orvig, 2010). Ενώσεις του Cr(VI) χρησιμοποιούνται ως συντηρητικά ξύλου. Το 1996, το 52% της παραγωγής των ενώσεων Cr στις ΗΠΑ χρησιμοποιούνταν στην παρασκευή ενός συντηρητικού ξύλου, του χρωμιωμένου αρσενικικού χαλκού (chromated copper arsenate, CCA). Το CCA είναι μίγμα χρωμικών αλάτων, οξειδίου του χαλκού και οξειδίου του αρσενικού (As 2 O 5 ) (National Toxicology Program). Τα χρωμικά βασικά δρουν ως χημικά στερεωτικά μέσα (chemical fixing) του χαλκού και αρσενικού, τα οποία δρουν ως μυκητοκτόνα/βακτηριοκτόνα και ως εντομοκτόνα, αντίστοιχα (Hingston et al., 2001). Αρκετές ενώσεις χρωμίου χρησιμοποιούνται ως καταλύτες στην παραγωγή υδρογονανθράκων. Για παράδειγμα, οι καταλύτες Phillips για την παρασκευή πολυαιθυλενίου είναι μείγματα από χρώμιο και διοξείδιο του πυριτίου (SiO 2 ) ή μείγματα χρωμίου, τιτανίου και οξειδίου του αλουμινίου (Al2O3) (Weckhuysen and Schoonheydt, 1999). Η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς και το υψηλό σημείο τήξης καθιστούν το χρωμίτη (FeCr 2 O 4 ) και το οξείδιο του τρισθενούς χρωμίου (Cr 2 O 3 ) χρήσιμα στην κατασκευή υψικαμίνων, τσιμεντοκαμίνων, καλουπιών για την παρασκευή τούβλων αλλά και ως άμμο χυτηρίου. Στις εφαρμογές αυτές χρησιμοποιούνται πυρίμαχα υλικά από μίγμα χρωμίτη και ανθρακικού μαγνησίου (MgCO 3 ). Η χρήση αυτή βέβαια, έχει μειωθεί λόγω περιβαλλοντικών περιορισμών από τον πιθανό σχηματισμό εξασθενούς χρωμίου (Papp and Lipin, 2006). 25

58 Εισαγωγή 1.7 Επιπτώσεις του χρωμίου στην ανθρώπινη υγεία Το χρώμιο είναι ένα σημαντικό ιχνοστοιχείο για τους ζωντανούς οργανισμούς (Bailar, 1997). Τα τελευταία χρόνια έχει αναγνωριστεί όμως η αρνητική επίδραση που έχει η υπερβολική συγκέντρωση του χρωμίου στα οικοσυστήματα και στους ζωντανούς μικροοργανισμούς. Το μεταλλικό χρώμιο φαίνεται να είναι βιολογικά αδρανές και δεν έχει αναφερθεί καμία επίπτωσή του στην ανθρώπινη υγεία. Μικρές ποσότητες του Cr(III) είναι χρήσιμες για όλους οργανισμούς, ενώ οι ενώσεις του Cr(VI) είναι υπεύθυνες για την πλειονότητα των δυσμενών επιπτώσεων του στοιχείου Τρισθενές χρώμιο ως βασικό ιχνοστοιχείο Το τρισθενές χρώμιο αποτελεί βασικό ιχνοστοιχείο για τον ανθρώπινο οργανισμό και η χαρακτηριστική καθημερινή λήψη ενός ενήλικα κυμαίνεται από 30 έως 50 μg ημερησίως (Demir and Arisoy, 2007), ενώ ποσότητες μέχρι 200 μg δεν έχει αναφερθεί ότι προκαλούν προβλήματα υγείας (Krejpcio, 2001). Λόγω του ότι εμπλέκεται στον έλεγχο του μεταβολισμού, χρησιμοποιείται σε πολλά σκευάσματα, τα οποία υπόσχονται απώλεια βάρους. Γι αυτό μερικοί επιστήμονες το χαρακτηρίζουν ως προϊόν αδυνατίσματος. Θεωρείται, λοιπόν, ως η επικρατέστερη μορφή του χρωμίου στον ανθρώπινο οργανισμό και αποτελεί απαραίτητο διατροφικό στοιχείο, καθώς επηρεάζει το μεταβολισμό των υδατανθράκων και των λιπιδίων. Αναγνωρίστηκε ως ενεργό συστατικό του παράγοντα ανεκτικότητας της γλυκόζης (glucose tolerance factor CrGTF), ο οποίος δρα ως ένζυμο που δεσμεύει την ινσουλίνη, ρυθμίζοντας την ποσότητα της γλυκόζης στο αίμα για την παραγωγή ενέργειας. Ύστερα από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε πειραματόζωα, παρατηρήθηκε πως η έλλειψη του τρισθενούς χρωμίου προκαλεί αύξηση του σακχάρου στο αίμα και εμφάνιση της γλυκόζης στα ούρα (De Flora et al., 1990). Μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν στοιχεία που να αποδεικνύουν πως αυτή η μορφή χρωμίου είναι τοξική για τον ανθρώπινο οργανισμό ή προκαλεί βλάβη του DNA (INCHEM, 1988). 26

59 Εισαγωγή Τοξικές επιδράσεις του εξασθενούς χρωμίου Το Cr(VI) είναι ένα τοξικός, καρκινογόνος (Venitt and Levy, 1974) και μεταλλαξιογόνος (Nishioka, 1975) παράγοντας και μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα για το περιβάλλον και την υγεία του ανθρώπου (Sharma et al., 1995; Costa, 1997). Επιδημιολογικές μελέτες επιβεβαιώνουν ότι οι ενώσεις του εξασθενούς χρωμίου (ή τα δραστικά τους ενδιάμεσα μέσα στα κύτταρα) μπορεί να προκαλέσουν βλάβη στο γενετικό υλικό, καρκίνο της ουροδόχου κύστης, του στομάχου, των γεννητικών οργάνων, προβλήματα τόσο στο αναπνευστικό σύστημα όσο και στο ανοσοποιητικό αλλά και προβλήματα στο ήπαρ και τα νεφρά, ακόμη και θάνατο. Άλλες μελέτες σε πειραματόζωα (ποντίκια) δείχνουν πως αυτή η μορφή χρωμίου μπορεί να προκαλέσει μεταλλάξεις (εμβρυικές δυσμορφίες) και προβλήματα αναπαραγωγής, μειωμένο ρυθμό γεννήσεων και ελαττωμένο εμβρυϊκό βάρος. Η ικανότητα του εξασθενούς χρωμικού να εισχωρήσει σε όλους τους ιστούς του σώματος, μας δείχνει την ευρεία τοξική του δράση (Costa, 1997; Guertin, 2004). Οι μακροχρόνιες εκθέσεις του αναπνευστικού συστήματος μπορεί να προκαλέσουν διάτρηση και έλκος του ρινικού διαφράγματος, φλεγμονή των ρινικών διόδων και συχνές αιμορραγίες της μύτης (Costa, 1997). Ο καρκίνος του πνεύμονα είναι μία πιθανή συνέπεια της εισπνοής ενώσεων εξασθενούς χρωμίου. Παρά το γεγονός πως το 53 85% του στοιχείου απομακρύνεται από τους πνεύμονες, λόγω απορρόφησης από το αίμα ή από τους βλεννογόνους του φάρυγγα, το 15 47% του εξασθενούς χρωμίου παραμένει στους πνεύμονες (ATSDR, 1999). Αυτός μπορεί να είναι ο κύριος παράγοντας, που συμβάλει στην τοξικότητα και ιδιαίτερα στην εμφάνιση καρκίνου (Guertin, 2004). Όσον αφορά σε εκθέσεις του δέρματος, η πιο συνηθισμένη απόκριση είναι μία αλλεργική αντίδραση του δέρματος (αλλεργική δερματίτιδα λόγω επαφής), μετά από έκθεση στο χρώμιο, που περιέχεται σε διάφορα προϊόντα, όπως το τσιμέντο, η μαγιά μπύρας, τα συντηρητικά ξύλου, το αστάρι, η κόλλα και οι χρωστικές ουσίες. Ακόμα και ελάχιστες ποσότητες χρωμικών μπορούν να προκαλέσουν δερματίτιδα σε εκτεθείσες περιοχές του δέρματος, ατόμων που είχαν ερεθιστεί μέσω εργασιακής έκθεσης (Costa, 1997; EHP, 2000). 27

60 Εισαγωγή Μηχανισμός καρκινογένεσης Το εξασθενές χρώμιο αποτελεί την επικίνδυνη μορφή του χρωμίου στα κύτταρα και όχι το τρισθενές χρώμιο. Το εξασθενές χρώμιο, υπό τη μορφή των χρωμικών ιόντων (CrO 2-4 ) και λόγω της δομικής ομοιότητάς του με τα θειικά και τα φωσφορικά ιόντα, εισέρχεται σαν «Δούρειος Ίππος» στα κύτταρα μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, χρησιμοποιώντας το φυσιολογικό σύστημα διακίνησης αυτών των ιόντων. Στο εσωτερικό των κυττάρων αντιδρά με τις αναγωγικές ουσίες, που θα βρει εκεί και ανάγεται σε τρισθενές χρώμιο, το οποίο φαίνεται ότι είναι και ο "πραγματικός κίνδυνος". Η πορεία αναγωγής του εξασθενούς σε τρισθενές χρώμιο εντός του κυττάρου μπορεί να προκαλέσει καταστροφή του DNA, όπως οξειδωτικές βλάβες, θραύση των κλώνων του, σχηματισμό ενώσεων προσθήκης Cr(III) DNA, διακλωνικές συνδέσεις και συνδέσεις πρωτεϊνών DNA. Αντίθετα, οι οκταεδρικής σύνταξης ενώσεις του τρισθενούς χρωμίου, λόγω του όγκου και της δυσδιαλυτότητάς τους, διαπερνούν την κυτταρική μεμβράνη αργά ή και καθόλου. Mε την είσοδο του Cr(VI) στο κύτταρο, αυτό ανάγεται από το πλήθος των αναγωγικών ουσιών και ενζύμων (όπως η γλουταθειόνη) κατά στάδια σε χαμηλότερο επίπεδο σθένους. Τα ενδιάμεσα προϊόντα αναγωγής του χρωμίου με το υπεροξειδίου του υδρογόνου (Η 2 Ο 2 ), ενός φυσικού συστατικού του κυτταροπλάσματος (σε πολύ μικρές βέβαια συγκεντρώσεις), παράγουν δραστικές οξυγονούχες ρίζες (ιδιαίτερα τη ρίζα υδροξυλίου, ΟΗ ), δηλαδή δημιουργούν δραστικά οξυγονούχα σωματίδια, τα γνωστά ως ROS (Reactive Oxygen Species). Το Cr(V), Cr(IV) και Cr(III) αντιδρά με το Η 2 Ο 2 και δημιουργούν τις ρίζες ΟΗ με αντιδράσεις τύπου αντίδρασης Fenton (αντίδραση Fe(II) με το Η 2 Ο 2 όπως: Cr(III) + H 2 O 2 Cr(IV) + OH - + OH. (13) Cr(IV) + H 2 O 2 Cr(V) + OH - + OH. (14) Οι ρίζες OH είναι σε θέση να προκαλέσουν οξειδωτικές βλάβες στο DNA και συγκεκριμένα παρέχουν την οξειδωμένη μορφή της γουανοσίνης, την 8-υδροξυδεοξυγουανοσίνη (8-OHdG) (De Flora et al., 1990; Bridgewater et al., 1994; Xu et al., 1996; De Flora et al., 1997; Voitkun et al., 1998; Bagchi et al., 2002; Wang et al., 2006) (Εικόνα 1.11). 28

61 Εισαγωγή Εικόνα 1.11 Συνοπτικός πιθανός μηχανισμός δράσης βιοχημικής δράσης του Cr(VI) ( 29

62 Εισαγωγή 1.8 Νομοθετικό Ρυθμιστικό πλαίσιο Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζονται συνοπτικά τα όρια, τις οδηγίες και τις αποφάσεις που ισχύουν στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής, στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στη Ελλάδα και αφορούν στο εξασθενές χρώμιο. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην πολιτεία της Καλιφόρνια το 1977 το Τμήμα Δημόσιας Υγείας (California Department of Public Health) θέσπισε ως όριο για το ολικό χρώμιο στο πόσιμο νερό τα 50 μg/l. Η U.S. ΕΡΑ υιοθέτησε το όριο αυτό μέχρι το 1991 όπου και αναθεώρησε το ανώτατο επιτρεπτό όριο του ολικού χρωμίου στο πόσιμο και υπόγειο νερό στα 100 μg/l, θεωρώντας αυτό το επίπεδο ασφαλές για την υγεία του ανθρώπου. Tο Τμήμα Δημόσιας Υγείας της Καλιφόρνιας δεν άλλαξε το όριο συμβαδίζοντας με το όριο της U.S. ΕΡΑ, αλλά στις 1 Ιουλίου 2014 και μετά από δημόσια διαβούλευση θέσπισε ανώτατο επιτρεπτό όριο και για το εξασθενές χρώμιο στα 10 μg/l. Η Ευρωπαϊκή Κοινότητα με την οδηγία 98/83/ΕC έχει θεσπίσει ως ανώτατο επιτρεπτό όριο ολικού χρωμίου στο πόσιμο νερό τα 50 μg/l (EC, 1998). Ωστόσο, δεν υπάρχει θεσμοθετημένο ανώτατο επιτρεπτό όριο ειδικά για το εξασθενές χρώμιο, αλλά θεωρώντας ότι το ολικό χρώμιο αποτελείται εξολοκλήρου από εξασθενές χρώμιο ορίζει ως ανώτατο επιτρεπόμενο όριο τα 50 μg/l. Η Ελλάδα εναρμονίζεται με την οδηγία 98/83/ΕC με την Κ.Υ.Α /2704/Ε103, ορίζοντας ως μέγιστη ποσότητα ολικού χρωμίου στο πόσιμο νερό και τα επιφανειακά ύδατα 50μg/L. Στην ΚΥΑ 4859/7267 ρυθμίζονται οι εκπομπές ολικού χρωμίου από απόβλητα βιομηχανιών σε υδάτινους αποδέκτες, σε συγκεντρώσεις που κυμαίνονται (ανάλογα με τον αποδέκτη: λίμνη, ποτάμι, παράκτια ύδατα) από 0,6 έως 3 mg/l. Τέλος στην Κ.Υ.Α / αναθεωρείται η ποσότητα για το ολικό χρώμιο από βιομηχανικά απόβλητα στα 0.1mg/L. Η έκθεση σε εξασθενές χρώμιο από τον αέρα στον εργασιακό χώρο είναι η πιο σημαντική και επικίνδυνη. Η OSHA (Occupational Safety and Health Administration) και το NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health) των ΗΠΑ έχουν θεσπίσει επιτρεπτά όρια έκθεσης (Permissible Exposure Limits - PELs) και προτεινόμενα όρια έκθεσης (Recommended Exposure Limits - RELs) για τους εργασιακούς χώρους. Το νέο επιτρεπόμενο όριο έκθεσης για το εξασθενές χρώμιο στον αέρα εργασιακού χώρου όπου εκτελούνται συγκολλήσεις μετάλλων ανά οκταώρο (για εβδομάδα 40 ώρες) είναι 5 μg/l, ενώ υπάρχουν δεκάδες ρυθμίσεις κατά 30

63 Εισαγωγή περίπτωση (OSHA). Το επιτρεπόμενο όριο έκθεσης για διάφορες καρκινογόνες ενώσεις του χρωμίου στον αέρα εργασιακού χώρου είναι ακόμα μικρότερο, μόλις 1 μg/l. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα διεθνή όρια καθώς επίσης και οι σημαντικότερες Οδηγίες-Κανονισμοί-ΚΥΑ για το ολικό χρώμιο. Πίνακας 1.5 Οδηγίες-Κανονισμοί-ΚΥΑ για το ολικό χρώμιο. Οδηγίες-Κανονισμοί-ΚΥΑ Οργανισμός NIOSH ↄ N.I.O.S.H. (National Institute ↄ for Occupational Safety and Health) O.S.H.A. (Occupational Safety and Health Administration) Περιγραφή Συνέστησε ανώτατο όριο έκθεσης για το εξασθενές χρώμιο5 μg/l Cr(VI) /8 ώρες έκθεσης εργαζομένων σε εξασθενές χρώμιο σε εργασιακούς χώρους (βιομηχανία). Οδηγία 96/61/ΕΚ (IPPC) Οδηγία 2000/53/ΕΚ (ELV) Απόφαση 2000/479/ΕΚ (EPER) Οδηγία 2002/95/EK (RoHs) Οδηγία 98/83/EC Οδηγία 76/464 Οδηγία 96/61/ΕΚ (IPPC) Αφορά στην πρόληψη και τον έλεγχο της ρύπανσης από βιομηχανικές δραστηριότητες καθώς και αποκατάστασης του περιβάλλοντος από επικίνδυνα χημικά τοξικά προϊόντα. Καθοριζει το μέγιστου ορίο του εξασθενούς χρωμίου για οχήματα εντός της ΕΕ στο 0,1 wt.% Προβλέπει: τη δημιουργία βάσης ώστε το κοινό να έχει πρόσβαση στην πληροφόρηση σε θέματα ρύπανσης του περιβάλλοντος, τη βελτίωση της περιβαλλοντικής επίδοσης των βιομηχανιών τη αξιολόγηση τη προόδου αναφορικά με την τήρηση των περιβαλλοντικών στόχων που έχουν τεθεί μέσω εθνικών και διεθνών συμφωνιών και συμβάσεων Περιορίζοντας αυστηρά ή και τελείως χημικές ουσίες (π.χ: Cr) στον ηλεκτρικό και ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Θέσπιση του ανώτατου επιτρεπτού ορίου για τα ολικό χρώμιο στα 50 μg/l στο πόσιμο νερό. Απομάκρυνση των επικίνδυνων και τοξικών χημικών ενώσεων (π.χ: Cr) από 31

64 Εισαγωγή Κανονισμός (ΕΚ) αριθ. 1907/2006/ΕΚ (Reach) ΚΥΑ 4859/ 726 ΚΥΑ 50388/2704/Ε 103 (ΦΕΚ 1866/Β/03) το υδατικό περιβάλλον. Βελτίωση της προστασίας της ανθρώπινης υγείας και του περιβάλλοντος μέσα από την καλύτερη και πιο έγκαιρη ταυτοποίηση των εγγενών ιδιοτήτων των χημικών ουσιών. Ρύθμιση του ορίου των εκπομπών του ολικού χρωμίου από απόβλητα βιομηχανιών σε υδάτινους αποδέκτες, σε συγκεντρώσεις που κυμαίνονται (ανάλογα με τον αποδέκτη) από 0,6 έως 3 mg/l Θέσπιση ορίων εκπομπών ολικού και εξασθενούς χρωμίου σε ποτάμια και κατάργηση άλλων διατάξεων που αντίκεινται σε αυτήν. 32

65 Εισαγωγή 1.9 Τεχνολογίες απομάκρυνσης χρωμίου από υγρά βιομηχανικά απόβλητα Η απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου από βιομηχανικά απόβλητα είναι μια διαδικασία μεγάλης σημασίας εξαιτίας της διαδεδομένης χρήσης του συγκεκριμένου επικίνδυνου μετάλλου σε πολλές βιομηχανικές χρήσεις. Η επεξεργασία των υγρών αποβλήτων αποβλέπει στην απομάκρυνση, εξουδετέρωση ή κατάλληλη τροποποίηση των επιβλαβών χαρακτηριστικών τους έτσι ώστε εξαλειφθούν ή να ελαττωθούν σε αποδεκτό επίπεδο οι δυσμενείς για τον τελικό αποδέκτη (επιφανειακά νερά, έδαφος, κλπ.) συνέπειες. Η επιλογή της κατάλληλης διαδικασίας απομάκρυνσης χρωμικών από βιομηχανικά απόβλητα πρέπει να πληροί κάποιες προϋποθέσεις, όπως να είναι συμβατή με τις υπάρχουσες εφαρμογές, χαμηλού κόστους, προσαρμοστική στις διακυμάνσεις της ποιότητας και της ποσότητας των υγρών αποβλήτων καθώς και αξιόπιστη. Οι μέθοδοι επεξεργασίας διαχωρίζονται σε φυσικοχημικές και βιολογικές Φυσικοχημικές μέθοδοι επεξεργασίας των υγρών χρωμικών αποβλήτων Οι συμβατικές φυσικοχημικές μέθοδοι απομάκρυνσης των χρωμικών από τα βιομηχανικά απόβλητα είναι η χημική αναγωγή, ανταλλαγή ιόντων, διήθηση, ηλεκτροχημική επεξεργασία, προσρόφηση σε υλικά (π.χ. ενεργός άνθρακας), αντίστροφη όσμωση και μεμβράνες (Krishna and Philip, 2005; El-Sikaily et al., 2007; Mukhopadhyay et al., 2007; Nyer, 2009; Owlad et al., 2009). Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος επεξεργασίας που εφαρμόζεται στα υγρά βιομηχανικά αποβλήτα, τα οποία περιέχουν εξασθενές χρώμιο, είναι αυτή της χημικής αναγωγής και κατακρήμνισης, κατά την οποία το εξασθενές χρώμιο ανάγεται σε τρισθενές και στη συνέχεια ιζηματοποιείται στη μορφή του υδροξειδίου του τρισθενούς χρωμίου [Cr(OH) 3 ](Eckenfelder, 1989). Τα αναγωγικά μέσα που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι ενώσεις θείου και άλατα δισθενούς σιδήρου. Η διεργασία περιλαμβάνει δύο στάδια που πραγματοποιούνται διαδοχικά, αυτό της αναγωγής που γίνεται σε περιβάλλον με ph<3 και αυτό της κατακρήμνισης που γίνεται σε περιβάλλον με ph>3 (Barrera-Diaz et al., 2012). Σε αρκετές μελέτες (Gheju and Iovi, 2006; Chen et al., 2007; Gheju et al., 2008) που έχουν διεξαχθεί, φαίνεται πως για να επιταχυνθεί ο ρυθμός της αντίδρασης αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές, σε υδατικά διαλύματα, απαιτούνται τιμές ph μικρότερες του 3. 33

66 Εισαγωγή Η χρήση αλάτων σιδήρου για τη χημική αναγωγή και κατακρήμνιση είναι ευρέως χρησιμοποιούμενη με τα ποσοστά αφαίρεσης να είναι >99.9% για συγκεντρώση εξασθενούς χρωμίου έως 418 mg/l (Chen et al., 2007). Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της χρήσης της συγκεκριμένης μεθόδου είναι παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ιλύος. Η ιλύς παρουσιάζει δυσκολίες ως προς το χειρισμό της, τη μεταφορά και την τελική διάθεσή της καθώς και του εμπλεκόμενου κόστους (Barrera- Diaz et al., 2012). Κατά την τελευταία δεκαετία μελετήθηκε μία παραλλαγή αυτής της μεθόδου, σε εργαστηριακή κλίμακα, η οποία είναι η αναγωγή και κατακρήμνιση του Cr(VI) από το υγρά απόβλητα σε ένα μόνο στάδιο με ηλεκτροχημική προσθήκη του δισθενούς σιδήρου Fe(II), με τα ποσοτά αφαίρεσης να είναι >99.9% (Mukhopadhyay et al., 2007). Η μέθοδος της ηλεκτροχημικής προσθήκης του δισθενούς σιδήρου πλεονεκτεί της κλασσικής μεθόδου της χημικής αναγωγής και κατακρήμνισης στα εξής: 1) η απουσία των θειικών και χλωρικών ιόντων ελαχιστοποιεί τον ανταγωνισμό των ιόντων στο διάλυμα, 2) μειώνονται οι υπολειμματικές συγκεντρώσεις των μετάλλων, 3) παράγεται μικρότερη ποσότητα λάσπης, 4) η ρύθμιση του ph γίνεται με φυσικό τρόπο από την απελευθέρωση υδροξυλιόντων στο διάλυμα, 5) η παρουσία των υδροξυλιόντων οδηγεί την ισορροπία της αντίδρασης, στο σχηματισμό και την κατακρήμνιση των υδροξειδίων του τρισθενούς χρωμίου και του σιδήρου, 6) η αντίδραση πραγματοποιείται σε λίγα λεπτά από την προσθήκη του σιδήρου και 7) στην περίπτωση που στο υγρό απόβλητο περιέχονται και άλλοι ρύποι απομακρύνονται από το διάλυμα με την κατακρήμνισή τους μέσω διάφορων μηχανισμών (κατακρήμνιση μεταλλικών υδροξειδίων, επιφανειακή συμπλοκοποίηση, προσρόφηση και ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση με την επιφάνεια του υδροξειδίου του σιδήρου) (Mukhopadhyay et al., 2007). Η ηλεκτροχημική μέθοδος είναι μια εναλλακτική μέθοδος επεξεργασίας των λυμάτων, επειδή πολλές βιομηχανίες παράγουν τοξικά υγρά απόβλητα, τα οποία δεν είναι εύκολα βιοδιασπώμενα και απαιτούν δαπανηρές φυσικές ή φυσικοχημικές προεργασίες. Το κύριο αντιδραστήριο των ηλεκτροχημικών μεθόδων είναι το ηλεκτρόνιο, το οποίο αποτελεί ένα «καθαρό αντιδραστήριο». Για το λόγο αυτό οι ηλεκτροχημικές μέθοδοι χαρακτηρίζονται και ως «καθαρές τεχνολογίες» (Barrera- Díaz et al., 2003), ενώ επιτυγχάνουν την άμεση και επιλεκτική ανάκτηση των μετάλλων ως καθαρά μέταλλα ή κράματα. Η ηλεκτροχημική μέθοδος αναγωγής του 34

67 Εισαγωγή εξασθενούς χρωμίου εξαρτάται από το ph του υδατικού διαλύματος, την ένταση της πυκνότητας του ρεύματος και το υλικό του ηλεκτροδίου που χρησιμοποιείται. Ένα σημαντικό μειονέκτημα, όμως, αυτής της μεθόδου είναι η μεγάλη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας, οπότε αυξάνεται το κόστος επεξεργασίας, αλλά και το κόστος του εξοπλισμού που χρειάζεται (Barrera-Diaz et al., 2012). Οι Heidmann and Calmano (2008) σε αντιδραστήρα εργαστηριακής κλίμακας χρησιμοποιώντας την ηλεκτροχική μέθοδο για την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου με ηλεκτρόδιο σιδήρου, κατάφεραν να απομακρύνουν σε ποσοστό >99% για συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου mg/l. Την ηλεκτροχιμική μέθοδο με ηλεκτρόδιο σιδήρου χρησιμοποίησε και ο Martinez et al. (2000) όπου κατάφερε να απομακρύνει συγκεντρώση εξασθενούς χρωμίου, 1700 mg/l, από βιομηχανικά απόβλητα επιμετάλλωσης. Η προσρόφηση είναι η διαδικασία κατά την οποία τα μόρια ενός υγρού ή ενός αερίου συγκρατούνται σε ένα λεπτό επιφανειακό στρώμα ορισμένων στερεών υλικών. Τα υλικά που έχουν την ικανότητα να συγκρατούν μόρια υγρών ή αερίων ονομάζονται προσροφητικά υλικά. Μια ποικιλία φυσικών και συνθετικών υλικών όπως, ενεργός άνθρακας, βιολογικά υλικά, ζεόλιθοι, χιτοζάνη, και βιομηχανικά απόβλητα, έχουν χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση του Cr(VI). Η προσρόφηση χρησιμοποιείται ευρέως για την απομάκρυνση ενώσεων χρωμίου από τα νερά και βιομηχανικά απόβλητα (Owlad et al., 2009). Το πιο μελετημένο προσροφητικό υλικό για την απομάκρυνση του χρωμίου είναι ο ενεργός άνθρακας (Owlad et al., 2009). Η προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα φαίνεται να είναι μία ελκυστική μέθοδος για την απομάκρυνση του χρωμίου, εξαιτίας των ιδιοτήτων του όπως η επιφάνεια (κυμαίνεται από 500 έως 1500 m 2 /g), μια καλά ανεπτυγμένη εσωτερική δομή μικροπορώδες, και έναν υψηλό βαθμό επιφανειοδραστικής ικανότητας σε σχέση με τα υπόλοιπα προσροφητικά υλικά (Mohan and Pittman, 2006). Ο ενεργός άνθρακας είναι μια ακατέργαστη μορφή γραφίτη με μια τυχαία ή άμορφη δομή, η οποία είναι ιδιαίτερα πορώδης, παρουσιάζοντας ένα ευρύ φάσμα πόρων, από τις ορατές ρωγμές και τις σχισμές των μοριακών διαστάσεων. Ο ενεργός άνθρακας παρασκευάζεται από το κέλυφος καρύδας, το κέλυφος φουντούκιου, τον ξύλινο προσροφητικό άνθρακα, τη λιγνίνη, την τύρφη, το πριονίδι, το φλοιό του ρυζιού, τη ζάχαρη, τα ψάρια, τα απόβλητα των λιπασμάτων, τα απόβλητα ελαστικών από καουτσούκ (Mohan and Pittman, 2006). 35

68 Εισαγωγή Με βάση το μέγεθος και το σχήμα του ενεργού άνθρακα ταξινομείται σε τέσσερις τύπους: σκόνη-ενεργού άνθρακα (Powder-Activated Carbon - PAC), κοκκώδηςενεργού άνθρακα (Granular Activated Carbon - GAC), ινώδη ενεργού άνθρακα (Activated Carbon Fibrous - ACF), και ενεργοποιημένου άνθρακα τύπου Zorflex (Activated Carbon Clothe (Zorflex) - ACC). Λόγω των διαφορετικών πρώτων υλών, τον βαθμό της χημικής ενεργοποίησης, και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, κάθε τύπος ενεργού άνθρακα έχει ειδική εφαρμογή, καθώς επίσης πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα στην επεξεργασία των λυμάτων (Babel and Kurniawan, 2004). Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, ο ενεργός άνθρακας μπορεί να απομακρύνει υψηλές συγκεντρώσεις (έως 400 mg Cr(VI) /L). Όμως, παρά το γεγονός αυτό, σε καμία βιβλιογραφία έως σήμερα δεν αναφέρεται η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης χαμηλών συγκεντρώσεων χρωμίου από το πόσιμο νερό (Mohan and Pittman, 2006). Διάφορες εργασίες έχουν πραγματοποιηθεί για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων που περιέχουν χρώμιο με χρήση ενεργού άνθρακα. Ο Pérez-Candela et al. (1995) χρησιμοποίησαν διαφορετικούς τύπους ενεργού άνθρακα τύπου PAC, οι οποίοι ήταν από διαφορετικές πρώτες ύλες, για την απομάκρυνση Cr (VI) από βιομηχανικά απόβλητα. Διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία προσρόφησης εξαρτάται από την προεπεξεργασία του ενεργού άνθρακα ενώ μεγαλύτερη ικανότητα μείωσης του ρύπου είχαν οι τύποι PAC εκείνοι όπου η ενεργοποίηση γινόταν φυσικά ή θερμικά. Οι Sharma and Forster (1996) μελέτησαν την απομάκρυνση του Cr (VI) από υδατικό διάλυμα χρησιμοποιώντας ενεργό άνθρακα τύπου GAC-Filtrasorb 400. Η ικανότητα προσρόφησης που επιτεύχθηκε ήταν 145 mg Cr(VI)/g σε ένα εύρος pη από Ενώ ο Hamadi et al. (2001) χρησιμοποιώντας τον ίδιο τύπο ενεργού άνθρακα GAC- Filtrasorb 400 παρατήρησαν ότι η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων αυξάνει την διαθέσιμη επιφάνεια για την προσρόφηση των μετάλλων και αυτό οδηγεί σε υψηλότερη ικανότητα απομάκρυνσης του Cr(VI). Αναφέρθηκε επίσης ότι η προσρόφηση του Cr(VI) ήταν ευνοϊκότερη σε υψηλότερη θερμοκρασία. Ο ενεργός άνθρακας αποτελεί μία αποτελεσματική τεχνολογία απομάκρυνσης για το τοξικό χρώμιο. Η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα επιτυχής, αλλά το υψηλό κόστος του ενεργού άνθρακα καθώς και το γεγονός ότι η προσρόφηση του χρωμίου είναι άμεσα συνδεδεμένη με το ph και απαιτείται χημική και θερμική αναγέννηση του άνθρακα, την καθιστούν δύσκολα εφαρμόσιμη σε μεγαλύτερη κλίμακα (Hawley & al., 2004). 36

69 Εισαγωγή Ανάμεσα στις φυσικοχημικές μεθόδους που έχουν μελετηθεί πολύ τα τελευταία χρόνια για την απομάκρυνση του χρωμίου από βιομηχανικά λύματα, είναι η ιοντοεναλλαγή. Οι διεργασίες ιοντοεναλλαγής είναι κατά βάση μεταθετικές χημικές αντιδράσεις μεταξύ ενός ηλεκτρολύτη διαλυμένου στη ρευστή φάση και ενός αδιάλυτου ηλεκτρολύτη (στερεά φάση) με τον οποίο το διάλυμα έρχεται σε επαφή (Allen and Ming, 1995). Στην ιοντοεναλλαγή χρησιμοποιείται μια στερεά φάση η οποία περιέχει δεσμικές ομάδες (bound groups) που φέρουν ιοντικό φορτίο (- ή +) συνοδευόμενο από ανταλλάξιμα ιόντα αντίθετου φορτίου (Mumpton and Fishman, 1977). Η στερεά φάση μπορεί να είναι ζεόλιθοι, ρητίνες, πολυστυρένιο και άλλα συνθετικά πολυμερή (Owlad et al., 2009). Έτσι υπάρχει η δυνατότητα να ανταλλάξει τα ιόντα που περιέχει η στερεά φάση με κάποια διαφορετικά ιόντα που περιέχονται στην υγρή φάση. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορα είδη ρητινών (Downex 2-X4, Ambersep και aliquat 336) για να εξεταστεί η ανάκτηση του εξασθενούς χρωμίου από βιομηχανικά απόβλητα, με τα ποσοστά αφαίρεσης να είναι 100%. Η χρήση συστημάτων προεπεξεργασίας για την απομάκρυνση των αιωρούμενων στερεών αποτελεί ένα σημαντικό μειονέκτημα για τη εφαρμογή της μεθόδου. Επιπλέον, είναι υψηλό επίσης το πάγιο και λειτουργικό κόστος της μεθόδου (Owlad et al., 2009). Μια άλλη βασική μέθοδος η οποία έχει λάβει μια σημαντική προσοχή στην επεξεργασία των υγρών αποβλήτων είναι η διήθηση με μεμβράνες. Διάφοροι τύποι μεμβρανών, όπως οι ανόργανες (κεραμικά υλικά ή ζεόλιθοι), οι πολυμερικές (με ανάκτηση του διαλύτη) και οι υγρές (υψηλή εκλεκτικότητα) είναι ικανές να χρησιμοποιηθούν για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων, όπως το εξασθενές χρώμιο (Owlad et al., 2009) Μειονεκτήματα φυσικοχημικών μεθόδων επεξεργασίας χρωμικών αποβλήτων Οι φυσικοχημικές μέθοδοι επεξεργασίας χρωμικών αποβλήτων, παρά τα μεγάλα ποσοστά απομάκρυνσης του εξασθενούς χρωμίου (>99%), δεν κρίνονται πάντα αποτελεσματικές ενώ σημαντικά είναι τα μειονεκτήματα τους καθιστώντας αυτές μη ελκυστικές. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα είναι: 1. Το υψηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος. 2. Η προεπεξεργασία του αποβλήτου. 37

70 Εισαγωγή 3. Η παραγωγή τοξικής λάσπης ή άλλων αποβλήτων που απαιτούν περαιτέρω επεξεργασία καθώς επίσης και η δύσκολη διάθεσή της. 4. Η ανάγκη για μεγάλες ποσότητες χημικών αντιδραστηρίων. 5. Οι υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις. 6. Βέλτιστες αποδόσεις σε χαμηλά ph (ph~2) (Demir and Arisoy, 2007; Owlad et al., 2009; Barrera-Diaz et al., 2012). Εξαιτίας αυτών των προβλημάτων είναι επιτακτική η ανάγκη επεξεργασίας των διαφόρων βιομηχανικών αποβλήτων που περιέχουν χρώμιο με άλλες διεργασίες. Η ανάπτυξη διεργασιών χαμηλού κόστους, τόσο οικονομικού όσο και περιβαλλοντικού, είναι επιβεβλημένη Βιολογικές μέθοδοι επεξεργασίας υγρών χρωμικών αποβλήτων Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται μεγάλο ενδιαφέρον στη μελέτη βιολογικών διεργασιών, για την επεξεργασία των υγρών χρωμικών αποβλήτων. Η εφαρμογή βιολογικών συστημάτων επεξεργασίας με τη χρήση κατάλληλα επιλεγμένης βιομάζας (χρώμιο-ανθεκτικούς μικροοργανισμούς) επιτρέπει την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, μετατρέποντας το στο λιγότερο επικίνδυνο τρισθενές χρώμιο, μέσω κυτταρικών δραστηριοτήτων των μικροοργανισμών. Οι μικροοργανισμοί αυτοί μπορεί να είναι βακτήρια(stasinakis et al., 2002; Zouboulis et al., 2004), μύκητες (Hamadi et al., 2001; Sağ, 2001), ζύμες(shen and Wang, 1994; Krauter et al., 1996) ή άλγη (Muñoz and Guieysse, 2006). Οι μικροοργανισμοί χρησιμοποιούν διάφορες διεργασίες για να ανάγουν το εξασθενές χρώμιο σε τρισθενές. Οι βασικές διεργασίες, με τις οποίες αλληλεπιδρούν οι μικροοργανισμοί με τοξικά μέταλλα καθιστώντας δυνατή την απομάκρυνση ή/και ανάκτησή τους, είναι η βιο-συσσώρευση, η βιορρόφηση και η μικροβιακή αναγωγή (Sharma and Forster, 1993; Shen and Wang, 1993; Fude et al., 1994; Srinath et al., 2002). Πολλοί είναι οι παράγοντες που επηρεάζουν το ρυθμό της βιολογικής αναγωγής Cr(VI), όπως: α) η αρχική συγκέντρωση της βιομάζας (Shen and Wang, 1995a; Stasinakis et al., 2002; Chen and Gu, 2005), β) η αρχική συγκέντρωση του Cr(VI) (Stasinakis et al., 2004; Orozco et al., 2010), γ) το pη, δ) η θερμοκρασία, ε) το δυναμικό οξειδοαναγωγής (Wu et al., 2010; Ye et al., 2010). Επίσης, η παρουσία της κατάλληλης πηγής άνθρακα μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη ανάπτυξη των μικροοργανισμών και τη βέλτιστη απομάκρυνση του Cr(VI) (Orozco et al., 2010; 38

71 Εισαγωγή Tekerlekopoulou et al., 2010; Contreras et al., 2011; Mrudula et al., 2012; Field et al., 2013). Αλλαγές σε αυτές τις παραμέτρους μπορεί να προκαλέσουν αλλαγές στο μικρο-περιβάλλον των μικροοργανισμών με αποτέλεσμα τη μείωση της ικανότητας στην απομάκρυνση του ρύπου. Η μικροβιακή αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου λαμβάνει χώρα είτε άμεσα ενζυμικά, είτε έμμεσα μέσω της παραγωγής υδροθείου, το οποίο αντιδρά με το εξασθενές χρώμιο και καθιζάνει ως σουλφίδιο του χρωμίου (Cr 2 S 3 )(Losi et al., 1994). Η άμεση μικροβιακή αναγωγή μπορεί να είναι αερόβια (Garbisu et al., 1998; Pal et al., 2005), αναερόβια (Pattanapipitpaisal et al., 2001) ή/και τα δύο μαζί (McLean and Beveridge, 2001). Η αερόβια μικροβιακή αναγωγή, πραγματοποιείται στο κυτταρόπλασμα (μέσα ή έξω) ή στο διαλυτό κλάσμα του κυττάρου με την δράση διαλυτών ενζύμων (αναγωγάσες του χρωμίου) με συμπαράγοντες NADH ή NADPH και χρειάζονται την προσθήκη πηγής άνθρακα (Campos et al., 1995; Cervantes et al., 2001). Η αναερόβια μικροβιακή ενζυμική αναγωγή, χρησιμοποιεί το εξασθενές χρώμιο ως δέκτη ηλεκτρονίων, στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και πραγματοποιείται στην κυτταρική μεμβράνη (Wang et al., 1990; McLean and Beveridge, 2001). Τέλος, η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου μπορεί να πραγματοποιηθεί και μέσω χημικών αντιδράσεων σχετιζομένων με ενώσεις που υπάρχουν στο ενδο/εξω κυτταρικό περιβάλλον, όπως τα αμινοξέα, τα νουκλεοτίδια, τα σάκχαρα, οι βιταμίνες, τα οργανικά οξέα ή γλουταθειόνη (Dhal et al., 2013). Η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου είναι στην πραγματικότητα μία αντίδραση οξειδοαναγωγής, επομένως απαιτεί τη παροχή ηλεκτρονίων (Pal et al., 2005). Στη βιβλιογραφία η άμεση μικροβιακή αναγωγή, υπό αερόβιες συνθήκες, έχει αναφερθεί από τους Pal and Paul (2004) χρησιμοποιώντας το βακτήριο Bacillus sphaericus AND 303 το οποίο απομονώθηκε από έδαφος που περιείχε χρώμιο, στην Ινδία. Η πηγή άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε ήταν η γλυκόζη (4g/L) με ποσοστό αναγωγή να είναι στο 88%. Οι βέλτιστες συνθήκες pη και θερμοκρασία για την αναγωγή ήταν 6.0 και 25 C, αντίστοιχα. Ο Pattanapipitpaisal et al. (2001) μελέτησε την άμεση αναγωγή, υπο αναερόβιες συνθήκες, με τη χρήση του βακτηριακού στελέχους Microbacterium sp., το οποίο απομονώθηκε από απόβλητα βυρσοδεψίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αναγωγή του Cr(VI) μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο αναερόβια. Οι McLean and Beveridge (2001) απομόνωσαν ένα είδος ψευδομονάδας (CRB5) από εγκαταλειμμένο 39

72 Εισαγωγή εργοστάσιο συντήρησης ξύλου όπου μπορούσε να πραγματοποιηθεί η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου κάτω από αερόβιες αλλά και αναερόβιες συνθήκες. Το CRB5 απομάκρυνε 23 mg Cr(VI)/L, υπό την παρουσία χαλκού και αρσενικού. Τέλος, ο Srinath et al. (2002) απομόνωσε από λύματα βυρσοδεψείου 8 διαφορετικά βακτήρια (πέντε του γένους Aerococcus sp., δύο του γένους Micrococcus sp. και ένα του γένους Aeromonas sp.) τα οποία ανάγουν το εξασθενές χρώμιο τόσο υπό αερόβιες όσο και από αναερόβιες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της αναγωγής ήταν καλύτερα στις αναερόβιες συνθήκες με ποσοστό μείωσης 70-90%, για συγκεντρώσεις έως 400 mg/l. Την έμμεση αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, με χρήση ωστόσο μεικτής καλλιέργειας, μελέτησε ο Fude et al. (1994) με ποσοστά αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου να κυμαίνονται μεταξύ 80 και 95% για μεγάλος εύρος αρχικών συγκεντρώσεων από 50 έως 2000 ppm. Την έμμεση αναγωγή παρατήρησε και ο Viera et al. (2003) με την χρήση των μικροοργανισμών, Acidithiobacillus thiooxidans και Desulfovibrio sp.. Αρχικά, χρησιμοποιώντας την οξείδωση του θείου ως πηγή ενέργειας κάτω από αερόβιες συνθήκες παράγονται θειικά σύμπλοκα που δρουν ως αναγωγικοί παράγοντες με την βοήθεια του Acidithiobacillus thiooxidans. Στη συνέχεια ακολουθεί η κατακρήμνιση του Cr(III) από τον Desulfovibrio sp. υπό αναερόβιες συνθήκες, σχηματίζοντας ιζήματα φωσφορικού και θειικού χρωμίου. Οι δύο αυτές διαδικασίες λειτουργούν διαδοχικά υπό συνθήκες συνεχούς ροής για την έμμεση αναγωγή του χρωμίου (Viera et al., 2003). Η βιοσυσσώρευση αποτελείται από τρεις φάσεις. Αρχικά μία γρήγορη φάση που περιλαμβάνει τη φυσική προσρόφηση ή ιον-ανταλλαγή του χρωμίου στην κυτταρική επιφάνεια, στη συνέχεια τη μετακίνηση του χρωμίου εντός του κυττάρου και τέλος την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές (η ενδοκυτταρική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές είναι γνωστή ως ο κύριος μηχανισμός αποτοξίνωσης) (Gadd, 1990; Donmez and Kocberber, 2005). Η βιοσυσσώρευση συνοδεύεται από μια ποικιλία μηχανισμών ικανών να τροποποιήσουν γενετικά τα κύτταρα και να επιφέρουν αλλαγές στα μορφολογικά και φυσιολογικά τους χαρακτηριστικά (Langley and Beveridge, 1999; Mejáre and Bülow, 2001). Διάφορες μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί μελετώντας τη βιοσυσσώρευση (Badar et al., 2000; Saxena et al., 2000; Srinath et al., 2002; Zouboulis et al., 2004) με τα ποσοστά απομάκρυνσης του εξασθενούς χρωμίου να είναι >90%. 40

73 Εισαγωγή Η βιορρόφησης/βιοπροσρόφηση είναι μια διαδικασία απομάκρυνσης των τοξικών μετάλλων από τα υγρά απόβλητα η οποία, βασίζεται στην ικανότητα δέσμευσης του μετάλλου από διάφορα βιολογικά υλικά. Είναι ανεξάρτητη από τον μεταβολισμό των μικροοργανισμών και έτσι μπορεί να πραγματοποιηθεί τόσο σε ζωντανά κύτταρα μέσω μεταβολικών ή φυσικοχημικών διαδικασιών πρόσληψης, όσο και από ορισμένες μορφές ανενεργής, νεκρής, μικροβιακής βιομάζας (Vankar and Bajpai, 2007). Η βιοπροσρόφηση βασίζεται σε μηχανισμούς όπως η σύζευξη, η ανταλλαγή ιόντων και η μικροκαθίζηση, λειτουργώντας συνεργικά ή ανεξάρτητα (Hu et al., 1996). Τα πλεονεκτήματα της διαδικασία βιορρόφησης είναι η επαναχρησιμοποίηση της βιομάζας, η απομάκρυνση των μετάλλων από λύματα ανεξάρτητα από την τοξικότητά τους, ο σύντομος χρόνος λειτουργίας (~90 λεπτά). Σημαντικό πλεονέκτημα είναι επίσης, ότι δεν παράγονται δευτερογενείς ενώσεις οι οποίες μπορεί να είναι τοξικές καθώς και το χαμηλό κόστος της μεθόδου (Hu et al., 1996; Srinath et al., 2002). Επίσης και άλλα βιο-προσροφητικά μέσα έχουν χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική μείωση των ιόντων του χρωμίου από τα βιομηχανικά λύματα. Τα υλικά αυτά προέρχονται από χαμηλού κόστους γεωργικά απόβλητα (υπό-προϊόντα), όπως: κέλυφος φουντουκιού, αμυγδάλου και καρυδιού, ελαιοπυρήνας, κάκτος, πευκοβελόνες και πριονίδια (Owlad et al., 2009). Τα καλύτερα αποτελέσματα αφαίρεσης του εξασθενούς χρωμίου παρουσιάζει το κέλυφος φουντουκιού με ποσοστό 99.4% (Cimino et al., 2000) και 88.4% (Pehlivan and Altun, 2008). 41

74 Εισαγωγή Μηχανισμός αερόβιας ενζυμικής αναγωγής Τις δεκαετίες τελευταία έχει μελετηθεί ο μηχανισμός της άμεσης-ενζυματικής αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές χρώμιο, σε επίπεδο τόσο βακτηρίων όσο και μυκήτων. Ο προσδιορισμός των διεργασιών και ο ρόλος όλων των οργανιδίων που συμμετέχουν στη αναγωγή θα βοηθήσει στην κατανόηση της διεργασίας, έτσι ώστε να εφαρμόστεί για την βιοαποκατάσταση και αποτοξικοποίηση μιας περιοχής, ως μια φιλική περιβαλλοντική μέθοδος. Τα ένζυμα που είναι υπεύθυνα για την άμεση αναγωγή του χρωμίου δεν έχουν χαρακτηρισθεί καλά μέχρι σήμερα (Pal et al., 2005). Η ενζυμική αναγωγή λαμβάνει χώρα σε διαφορετικά σημεία του κυττάρου (κυτταρόπλασμα, διαλυτό κλάσμα του κυττάρου, κυτταροπλασματική μεμβράνη, περίπλασμα) και εξαρτάται από το είδος του μικροοργανισμού (βακτήρια, μύκητες) και από τις συνθήκες της καλλιέργειας (αερόβια ή αναερόβια διαδικασία) ή του μικροπεριβάλλοντος στo οποίo αναπτύσσεται ο μικροοργανισμός (Cheung and Gu, 2007; Ramirez-Diaz et al., 2008). Η κυτταρική μεμβράνη των μικροοργανισμών είναι σχεδόν αδιαπέραστη από το τρισθενές χρώμιο, και συνεπώς η τοξικότητά του είναι περίπου χίλιες φορές μικρότερη από του εξασθενούς χρωμίου (Lofroth and Ames, 1978). Το εξασθενές χρώμιο, ως χρωμικό ιόν, λόγω δομικής ομοιότητας με τα θειικά και τα φωσφορικά ιόντα, εισέρχεται σαν "Δούρειος 'Ιππος" στα κύτταρα μέσω της κυτταρικής μεμβράνης χρησιμοποιώντας το φυσιολογικό σύστημα διακίνησης αυτών των ιόντων (Ohtake et al., 1987; Cervantes and Silver, 1992; Silver et al., 2001). Στο εσωτερικό των κυττάρων αντιδρά με τις με τις εσωκυτταρικές αναγωγάσες (π.χ. ασκορβικό οξύ και γλουταθειόνη) με αποτέλεσμα το σχηματισμό των ασταθών ενδιάμεσων του πεντασθενούς χρωμίου ή/και του τετρασθενούς χρωμίου, των ελεύθερων ριζών και του τελικού προϊόντος του τρισθενούς χρωμίου(costa, 2003; Xu et al., 2004; Xu et al., 2005). Το πεντασθενές χρώμιο υφίσταται έναν κύκλο οξείδωσης με ένα ηλεκτρόνιο απελευθερώνοντας εξασθενές χρώμιο. Κατά την διαδικασία αναγωγής μέσα στο κύτταρο παράγονται δραστικά οξυγονούχα σωματίδια, τα γνωστά ως ROS (Reactive Oxygen Species) που εύκολα συνδέονται με τα σύμπλοκα DNA-πρωτεϊνών. Το τετρασθενές χρώμιο δεσμεύεται στο κυτταρικό υλικό αποτρέποντας τις φυσιολογικές λειτουργίες του κυττάρου (Pesti et al., 2000; Cervantes et al., 2001). To 42

75 Εισαγωγή τρισθενές χρώμιο που προκύπτει από την αναγωγή του εξασθενούς βρίσκεται μέσα στο κύτταρο, κυρίως στη μορφή του δυσδιάλυτου Cr(OH) 3 (Shen and Wang, 1994). Το Σχήμα 1.6 περιγράφει τα διάφορα μονοπάτια που μπορεί να ακολουθήσει το εξασθενές χρώμιο αφού εισέλθει στο κύτταρο ενώ στο Σχήμα 1.7 παρουσιάζονται οι πιθανοί μηχανισμοί αερόβιας και αναερόβιας διαδικασίας με την βοήθεια διάφορων ενζύμων για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές (Cheung and Gu, 2007). Σχήμα 1.6 Σχηματικό διάγραμμα της τοξικότητας και μεταλλαξιογόνος δράση του εξασθενούς χρωμίου (Cheung and Gu, 2007). 43

76 Εισαγωγή Σχήμα 1.7 Πιθανοί μηχανισμοί ενζυμικών Cr(VI) μείωση υπό από αερόβιες και αναερόβιες συνθήκες. Τα ένζυμα που εμπλέκονται στην αναγωγή του Cr(VI) σε Cr(III) απεικονίζονται σε τετραγωνάκια. Διαλυτή αναγωγάση (SR), αναγωγάση της μεμβράνης (MR). (Cheung and Gu, 2007). Στη βιβλιογραφία πολλά χρώμιο-ανθεκτικά βακτήρια έχουν απομονωθεί από διάφορες πηγές. Το κάθε ένα από αυτά έχει διαφορετικούς μηχανισμούς αποτοξικοποίησης του Cr(VI). Το βακτήριακό είδος Bacillus QC1-2 (Campos et al., 1995), και Shewanella putrefaciens MR-1(Myers et al., 2000), ανάγουν το εξασθενές χρώμιο στο κυτταρόπλασμα. Τα βακτήρια Pseudomonas putida (Ishibashi et al., 1990), Bacillus sp. ES 29 (Camargo et al., 2003), και Bacillus sphaericus AND 303 (Pal et al., 2005) να πραγματοποιούν την αναγωγή στο διαλυτό κλάσμα του κυττάρου, ενώ το βακτήρια Enterobacter cloacae HO1 (Wang et al., 1990), Bacillus megaterium TKW3 (Cheung et al., 2006), Pseudomonas maltophilia O-2 (Blake et al., 1993) και το Pseudomonas fluorescens LB300 (Bopp and Ehrlich, 1988) η αναγωγή να πραγματοποιείται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Το βακτήριο Vibrio fischeri πραγματοποιεί την αναγωγή εξωκυτταρικά από την έκκριση μεταβολιτών που έχουν αναγωγικές ιδιότητες (Fulladosa et al., 2006). 44

77 Εισαγωγή Η εξωκυτταρική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου έχει αναφερθεί και για μύκητες. Πιο συγκεκριμένα, o Ramírez-Ramírez et al. (2004) απομόνωσε διάφορους μύκητες, Candida albicans, Saccharomyces cerevisiae, Yarrowia lipolytica και Candida maltosa, από εργοστάσιο βυρσοδεψίας. Από αυτούς μόνο ο Candida maltosa έδειξε να μπορεί να ανάγει το εξασθενές χρώμιο εξωκυτταρικά με διαλυτές πρωτεΐνες. Για την εξωκυτταρική ικανότητα αναγωγής του εξασθενούς χρώμιου εξετάστηκαν και οι μύκητες Saccharomyces cerevisiae, Pichia guilliermondii ATCC 20191, Rhodotorula pilimanae D-76, Yarrowia lipolytica VKM Y-917 και Hansenula polymorpha 356 από την Ksheminska et al. (2006). Η αναγωγική τους ικανότητα πιστεύεται ότι οφείλεται σε μικρομοριακά προϊόντα που εκκρίνουν τα κύτταρα των μυκήτων, επιτρέποντας την εξωκυτταρική αναγωγή του χρωμίου. Η ροή αυτών των μεταβολικών μικρομοριακών προϊόντων εξαρτάται από τη συγκέντρωση του οργανικού υποστρώματος στο μέσο ανάπτυξής τους. Η αύξηση της συγκέντρωσης της σακχαρόζης (πηγή άνθρακα) βελτίωσε την αναγωγική ικανότητα, γεγονός που οφείλεται στη βελτίωση της εκκριτικής ικανότητας των μυκήτων, όταν αυτοί αναπτύσσονται σε υψηλές συγκεντρώσεις άνθρακα. 45

78 Εισαγωγή 1.10 Αγροτοβιομηχανικά απόβλητα Οι αγροτοβιομηχανίες είναι συνήθως μικρές μονάδες, οι οποίες επεξεργάζονται αγροτικά προϊόντα με στόχο την παραγωγή βρώσιμων αγαθών. Ανάλογα με το είδος των παραγόμενων αγαθών γίνεται η κατηγοριοποίησή τους ως εξής: α) γαλακτοβιομηχανίες, β) κονσερβοποιίες, γ) ζυθοποιίες και οινοποιίες, δ) βιομηχανίες παραγωγής και συσκευασίας κρέατος (συμπεριλαμβανομένων των κτηνοτροφικών μονάδων και των ορνιθοτροφείων), ε) βιομηχανίες παραγωγής ζάχαρης και στ) βιομηχανίες παραγωγής ποικίλων τροφών όπως καφές, ρύζι, κλπ. (Καραδήμα, 2009). Η παραγωγική διαδικασία περιλαμβάνει συνήθως ένα αρχικό στάδιο καθαρισμού της πρώτης ύλης, στάδιο απομάκρυνσης των προσμίξεων, το στάδιο της κύριας επεξεργασίας για την παραγωγή του προϊόντος και το τελικό στάδιο της συσκευασίας. Ταυτόχρονα παράγονται απόβλητα τα οποία προέρχονται από απώλειες πρώτης ύλης, απώλειες προϊόντος, νερά πλύσης, συμπύκνωσης και ψύξης και κυρίως από τα υπολείμματα τα οποία προκύπτουν κατά της επεξεργασία της πρώτης ύλης. Τα αγροτοβιομηχανικά απόβλητα/παραπροϊόντα περιέχουν οργανικό φορτίο σε συγκεντρώσεις που ποικίλουν σημαντικά ανάλογα με την πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται, αλλά και ανάλογα με το είδος του παραγόμενου προϊόντος. Σε πολλές περιπτώσεις οι αγροτοβιομηχανίες έχουν περιοδική λειτουργία κατά τη διάρκεια του έτους, με συνέπεια την εποχιακή παραγωγή αποβλήτων, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη βιολογική τους επεξεργασία Μελάσα Το κύριο προϊόν της Ελληνικής Βιομηχανίας Ζάχαρης είναι η λευκή κρυσταλλική ζάχαρη, που παράγεται από την επεξεργασία των ζαχαρότευτλων. Τα κύρια παραπροϊόντα που προκύπτουν από την παραγωγή της ζάχαρης είναι τα υπολείμματα των τεύτλων και η μελάσα. Η μελάσα αποτελεί το τελικό σιρόπι της φυγοκέντρισης (Εικόνα 1.12), το οποίο είναι τόσο χαμηλής καθαρότητας, ώστε να μην είναι οικονομικά συμφέρουσα η κρυστάλλωσή του. Η ποσότητα της μελάσας που λαμβάνεται και η ποιότητά (σύνθεση) της, εξαρτάται από τη φύση των τεύτλων (τοπικές συνθήκες ανάπτυξης και αποτέλεσμα του καιρού) και από την επεξεργασία (αποτελεσματικότητα του καθαρισμού του χυμού, μέθοδος κρυστάλλωσης κατά τη διάρκεια του βρασμού και διαχωρισμός των κρυστάλλων ζάχαρης από το χαμηλής ποιότητας μάγμα) στο 46

79 Εισαγωγή εργοστάσιο της ζάχαρης. Από την επεξεργασία 1000 τόνων τεύτλων με περιεκτικότητα σε ζάχαρη 14.5% παράγονται (ΕΒΖ, 2009): τόνοι ζάχαρη ( %) (Κύριο προϊόν) 40 τόνοι μελάσα (περιεκτικότητας σε σακχαρόζη 47%) (Παραπροϊόν) τόνοι ζαχαρόπιτα (Παραπροϊόν) Στην Ελλάδα οι καλλιεργούμενες εκτάσεις με ζαχαρότευτλα είναι στρέμματα παράγοντας: 1.4 εκατομμύρια τόνοι τεύτλων τόνοι ζάχαρης τόνοι μελάσας τόνοι ζαχαρόπιτας Στην Ευρωπαϊκή Ένωση παράγονται περίπου κάθε χρόνο εκατομμύρια τόνοι ζάχαρης με αποτέλεσμα την παραγωγή 5.66 εκατομμύρια τόνους μελάσας. Ενώ παγκοσμίως παράγονται 100 εκατομμύρια τόνοι ζάχαρης και εκατομμύρια τόνοι μελάσας. Το κόστος της μελάσας ως παραπροϊόν είναι 0.13 /Kg. Τα παραγόμενα υγρά απόβλητα (μελάσα και ξεπλύματα από την παραγωγική διαδικασία) μετά την εξυγίανσή τους με βιολογικό καθαρισμό (φιλτράρισμα και εν συνεχεία παραμονή σε αερόβιες και αναερόβιες χωματοδεξαμενές), καταλήγουν στο φυσικό αποδέκτη (ποτάμια-χείμαρροι) ή διατίθενται προς άρδευση των γύρω χωραφιών. Η ζαχαρόπιτα που παράγεται δίνεται για ζωοτροφή. Εικόνα 1.12 Μελάσα ( 47

80 Εισαγωγή Η μελάσα περιέχει όλα τα μη σάκχαρα των τεύτλων τα οποία δεν απομακρύνονται κατά τη διαδικασία καθαρισμού του χυμού, τα διαλυτά συστατικά που προστίθενται κατά την παραγωγή της ζάχαρης και τα προϊόντα αποικοδόμησης που δημιουργούνται στα διάφορα στάδια παραγωγής. Λόγω της περιεκτικότητάς της σε σουκρόζη, η μελάσα χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές χρήσεις. Περιέχει περίπου 50% ζάχαρη (σουκρόζη) και γι αυτό χρησιμοποιείται ως υπόστρωμα ζυμωτικών διεργασιών για την παραγωγή αλκοολών (βουτανόλης, αιθανόλης, 2,3- βουτανοδιόλης), ακετόνης, δεξτράνης (πολυσακχαρίτης), κιτρικού οξέος, γλουταμινικού οξέως και αμινοξέων (π.χ. λυσίνης). Ακόμη, λόγω της υψηλής θρεπτικής αξίας της, χρησιμοποιείται και ως ζωοτροφή, μετά την ενσωμάτωσή της στην ξηρή ή υγρή πούλπα. Η χημική σύνθεση της μελάσας διαφέρει ανάλογα με την ποιότητα και τον τρόπο επεξεργασίας των ζαχαρότευτλων. Τα συστατικά της μελάσας διακρίνονται σε: κύρια συστατικά (νερό, σάκχαρα, μη σάκχαρα) και δευτερεύοντα συστατικά (ιχνοστοιχεία, βιταμίνες και άλλες ουσίες). Το ph κυμαίνεται από 7.2 έως 8.5, ενώ η πυκνότητά της από 1.38 έως 1.42 g/cm 3. Τα κυριότερα συστατικά της μελάσας αναφέρονται στον Πίνακα 2.1 (Olbrich, 1963; Χατζηαντωνίου, 2011). Πίνακας 1.6 Αναλυτικά Στοιχεία Μελάσας (Διεύθυνση Τεχνικών Υπηρεσιών ΕΒΖ, Χαρακτηριστικά Τιμές Βαθμοί Brix (Degrees Brix) Bx % πόλωση (Polarization) Pol % Ολικά σάκχαρα % % Ιμβερτοσάκχαρο % ph Τέφρα % Πυκνότητα gr/cm 3 Η μελάσα εξαιτίας της μεγάλης ποσότητας σε ζάχαρη (περιέχει περίπου 50%) μπορεί χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές όπως: ως υπόστρωμα ζυμωτικών διεργασιών για την παραγωγή αλκοόλης, ζυμών διατροφής ή ζωοτροφής, κιτρικού 48

81 Εισαγωγή οξέος, γλουταμινικού οξέος, αμινοξέων (π.χ. λυσίνης) καθώς επίσης και για πρόσμιξη στις ζωοτροφές. Ακόμα, η μελάσα χρησιμοποιείται επίσης και για την παραγωγή ρούμι ή οινοπνεύματος. Η βρώσιμη μελάσα είναι ραφιναρισμένη, για αυτό και η γεύση της είναι πολύ πιο φίνα από της ακατέργαστης. Χρησιμοποιείται ως γλυκαντική ουσία, αντί της ζάχαρης ή του μελιού, γιατί έχει πολύ πιο χαμηλό γλυκαιμικό δείκτη (55), σε σχέση με τη λευκή ζάχαρη (65) ή το μέλι (50-75). Η μελάσα, με την αργή μεταβολική αποδέσμευσή της, δεν ανεβάζει τα επίπεδα του σακχάρου. Τα σάκχαρα και η φρουκτόζη που περιέχει, λόγω του ότι λαμβάνονται στη φυσική τους μορφή, είναι πολύ εύκολα αφομοιώσιμα από τον οργανισμό, γι' αυτό και μπορεί να συμπεριληφθεί στο διαιτολόγιο ατόμων με σακχαρώδη διαβήτη, με τη συμβουλή διατροφολόγου ιατρού Τυρόγαλο Κατά την παραγωγική διαδικασία του τυριού λαμβάνεται ως παραπροϊόν μεγάλος όγκος ορρού γάλακτος (τυρόγαλα). Σύμφωνα με τον κανονισμό 625/ το τυρόγαλα ή ορρός γάλακτος ορίζεται ως το υδαρές υπόλειμμα του γάλακτος που λαμβάνεται μετά τον τεμαχισμό του τυροπήγματος κατά την τυροκόμηση (Εικόνα 2.3) ή κατά την παραγωγή καζεΐνης με τη χρήση οξέων, πυτιάς ή και φυσικοχημικών μεθόδων (Καμιναρίδης, 2007). Το παραπροϊόν αυτό, αντιπροσωπεύει περίπου το 85-95% του όγκου του γάλακτος και συγκρατεί περίπου το 55% από τα θρεπτικά του συστατικά (Barnes et al., 1987) (Πίνακας 2.2). Εικόνα 1.13 Φυσικός διαχωρισμός τυροπήγματος ορρού γάλκτος β) Συγκέντρωση ορρού γάλακτος 49

82 Εισαγωγή Πίνακας 1.7 Φυσικοχημικές ιδιότητες τυρογάλακτος που προέρχεται από την παραγωγή τυριού φέτας (Philippopoulos and Papadakis, 2001). Ιδιότητα Τυπική τιμή Απόκλιση COD (mg/l) BOD5 (mg/l) pη 6,32 0,1 Πυκνότητα (Kg / m3) 1029,2 1,4 Ολικά Στερεά (g / Kg) 69,8 5,6 Πρωτεΐνες (g / Kg) 13 0,7 Λίπη (g / Kg) 0,3 0,2 Λακτόζη (g / Kg) 50,7 3,5 Ασβέστιο (Ca) (mg / Kg) Φωσφόρος (P) (mg / Kg) Μαγνήσιο (Μg) (mg / Kg) 93 7 Κάλιο (Κ) (mg / Kg) Νάτριο (Na) (mg / Kg) Χλώριο (Cl) (mg / Kg) Ένα ποσοστό της τάξεως του 50% του παγκοσμίως παραγόμενου τυρογάλακτος, περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι, επεξεργάζεται και μετατρέπεται σε διάφορα προϊόντα. Από αυτά το 50 % χρησιμοποιείται κατευθείαν υπό υγρή μορφή, 30 % υπό μορφή σκόνης τυρογάλακτος, 15 % ως λακτόζη και απολακτοζοποιημένα παραπροϊόντα και το υπόλοιπο με τη μορφή πρωτεϊνούχων συμπυκνωμάτων (Marwaha and Kennedy, 1988). Ωστόσο η έρευνα για τη χρησιμοποίηση του ορρού γάλακτος συνεχίζεται και συνεχώς ανακαλύπτονται νέοι τρόποι χρησιμοποίησής του. Το κόστος του ορρού γάλακτος ως αγροτοβιομηχανικό απόβλητο είναι μηδενικό. Οι σημαντικότερες χρήσεις που εφαρμόζονται στην αξιοποίηση του ορρού γάλακτος είναι: Υγρό τυρόγαλα ζωοτροφή (βοοειδή ή χοίρους (Μαρκαντωνάτος, 1990) και λίπασμα (Siso, 1996)). Συμπυκνωμένο ή κονιορτοποιημένο τυρόγαλα (όξινη και η γλυκιά σκόνη τυρογάλακτος, απομεταλοποιημένη σκόνη, απολακτοζοποιημένη σκόνη, αποπρωτεϊνομένο υγρό τυρόγαλο, τυρόγαλο εμπλουτισμένο με λίπη κ.α. (Kosikowski, 1979)). 50

83 Εισαγωγή Συμπυκνωμένη πρωτεΐνη τυρογάλακτος κατάλληλο συμπλήρωμα για διαιτητικά προϊόντα βασισμένα σε δημητριακά (ελλιπή σε λυσίνη), όπως επίσης και σε φουρνισμένα προϊόντα (Siso, 1996)). Η λακτόζη και τα παράγωγά της (χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα σε παιδικά γάλατα και σαν έκδοχο σε φαρμακευτικά προϊόντα (Yves, 1979)). Παραγωγή αιθανόλης (στην Ιρλανδία, τις Η.Π.Α και ιδιαίτερα στην Νέα Ζηλανδία το 50% του παραγόμενου τυρογάλακτος οδηγείται στην παραγωγή αιθανόλης (Mawson, 1994)). Βιοαέριο (παραγωγή του μεθανίου κατά την αναερόβια χώνευση και χρησιμοποίηςη για πηγή ενέργειας σε βιομηχανίες (Mawson, 1994)). 51

84 Εισαγωγή 1.11 Κατηγορίες βιολογικών αντιδραστήρων για την αναγωγή του Cr(VI) Οι βασικές κατηγορίες βιολογικής επεξεργασίας, ανάλογα με τον τρόπο οξείδωσης, είναι οι: αερόβιες, ανοξικές, αναερόβιες, συνδυασμένες αερόβιες, ανοξικές και αναερόβιες και διεργασίες λίμνης. Οι κατηγορίες αυτές χωρίζονται σε υποκατηγορίες ανάλογα με το αν η επεξεργασία είναι ανάπτυξης σε αιώρημα (ομογενείς), προσκολλημένης ανάπτυξης (ετερογενείς) ή συνδυασμός και των δύο (Metcalf and Eddy, 1991). Η χρήση βιολογικών μεθόδων επεξεργασίας για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου έχει μελετηθεί εκτεταμένα σε διάφορους τύπους αντιδραστήρων στη βιβλιογραφία Αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης Στους αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης, οι μικροοργανισμοί διατηρούνται σε εναιώρημα με χρήση αερισμού ή μηχανικής ανάδευσης. Η μικροβιακή δραστηριότητα παράγει βιομάζα που απομακρύνεται με βαρύτητα, ενώ ένα τμήμα της ανακυκλώνεται προκειμένου να διατηρηθεί μια επιθυμητή ποσότητα βιομάζας στο αντιδραστήρα. Στις περισσότερες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι σήμερα για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου χρησιμοποιήθηκαν κυρίως αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης (Shen and Wang, 1994, 1995b; Guha et al., 2001; Liu et al., 2002; Stasinakis et al., 2002; Donmez and Kocberber, 2005; Shashidhar et al., 2006; Kilic and Donmez, 2007; Shashidhar et al., 2007; Dermou and Vayenas, 2008; Okeke et al., 2008; Lin et al., 2009; Zahoor and Rehman, 2009; Cardenas-Gonzalez and Acosta-Rodriguez, 2010; Hsu et al., 2010; Joutey et al., 2011; Guo et al., 2012; Mrudula et al., 2012; Sugiyama et al., 2012; Field et al., 2013; Tekerlekopoulou et al., 2013; Das et al., 2014). Στις πιο πολλές από τις παραπάνω εργασίες πραγματοποιήθηκαν πειράματα, υπό αερόβιες συνθήκες, με καθαρές καλλιέργειες (Kilic and Donmez, 2007; Zahoor and Rehman, 2009; Cardenas-Gonzalez and Acosta-Rodriguez, 2010; Mrudula et al., 2012; Murugavelh and Mohanty, 2012; Shugaba et al., 2012; Sugiyama et al., 2012), ενώ λίγες είναι εκείνες οι εργασίες που έχουν γίνει με μεικτές καλλιέργειες (Donmez and Kocberber, 2005; Dermou and Vayenas, 2008; Joutey et al., 2011; Tekerlekopoulou et al., 2013). 52

85 Εισαγωγή Τα αποτελέσματα όλων των ερευνών έδειξαν ότι το ποσοστό βιο-αναγωγής Cr(VI) είναι μεγαλύτερο σε αερόβιες συνθήκες σε σχέση με τις αναερόβιες (Jeyasingh and Philip, 2005). Επίσης, οι αερόβιες καλλιέργειες μπορούν να ανταπεξέλθουν καλύτερα παρουσία υψηλών αρχικών συγκεντρώσεων Cr(VI), σε αντίθεση με τις αναερόβιες συνθήκες όπου η ανάπτυξη ανεστάλη πλήρως σε συγκεντρώσεις 500 μμ Cr(VI) (Pattanapipitpaisal et al., 2001). Σημαντικός παράγοντας στην βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου είναι και η πηγή άνθρακα. Η παρουσία κατάλληλου οργανικού υποστρώματος έχει σαν αποτέλεσμα την καλύτερη ανάπτυξη των μικροοργανισμών αλλά και τη βέλτιστη απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου (Smith et al., 2002; Orozco et al., 2010; Tekerlekopoulou et al., 2010; Contreras et al., 2011; Mrudula et al., 2012; Sugiyama et al., 2012; Field et al., 2013). Διάφορες πηγές άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί για την αναγωγή του Cr(VI) σε πειράματα κινητικής υγρών καλλιεργειών όπως: ζάχαρη (Tekerlekopoulou et al., 2010; Guo et al., 2012; Field et al., 2013), οξικό νάτριο (Dermou and Vayenas, 2008; Zahoor and Rehman, 2009) και γλυκόζη (Mrudula et al., 2012; Shugaba et al., 2012; Das et al., 2014) (Πίνακας 1.6). Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις πηγές άνθρακα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανική κλίμακα, εξαιτίας του υψηλού τους κόστους. Από τη άλλη, διάφορα βιομηχανικά παραπροϊόντα ή και απόβλητα, πλούσια σε θρεπτικά όπως η μελάσα και ο ορρός γάλακτος αντίστοιχα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως πηγή άνθρακα στη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, με πολύ μικρό κόστος. Στη βιβλιογραφία δεν υπάρχουν πολλές αναφορές σχετικά με την χρήση αυτών των δύο πηγών άνθρακα. Η χρήση της μελάσας ως πηγή άνθρακα για την βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου αναφέρεται από του (Dönmez and Koçberber, 2005; Elangovan and Philip, 2009; Field et al., 2013), ενώ του ορρού γάλακτος από τους (Orozco et al., 2010; Contreras et al., 2011). 53

86 Εισαγωγή Πίνακας 1.8 Λειτουργικές συνθήκες για αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch experiments Batch experiments Batch experiments Batch experiments Μικροοργανισμοί Μεικτή ενδογενή καλλιέργεια Cellulomonas sp. strain ES6 Aspergillus niger Aspergillus parasiticus Bacillus amyloliquefaciens Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Ρυθμός/Απόδοση Αναφορά 8 Οξικό νάτριο 0.88 g C/L 0.8 mg/(l h) (Dermou and Vayenas, 2008) Batch experiments Μεικτή καλλιέργεια 50 Ζάχαρη 1.44 gc/l ~0.029 mg/(l h) Μελάσα 1.44 gc/l ~0.05 mg/(l h) Ζάχαρη 1.44 gc/l ~0.25 mg/(l h) Μελάσα 1.44 gc/l ~0.25 mg/(l h) Γλυκόζη x ~98.75% Οξικό x ~92.5% Ταννίνη x 85% Γλυκόζη x ~90% Οξικό x ~83.5 Ταννίνη x 68.8% Γλυκόζη 1% 2.2 mg/(l h)/14.6% Φρουκτόζη 12.6% Λακτόζη 10.1% Ζάχαρη 7.7% Οξικό νάτριο 4.3% Γλυκόζη 1 g/l 35.1% Μελάσα (~10 g/l Ζάχαρη) 98.8% (Field et al., 2013) (Shugaba et al., 2012) (Das et al., 2014) (Dönmez and Koçberber, 2005) 54

87 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Μικροοργανισμοί Καθαρή καλλιέργεια (διαφορετικά στέλεχη) Cr (mg/l) Batch experiments E. coli BL21 32 Batch experiments Halomonas sp. 40 Batch experiments Acinetobacter junii 20 Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση 100 Μελάσα (~10 g/l Ζάχαρη) % Γλυκόζη (4 g/l) 10.3 mg/(l h) Κιτρικό νάτριο (4.26 g COD/L) 10.3 mg(/l h) Ζάχαρη (4.26 g COD/L) 6.4 mg/(l h) Sodium sucinate (4.26 g COD/L) 5.33 mg/(l h) Οξικό νάτριο (4.26 g COD/L) 5.33 mg/(l h) Γλυκόζη (1 g/l) 0.77 mg/(l h)/59.17% Κιτρικό 51.65% Λακτόζη 52.25% Φρουκτόζη 58.82% Οξικό 56.15% Succinate 49.65% NADH 79.62% NADPH 89.65% Γλυκόζη (2%, w/w) 39% Φρουκτόζη (2%, w/w) 10% Λακτόζη (2%, w/w) 7% Μαλτόζη (2%, w/w) 33% Άμυλο (2%, w/w) 17% Αναφορά (Guo et al., 2012) (Murugavelh and Mohanty, 2012) (Mrudula et al., 2012) 55

88 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch experiments Batch experiments Batch reactor Μικροοργανισμοί Flexivirga alba ST13T Arthrobacter rhombi-re-aerobic Bacillus sp. Staphylococcus capitis Cr (mg/l) 4.1 Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση Μελάσα (2%, w/w) 34% Γλυκόζη ( %, w/w) mg/(l h) Μελάσα ( %, w/w) mg/(l h) Αναφορά (Sugiyama et al., 2012) 20 Μελάσα (2 g/l) = 3 g COD/L 99.6% (Elangovan and Philip, 2009) 0.1 Οξικό νάτριο (5 g/l) Οξικό νάτριο Βακτήρια Batch cultures (10 g/l/1.77 gc/l) mg/(l h) Yeast Ζάχαρη (4.18 g/l/1.77 gc/l) mg/(l h) Λακτόζη (10 mm) ± 1.14% Batch cultures Μεικτή ενδογενή Φρουκτόζη (10 mm) ± 5.03% 100 καλλιέργεια Γλυκόζη (10 mm) ± 1.56% Γλυκερόλη (10 mm) ± 0.54% Batch cultures Micrococcus sp Μελάσα (αντιστοιχεί με % (2% 10 g/l ζάχαρη) NaCl) Γλυκόζη 99.17% Ζάχαρη 100%/0.297 mg/(l h) Batch cultures Paecilomyces sp. 50 Φρουκτόζη 94.28% Κιτρικό 81.5% Γλυκερόλη 99% Batch cultures Βακτηριακές Οξικό 2 g/l ~92.5% 5 καλλιέργειες L_Asparagine 2 g/l ~87.5% 85% 81% (Zahoor and Rehman, 2009) (Tekerlekopoulou et al., 2010) (Joutey et al., 2011) (Kilic and Donmez, 2007) (Cardenas-Gonzalez and Acosta-Rodriguez, 2010) (Smith et al., 2002) 56

89 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Continuous-flow activated sludge systems: Aerobic Continuous-flow activated sludge systems: Anoxic aerobic Continuous-flow activated sludge systems: Anaerobic anoxic aerobic Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση Κιτρικό 2 g/l ~45% CO 2 +H 2 2 g/l ~93.75% Αιθανόλη 2 g/l ~93.75% Γλυκερόλη 2 g/l ~93.75% Glycolate 2 g/l ~87.5% 2-Ketoglutarate 2 g/l ~35% l-lactate 2 g/l ~46.5% PropyleneGlycol 2 g/l ~93.75% Pyruvate 2 g/l ~40% Succinate 2 g/l ~25% Thiosulfate + CO 2 2 g/l ~97.5% d-xylose 2 g/l ~87.5% Μεικτή καλλιέργεια 3 Οξικό (COD = 300 mg/l) Μεικτή καλλιέργεια Μεικτή καλλιέργεια 3 Οξικό (COD = 300 mg/l) 3 Οξικό (COD = 300 mg/l) mg/g MLSS/h /42% mg/g MLSS/h /84% mg/g MLSS/h /80% Αναφορά (Stasinakis et al., 2004) 57

90 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Bench-scale continuous stirred tank Batch cultures Batch cultures Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Pseudomonas sp. 32 Μεικτή ενδογενή καλλιέργεια Μεικτή ενδογενή καλλιέργεια Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Γλυκόζη (5.45g/L / COD=5700 mg/l) Ρυθμός/Απόδοση 0.82 mg/g MLSS/h / 88% Αναφορά (Gopalan and Veeramani, 1994) Ζάχαρη (0.8 gc/l) 2 mg/(l h)/100% (Tekerlekopoulou et al., 2013) 32.1 Μελάσα (0.8 gc/l) 4.59 mg/(l h)/100% (Michailides et al., 2015) 58

91 Εισαγωγή Αντιδραστήρες προσκολλημένης ανάπτυξης Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στη βιολογική απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου με τη χρήση αερόβιων διεργασιών προσκολλημένης ανάπτυξης (ετερογενή συστήματα). Συστήματα της μορφής αυτής είναι συνήθη σε διάφορες τεχνολογίες, όπως οι περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι (Rotating Biological Contactors R.B.C.) και οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης (Packed Bed Reactors P.B.R.) ή βιολογικά φίλτρα (Εικόνα 1.11). Οι περιστρεφόμενοι βιολογικοί δίσκοι είναι συστήματα, όπου το πληρωτικό υλικό βρίσκεται σε κίνηση σε σχέση με τα λύματα, ενώ οι αντιδραστήρες σταθερής κλίνης είναι συστήματα όπου το πληρωτικό υλικό είναι σταθερό και τα λύματα ρέουν μέσω και πάνω σε αυτό. Τα βιολογικά φίλτρα είναι ένα αερόβιο σύστημα επεξεργασίας που χρησιμοποιούν μικροοργανισμούς προσκολλημένους σε ένα μέσο, για να απομακρύνουν την οργανική ύλη από τα λύματα, με τις διαδικασίες της οξείδωσης και της σύνθεσης. Εικόνα 1.14 Τυπικά χαλικοδιυλιστήρια: (α) συμβατικά χαλικοδιυλιστήρια με πληρωτικό υλικό χαλίκι, (β) τομή χαλικοδιυλιστηρίου ( Η τεχνολογία επεξεργασίας που χρησιμοποιείται από αυτά τα συστήματα είναι γνωστή ως διεργασία προσκολλημένης ανάπτυξης (attached growth) ή διεργασία σταθερού βιολογικού φιλμ (fixed film) και χαρακτηρίζεται από τη ροή των υγρών 59

92 Εισαγωγή αποβλήτων διαμέσου κάποιου φυσικού ή τεχνητού πληρωτικού υλικού (άμμος, χαλίκι, τύρφη, ειδικά υφάσματα ή πλαστικά υλικά). Ο ρόλος του πληρωτικού υλικού είναι ότι ουσιαστικά παρέχει την επιφάνεια προσκόλλησης. Τα πλαστικά πληρωτικά υλικά, λόγω του ειδικού σχεδιασμού τους, μπορούν να φτάσουν σε πολύ μεγάλες τιμές ειδικής επιφάνειας ( m 2 /m 3 ), διατηρώντας ταυτόχρονα πολύ μεγάλα διάκενα (85-95%) (Εικόνα 1.12) (Metcalf and Eddy, 1991). Εικόνα 1.15 Τυπικά πληρωτικά υλικά για χαλικοδιυλιστήρια: (α) χαλίκια, (β) πλαστικά διάταξης σταυρωτής ροής, (γ) και (δ) πλαστικά διάταξης κατακόρυφης ροής (Hammer, 2008). Οι μικροοργανισμοί εκμεταλλεύονται τη μεγάλη ειδική επιφάνεια και προσκολλώνται, αντιστρεπτά ή αναντιστρεπτά, στο πληρωτικό μέσο ως μία βιολογική μεμβράνη, πάχους περίπου 0,1 έως 2 mm. Τα προσκολλημένα κύτταρα έχουν την ικανότητα να μεταβολίζουν τον οργανικό άνθρακα (υπόστρωμα), να αναπτύσσονται, να πολλαπλασιάζονται και παράγουν περισσότερα αδιάλυτα εξωκυτταρικά πολυμερή (κυρίως πολυσακχαρίτες), που ισχυροποιούν την προσκόλλησή τους, συσσωρεύοντας έτσι μία ζωντανή κοινότητα, το βιοφίλμ (Εικόνα 1.13). Η προσκόλληση των μικροοργανισμών σε επιφάνειες και η ανάπτυξη του βιοφίλμ είναι πολύ περίπλοκες διαδικασίες και επηρεάζονται από πολλές παραμέτρους. Κατόπιν, η οργανική ύλη αποικοδομείται από τους μικροοργανισμούς στο εξωτερικό μέρος της βιολογικής μεμβράνης. 60

93 Εισαγωγή Εικόνα 1.16 (α) Σχηματισμός Βιοφίλμ (MSU Center for Biofilm Engineering P. Dirckx) (β) Σχηματισμός βιοφίλμ πάνω σε πληρωτικό υλικό στο εργαστήριο. Καθώς το βιολογικό στρώμα πυκνώνει λόγω της μικροβιακής ανάπτυξης, το μέγεθος των κενών πόρων μειώνεται, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να διαπεράσει το οξυγόνο και ως εκ τούτου αναπτύσσονται αναερόβιοι μικροοργανισμοί. Όσο η βιολογική μεμβράνη συνεχίζει να αυξάνεται, οι μικροοργανισμοί που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια (του πληρωτικού υλικού), χάνουν την ικανότητά τους να προσκολλώνται στο πληρωτικό υλικό και ένα τμήμα της μεμβράνης πέφτει από το φίλτρο. Αυτό το φαινόμενο της αποκόλλησης (sloughing) του βιοφίλμ, λαμβάνει χώρα όταν μεγάλα τμήματα ή ολόκληρο το βιοφίλμ αποκολλάται από το υπόστρωμα και εισέρχεται στο υγρό ρεύμα (Λυμπεράτος and Βαγενάς, 2012 ). Η χρήση βιολογικών φίλτρων, για την απομάκρυνση ρύπων από τα υγρά απόβλητα, είναι ιδιαίτερα ελκυστική διεργασία και παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα. Μερικά από αυτά είναι ότι οι μικροοργανισμοί παραμένουν προσκολλημένοι πάνω στο πληρωτικό υλικό διατηρώντας τη συγκέντρωση της βιομάζας σε υψηλά επίπεδα, αυξάνεται η ικανότητα επεξεργασίας του αντιδραστήρα, αυξάνεται η σταθερότητα της διεργασίας απομάκρυνσης, μειώνεται δραστικά η ποσότητα της παραγόμενης λάσπης, μειώνεται το φορτίο των στερεών, η παροχή οξυγόνου γίνεται με φυσικό τρόπο και ελαχιστοποιείται το λειτουργικό κόστος καθώς και το κόστος συντήρησης της μονάδας επεξεργασίας (Metcalf and Eddy, 1991). Οι βασικοί τύποι λειτουργίας των βιοαντιδραστήρων είναι τρεις: ο αντιδραστήρας διαλείποντος έργου, ο αντιδραστήρας συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση (CSTR) και ο αυλωτός αντιδραστήρας: 1. αντιδραστήρας διαλείποντος έργου (batch), ο αντιδραστήρας παραμένει κλειστός όσον αφορά στη μεταφορά μάζας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας 61

94 Εισαγωγή του. Η σύσταση μεταβάλλεται χρονικά και τα προϊόντα συλλέγονται αφού ολοκληρωθεί η αντίδραση. Αυτού του είδους οι αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται συχνά σε εργαστηριακή κλίμακα, εξαιτίας της ευκολίας στο χειρισμό τους και του χαμηλού τους κόστους. 2. συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση (CSTR), ο οποίος χαρακτηρίζεται από συνεχή τροφοδότηση και απορροή. Οι CSTR αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται κατά την αερόβια και αναερόβια επεξεργασία ρύπων υψηλής οργανικής φόρτισης, καθώς και βιομηχανικών αποβλήτων. 3. αυλωτός αντιδραστήρας, κατά την ιδανική λειτουργία του οποίου το υγρό κινείται σταθερά προς μία κατεύθυνση παράλληλη προς τον άξονα του αντιδραστήρα. Οι αυλωτοί αντιδραστήρες από τη φύση τους λειτουργούν με συνεχή τρόπο. Η απομάκρυνση ρύπων από τα υγρά βιομηχανικά απόβλητα, με βιολογικά φίλτρα, έχει μελετηθεί εκτεταμένα. Ωστόσο, τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουν χρησιμοποιηθεί συστηματικά για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου (Nkhalambayausi-Chirwa and Wang, 2001; Nkhalambayausi-Chirwa and Wang, 2004; Jeyasingh and Philip, 2005; Krishna and Philip, 2005; Dermou and Vayenas, 2008; Elangovan and Philip, 2009; Lin et al., 2011; Somasundaram et al., 2011; Tekerlekopoulou et al., 2013). Στις μελέτες αυτές χρησιμοποιήθηκαν τόσο καθαρές καλλιέργειες (Nkhalambayausi-Chirwa and Wang, 2004; Elangovan and Philip, 2009; Lin et al., 2009; Somasundaram et al., 2011) όσο και μεικτές (Nkhalambayausi- Chirwa and Wang, 2001; Dermou and Vayenas, 2008; Tekerlekopoulou et al., 2013). Διάφορες πηγές οργανικού άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν, όπως οξικό νάτριο (Samanta et al., 2007; Dermou and Vayenas, 2008), ζάχαρη (Tekerlekopoulou et al., 2013), λακτόζη (Contreras et al., 2011), γλυκόζη (Nkhalambayausi-Chirwa and Wang, 2004) και μελάσα (Krishna and Philip, 2005) (Πίνακας 1.7). 62

95 Εισαγωγή Πίνακας 1.9 Λειτουργικές συνθήκες για αντιδραστήρες σταθερής κλίνης προσκολλημένης ανάπτυξης. Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Packed bed reactor Packed bed bioreactor (facultative anaerobic conditions) Column experiments (sand and soil) Soil reactor Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση Αναφορά Arthrobacter rhombi- RE-aerobic Arthrobacter rhombi- RE-anoxic Μεικτή καλλιέργεια 10 Αντιδραστήρες Προσκολλημένης Ανάπτυξης 20 Μελάσα (2 gr/l)/3 g COD/L Θρεπτικό μέσο με 5 g / L μελάσας 0.83 mg/(l h)/99.4% 0.82 mg/(l h)/99.8% 6.6 mg/(l h)/>80% Βακτήρια 20 Μελάσα (3000 mg COD/L) 0.03 mg/(l h) Βακτηριακά στελέχη 2.5 (mg/g soil) Διάφορες Συγκεντρώσεις (Βέλτιστη 34 mg μελάσα/g εδάφους) 97 ± 1.2% (Elangovan and Philip, 2009) (Krishna and Philip, 2005) (Somasundaram et al., 2011) (Jeyasingh and Philip, 2005) Fixed-film Bacillus sp. 100 Γλυκόζη 5 g/l ~87 mg/(l h)/99.8% (Chirwa and Wang, biorectors 1997b) Fixed-film co Phenol degrading 26,5 Φαινόλη 800 mg/l 0.83 mg/(l h)/97.6% (Nkhalambayausi- 63

96 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας culture bioreactor Fixed-bed filter (continuous flow) Fixed-bed filter (continuous flow) Aerobic trickling filter Pilot bioreactor Pilot-scale trickling filters Packed with immobilized cells Packed bed bioreactor Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση Αναφορά bacteria P. putida and Cr(VI) reducing bacteria E. coli Chirwa and Wang, 2001) Bacillus sp Γλυκόζη 4.95 g/l 100% (Nkhalambayausi- Chirwa and Wang, 2004) Εscherichia mm Οξικό νάτριο 84% coli ATCC Lin et al. (2011) Acinetobacter sp. 30 Οξικό νάτριο (5g/L ή TOC=390 mg/l) Sulfate-reducing 20 Παραγωγή οξικού από organism, βακτήρια COD = 400 mg/l desulfomicrobium norvegicum 13 mg/(l h)/100% (Dermou et al., 2005) 2.2 mg/(l h)/99% (Brunet et al., 2006) Mixed microbes 5 TOC = 400 mg/l ~16.62 mg/(l h)/~62% (Dermou et al., 2007) Anacystis nidulans 1.56 Medium/imidazole HCl buffer 85.92% (Khattar et al., 2007) Acinetobacter haemolyticus 15 Υγρά απόβλητα ανανά Γλυκόζη 4.95 g/l και Φρουκτόζη 4.49 g/l ~6.92 mg/(l h)/96% (Zakaria et al., 2007) 64

97 Εισαγωγή Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Pilot-scale trickling filter Packed bed reactor under SBR recirculating mode Batch Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Ρυθμός/Απόδοση Αναφορά Μεικτή καλλιέργεια 5.5 TOC = 200 mg/l 29 mg/(l h)/99.7% (Dermou and Vayenas, 2008) Arthrobacter sp. 30 Γλυκόζη 10 g/l 0.9 mg/(l h)/100% Μεικτή ενδογενή καλλιέργεια 109 Ζάχαρη (0.8 gc/l) 2 mg/(l h)/100% Batch mg/(l h)/68.7 g/(m 2 d)/100% SBR with Μεικτή ενδογενή recirculation καλλιέργεια 31.3 Μελάσα (3 g/l)/(0.8 gc/l) 5.96 mg/(l h)/135 g/(m 2 d)/100% Continuous 5 (Córdoba et al., 2008) (Tekerlekopoulou et al., 2013) (Michailides et al., 2015) 65

98 Εισαγωγή 1.12 Αντικείμενο και συμβολή της διδακτορικής διατριβής Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας χρωμικών αποβλήτων σήμερα είναι κυρίως φυσικοχημικές, παρουσιάζουν ωστόσο σημαντικά μειονεκτήματα όπως την παραγωγή τοξικής λάσπης ή άλλων δευτερευόντων παραπροϊόντων που απαιτούν περαιτέρω επεξεργασία. Για τους λόγους αυτούς, τα τελευταία χρόνια έχει γίνει στροφή στη διερεύνηση και εφαρμογή βιολογικών μεθόδων για την επεξεργασίας των υγρών χρωμικών αποβλήτων. Στις βιολογικές μεθόδους χρησιμοποιείται η μεταβολική και κυτταρική δράση των μικροοργανισμών για την αποδόμηση ή το μετασχηματισμό των υφιστάμενων επικίνδυνων ουσιών σε λιγότερο ή καθόλου τοξικές μορφές, περιορίζοντας ή εξαλείφοντας τελείως την υπάρχουσα επικινδυνότητα. Οι μικροοργανισμοί μαθαίνουν να προσαρμόζονται πολύ γρήγορα στο φυσικό τους περιβάλλον εξαιτίας της ανάγκης για επιβίωση και της γρήγορης ανάπτυξης και μετεξέλιξή τους. Έτσι πρακτικά σε κάθε ρυπασμένη περιοχή επιβιώνουν και αναπτύσσονται μικροοργανισμοί ανθεκτικοί στην εκάστοτε πηγή ρύπανσης [Cr(VI)]. Η χρήση γηγενών μικροοργανισμών μπορεί να επιφέρει πολύ καλά αποτελέσματα σε μικρό χρονικό διάστημα με μικρό κόστος. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχει μελετηθεί εκτεταμένα η βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου με τη χρήση αερόβιων και αναερόβιων μικροοργανισμών σε καθαρές καλλιέργειες σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου. Ωστόσο, είναι λίγες οι αναφορές που αφορούν στη χρήση μεικτών αερόβιων καλλιεργειών για τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, ενώ ακόμα λιγότερες είναι οι μελέτες για την αναγωγή σε αντιδραστήρες σταθερή κλίνης πιλοτικής κλίμακας. Σημαντικός παράγοντας στην βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου είναι και η πηγή άνθρακα. Πολλές διαφορετικές πηγές άνθρακα έχουν δοκιμαστεί, όπως η ζάχαρη, η γλυκόζη, η φρουκτόζη, το οξικό νάτριο, η λακτόζη, η μαλτόζη κ.λ.π. Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις πηγές άνθρακα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε βιομηχανική κλίμακα, λόγω του υψηλού τους κόστους. Στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων έχει μελετηθεί η βιολογική αναγωγή του Cr(VI) με διαφορετικές πηγές άνθρακα, τόσο σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης όσο και σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης. Η Δέρμου (2007) στην διδακτορική της διατριβή απομόνωσε μικροοργανισμούς από την ΕΑΒ Α.Ε. και μελέτησε τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, υπό αερόβιες συνθήκες. Οι αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) που μελετήθηκαν ήταν από

99 Εισαγωγή mg/l ενώ η πηγή άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε ήταν το οξικό νάτριο, συγκέντρωσης 0,8gC/L. Στη συνέχεια η Tekerlekopoulou et al. (2010) και (2013) ανέπτυξε μία νέα μεικτή καλλιέργεια αλλάζοντας την πηγή άνθρακα από οξικό νάτριο σε ζάχαρη, κρατώντας όλες τις υπόλοιπες συνθήκες σταθερές (συγκεντρώσεις Cr(VI), συγκέντρωση πηγής άνθρακα, ανάδευση, μηχανικό αερισμό και μη ρύθμιση ph). Ωστόσο οι δύο αυτές πηγές άνθρακα έχουν υψηλό κόστος έτσι ώστε να χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανική κλίμακα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν για πρώτη φορά δυο διαφορετικά αγροτοβιομηχανικά παραπροϊόντα/απόβλητα ως πηγή άνθρακα (μελάσα - χαμηλού κόστους και ορρός γάλακτος μηδενικού κόστους) για τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Μελετήθηκε ακόμα, η επίδραση της συγκέντρωσης τροφοδοσίας των αποβλήτων αυτών για την εύρεση της βέλτιστης ποσότητάς τους προκειμένου να πραγματοποιηθεί πλήρης αναγωγή εξασθενούς χρωμίου έως και τα 110 mg/l. Δύο διαφορετικοί τύποι αντιδραστήρων, αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης και αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας, εξετάστηκαν για διάφορες λειτουργικές παραμέτρους με τη χρήση μεικτών αερόβιων καλλιεργειών. Η αρχική μεικτή καλλιέργεια προήλθε από την ΕΑΒ Α.Ε.. Τα αποτελέσματα από τη σύγκριση των δύο πηγών άνθρακα και η χρήση των βέλτιστων λειτουργικών παραμέτρων που θα προκύψουν θα μας βοηθήσουν στην εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων για τη δημιουργία και τη λειτουργία ενός βιολογικού συστήματος επεξεργασίας βιομηχανικής κλίμακας. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η επεξεργασία χρωμικών βιομηχανικών αποβλήτων, με ταυτόχρονη εκμετάλλευση/αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων/αποβλήτων (χαμηλού ή/και μηδενικού κόστους), χρησιμοποιώντας βιολογικές μεθόδους, με μεικτές καλλιέργειες ανθεκτικών στο βιομηχανικό περιβάλλον. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής γίνεται μία ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας αναφορικά με την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Αρχικά παρουσιάζονται οι ιδιότητες και οι χρήσεις του χρωμίου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι μέθοδοι επεξεργασίας των αποβλήτων που περιέχουν χρώμιο, δίνοντας έμφαση στη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου με χρήση αντιδραστήρων αιωρούμενης και προσολλημένης ανάπτυξης. Επίσης, αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της διεργασίας της αναγωγής, καθώς και οι αποδόσεις των προαναφερθέντων συστημάτων. 67

100 Εισαγωγή Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, η ανάπτυξη των καλλιεργειών, καθώς και οι αναλυτικές μέθοδοι με τις οποίες πραγματοποιήθηκαν όλες οι απαραίτητες μετρήσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετήθηκε η ανάπτυξη μεικτών γηγενών καλλιεργειών για την βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, με πηγή άνθρακα μελάσα, σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης. Στόχος των πειραμάτων σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης ήταν η διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς μεικτής γηγενούς καλλιέργειας που προήλθε από τα βιομηχανικά απόβλητα της ΕΑΒ Α.Ε. και η καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών της αναγωγής του Cr(VI). Εξετάστηκαν διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου για διάφορες συγκεντρώσεις μελάσας. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των ρυθμών αναγωγής, τόσο με ρυθμούς που προήλθαν από παλιότερα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων με χρήση διαφορετικής πηγής άνθρακα (ζάχαρη, οξικό νάτριο) όσο και με ρυθμούς από τη διεθνή βιβλιογραφία. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειράματα αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου που διεξήχθησαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας, με χρήση μεικτής καλλιέργειας και πηγή άνθρακα τη μελάσα. Στόχος των πειραμάτων ήταν η βιολογική απομάκρυνση του Cr(VI) σε αντιδραστήρες προσκολλημένης ανάπτυξης (βιολογικό φίλτρο), με πλαστικό πληρωτικό υλικό. Οι βασικοί τύποι λειτουργίας που εξετάστηκαν στο βιολογικό φίλτρο ήταν τρεις: διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (SBR - Sequencing Batch Reactor), διαλείποντος έργου με ανακυκλοφορία (SBR με ανακυκλοφορία) με διάφορες παροχές ανακυκλοφορίας (0.5, 1.0 και 2.0 L/min) και η συνεχής λειτουργία. Κατόπιν, οι ρυθμοί αναγωγής του Cr(VI) που επιτεύχθηκαν συγκρίθηκαν με εκείνους των αντιδραστήρων αιωρούμενης ανάπτυξης, καθώς και με άλλους ρυθμούς που επίσης προήλθαν από συστήματα προκολλημένης ανάπτυξης, τόσο της ίδια ερευνητικής ομάδας μας (με χρήση διαφορετικών πηγών άνθρακα, ζάχαρη και οξικό νάτριο) όσο και με τη διεθνή βιβλιογραφία, Στο πέμπτο κεφάλαιο μελετήθηκε η συμπεριφορά της μεικτής καλλιέργειας στην αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου με χρήση μίας νέας πηγής άνθρακα με πολύ χαμηλό κόστος και πλούσια σε θρεπτικά, τον ορρό γάλακτος ή τυρόγαλα. Στόχος των πειραμάτων ήταν η συνεπεξεργασία εξασθενούς χρωμίου και ορρού γάλακτος, με κύριο άξονα τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου με τη χρήση μεικτών 68

101 Εισαγωγή αερόβιων γηγενών μικροοργανισμών. Το εύρος των αρχικών συγκεντρώσεων, Cr(VI) (5-100mg/L) και d-cod ορρού γάλακτος ( mg/L), που μελετήθηκε προσομοιάζει τις τιμές εξόδου των βιομηχανικών μονάδων (ΕΑΒ Α.Ε. και τυροκομείου ΠΑΠΑΘΑΝΑΣΙΟΥ Α.Β.Ε.Ε.) που παράγουν το αντίστοιχο απόβλητο. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη μεικτής αερόβιας καλλιέργειας με πηγή άνθρακα τον ορρό γάλακτος σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης. Στη συνέχεια με τη συγκεκριμένη καλλιέργεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης, για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και ορρού γάλακτος. Πειράματα με παραπλήσιες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) και ορρού γάλακτος πραγματοποιήθηκαν επίσης και σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας με πλαστικό πληρωτικό υλικό. Οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι ίδιες με τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με πηγή άνθρακα τη μελάσα και περιγράφονται στο Κεφάλαιο 2. Οι βασικοί τύποι λειτουργίας που εξετάστηκαν στο βιολογικό φίλτρο ήταν επίσης τρεις: διαλείποντος έργου με περιοδική λειτουργία (SBR - Sequencing Batch Reactor), διαλείποντος έργου με ανακυκλοφορία (SBR με ανακυκλοφορία) με διάφορες παροχές ανακυκλοφορίας (0.5, 1.0 και 2.0 L/min) και η συνεχής λειτουργία. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση ρυθμών αναγωγής με άλλες πηγές άνθρακα από παλαιότερα πειράματα που είχαν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων, καθώς επίσης και με τη διεθνή βιβλιογραφία. Στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από τη διατριβή αυτή και προτείνονται επόμενα βήματα για μελλοντική εργασία. 69

102 70

103 Υλικά & Μέθοδοι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΥΛΙΚΑ & ΜΕΘΟΔΟΙ 71

104

105 Υλικά & Μέθοδοι 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ 2.1 Εισαγωγή Για την ανάπτυξη αυτόχθονων μικροβιακών πληθυσμών που ανάγουν το εξασθενές χρώμιο χρησιμοποιήθηκαν αρχικά, μεικτές καλλιέργειες μικροοργανισμών, που προήλθαν από δείγματα βιομηχανικής ιλύος. Από τη μονάδα επιμεταλλώσεων της Ελληνικής Αεροπορικής Βιομηχανίας (ΕΑΒ) Α.Ε., δείγμα βιομηχανικής ιλύς συλλέχθηκε και επεξεργάστηκε στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων με κύριο σκοπό την ανάπτυξη μεικτών καλλιεργειών κατάλληλων για αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή η μεικτή καλλιέργεια που χρησιμοποιήθηκε προήλθε από πειράματα που είχαν ήδη διεξαχθεί στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, με χρήση ζάχαρης ως πηγή άνθρακα (Tekerlekopoulou et al., 2013). Σύμφωνα με τους Tekerlekopoulou et al. (2013) ποσότητα βιομηχανικής ιλύος 10g προστέθηκε σε φιάλη Erlenmeyer 2L και αραιώθηκε σε θρεπτικό μέσο με μοναδική πηγή την κοινή ζάχαρη, ενώ ο συνθετικός ρύπος ήταν το εξασθενές χρώμιο Cr(VI) (στη μορφή K 2 Cr 2 O 7 ) (Εικόνα 2.1). Στη συνέχεια ωστόσο, για τις ανάγκες της παρούσας διατριβής, αντικαταστάθηκε η ζάχαρη ως πηγή άνθρακα με μελάσα και τυρόγαλο, αναπτύσσοντας πλέον μεικτές καλλιέργειες που ανάγουν το Cr(VI) με χρήση πηγής άνθρακα μελάσσα και τυρόγαλο, αντιστοίχως. Εικόνα 2.1 Διχρωμικό Κάλιο, Κ 2 Cr 2 O 7. 73

106 Υλικά & Μέθοδοι 2.2 Ανάπτυξη μικροοργανισμών Για την ανάπτυξη των μεικτών καλλιεργειών ποσότητα δείγματος (μαγιά) 1L από προηγούμενη μεικτή καλλιέργεια (Tekerlekopoulou et al., 2013) προστέθηκε σε φιάλη 3L και αραιώθηκε σε θρεπτικό μέσο, με πηγή άνθρακα τη μελάσα. Το θρεπτικό μέσο που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη μικροοργανισμών στις φιάλες ήταν: Χλωριούχο αμμώνιο (NH 4 Cl): 1 g/l, Όξινο φωσφορικό κάλιο (K 2 HPO 4 ): 0.5 g/l, Θειικό μαγνήσιο (MgSO 4.7H 2 O): 0.2 g/l και πηγή άνθρακα: μελάσα 0.8 gc/l. Τέλος, προστέθηκε εξασθενές χρώμιο (με τη μορφή του K 2 Cr 2 O 7 ), συγκέντρωσης 5 mg/l. Για την επικράτηση και ανάπτυξη εκείνων των ετερότροφων μικροοργανισμών που είναι υπεύθυνοι για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου πραγματοποιούνταν καθημερινή προσθήκη νέων θρεπτικών μέσων. Κάθε φορά που η συγκέντρωση του Cr(VI) δεν μειωνόταν περαιτέρω, πραγματοποιούνταν αραίωση 1/3 με θρεπτικό μέσο καθώς και προσθήκη Cr(VI) μέχρις ότου η συγκέντρωση του στη φιάλη φτάσει την τιμή των 5 mg/l. Με τον τρόπο αυτό και μετά από μερικές ανανεώσεις, επιτεύχθηκε με φυσική επιλογή η ανάπτυξη των μικροοργανισμών εκείνων που μπορούν να επιβιώσουν στο συγκεκριμένο θρεπτικό μέσο (παρατηρήθηκε αύξηση στην οπτική πυκνότητα) παρουσία εξασθενούς χρωμίου και ταυτόχρονα να προκαλέσουν και την αναγωγή του σε τρισθενές. Με την ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη της καλλιέργειας με υπόστρωμα το τυρόγαλο. Η μαγιά που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη της καλλιέργειας με υπόστρωμα το τυρόγαλο προήλθε από τη μεικτή καλλιέργεια με υπόστρωμα τη μελάσα. 2.3 Πηγή άνθρακα Η αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου απαιτεί την παρουσία ενός δότη ηλεκτρονίων. Τον ρόλο αυτό παίζει ο οργανικός άνθρακας, ο οποίος είναι απαραίτητος για την αποτελεσματική επίτευξη της διεργασίας αυτής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά δοκιμάστηκε η μελάσα ως μοναδική πηγή άνθρακα και στη συνέχεια ο ορρός γάλακτος, δύο φτηνές πρώτες ύλες, παραπροϊόντα της επεξεργασίας της ζάχαρης και της παραγωγής τυριού, αντίστοιχα. Για την μελάσα αρχικά εξετάστηκε η ποσότητα 0.8gC/L, η οποία αντιστοιχεί σε 3gμελάσας/L ενώ το d-cod ήταν 1000 mg/l. Η ποσότητα αυτή που επιλέχθηκε έχει μελετηθεί στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων για δύο άλλες πηγές άνθρακα (οξικό νάτριο και ζάχαρη) και οι μετρήσεις για τον προσδιορισμό της 74

107 Υλικά & Μέθοδοι ποσότητας του άνθρακα στο τέλος κάθε πειράματος, επιβεβαίωσαν ότι η ποσότητα αυτή είναι σε περίσσεια. Ο δεύτερος λόγος που επιλέχθηκε η ποσότητα αυτή είναι για να μπορέσουμε να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, με πηγή άνθρακα τη μελάσα, με τα αντίστοιχα πειράματα με τις άλλες δύο πηγές άνθρακα που χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων. Στη συνέχεια μελετήθηκαν και δύο ακόμα ποσότητες άνθρακα, 0.2 και 0.4 gc(μελάσα)/l, με σκοπό την εύρεση της ελάχιστης βέλτιστης ποσότητα άνθρακα που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για την πλήρη αναγωγή της μέγιστης συγκέντρωσης εξασθενούς χρωμίου. Οι ποσότητες αυτές δεν ήταν σε περίσσεια με αποτέλεσμα ο άνθρακας να αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών κατά την διάρκεια των συγκεκριμένων πειραμάτων. Για τον ορρό γάλακτος επιλέχθηκαν να μελετηθούν διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις d-cod ( mg/L). Οι αρχικές συγκεντρώσεις d-cod ορρού γάλακτος που εξετάστηκαν προσομοιάζουν τις τιμές εξόδου μιας τυροκομικής μονάδας ανάλογα με την επεξεργαζόμενη ποσότητα γάλακτος. Η επιλογή του εύρους των αρχικών συγκεντρώσεων εξασθενούς χρωμίου (5-100mg/L) που μελετήθηκε (και με τις δύο πηγές άνθρακα) είχε ως σκοπό την σύγκριση των αποτελεσμάτων με αντίστοιχες εργασίες στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων. Επίσης το εύρος αυτών των τιμών που μελετήθηκαν, προσομοιάζει τις τιμές εξόδου βιομηχανικών μονάδων που περιέχουν χρώμιο, όπως βιομηχανία επιμεταλλώσεων, βυρσοδεψείου κ.λ.π. 75

108 Υλικά & Μέθοδοι 2.4 Αναλυτικές μέθοδοι Κατά την διάρκεια όλων των πειραμάτων, οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με το Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1989). Μελετήθηκαν οι συγκεντρώσεις του εξασθενούς χρωμίου Cr(VI), του ολικού χρωμίου (Total Cr), η συγκέντρωση βιομάζας, το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD), η μέτρηση του άνθρακα δια μέσω των πολυσακχαριτών, το pη, το διαλυμένο οξυγόνο (DO) και η θερμοκρασία. Δείγματα λαμβανόταν από τους αντιδραστήρες σε διάφορες χρονικές στιγμές και αναλύονταν άμεσα. Τα δείγματα διηθούνταν με μεμβράνη 0.45 μm Millipore- filters (GN-6 Metricel Grid 47 mm, Pall Corporation). Για τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε φασματοφωτόμετρο Boeco S-20 για ορατό μήκος κύματος. Η συγκέντρωση του εξασθενούς χρωμίου προσδιορίσθηκε με την μέθοδο Cr D Colorimetric method σύμφωνα με το Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1989) στα 540nm, χρησιμοποιώντας φασματοφωτόμετρο (Boeco S-20). Ο προσδιορισμός του εξασθενούς χρωμίου γίνεται χρωματομετρικά με το σχηματισμό ερυθροπορφυρού διαλύματος σε ph 1±0.3 με την αντίδραση του 1,3-diphenylcarbazide διαλύματος. Η μέτρηση του ολικού χρωμίου πραγματοποιούνταν σύμφωνα με το Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, 1989) χρησιμοποιώντας ατομική απορρόφηση (Perkin- Elmer AAS-700). Το τρισθενές χρωμίο υπολογίστηκε ως η διαφορά μεταξύ του συνολικού και εξασθενούς χρωμίου (Παράρτημα). Η συγκέντρωση βιομάζας των υγρών καλλιεργειών εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας την συγκέντρωση πρωτεΐνης, όπως προσδιορίζεται με τη μέθοδο Lowry (Lowry et al., 1951), η οποία αποτελεί μία από τις πιο ευαίσθητες μεθόδους προσδιορισμού συγκεντρώσεων πρωτεΐνης σε βιολογικά υγρά. Στη μέθοδο αυτή εξετάστηκε επίσης η παρεμπόδιση της ίδιας της μελάσας, από την παρουσία τυχόν πρωτεϊνών σε αυτήν. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα με δείγματα τα οποία περιείχαν μόνο νερό βρύσης, θρεπτικά συστατικά (ΝΗ 4 Cl, MgSO 4 7H 2 O και Κ 2 HPO 4 ) και μελάσα (σε όλες τις συγκεντρώσεις, 0,8, 0.4 και 0.2 gc/l, που εξετάστηκαν στην παρούσα εργασία). Τα αποτελέσματα οδήγησαν στο συμπέρασμα πως η μέθοδο Lowry δεν ανιχνεύει ποσότητες πρωτεϊνών στη μελάσα. Αυτό έρχεται σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία, καθώς τα αζωτούχα προϊόντα που υπάρχουν στη μελάσα είναι 76

109 Υλικά & Μέθοδοι κυρίως ενώσεις μη πρωτεϊνικού αζώτου όπως αμίδια, αλβουμινοειδή, αμινοξέα και άλλες απλές αζωτούχες ενώσεις (Curtin, 1983). Για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων της σουκρόζης, χρησιμοποιήθηκε η χρωματομετρική μέθοδος για τον προσδιορισμό ολικών πολυσακχαριτών (Debois et al., 1956). Οι ολιγοσακχαρίτες και οι αφομοιώσιμοι πολυσακχαρίτες υδρολύονται ενζυμικώς σε όξινο περιβάλλον. Σε ισχυρά όξινο περιβάλλον και σε συνθήκες θέρμανσης, η υδρόλυση είναι πλήρης και τα προϊόντα που προκύπτουν, δηλαδή οι μονοσακχαρίτες, μετατρέπονται με ενδομοριακή συμπύκνωση σε φουρανικά παράγωγα. Τα τελευταία αντιδρούν με φαινολικές ενώσεις προς έγχρωμα προϊόντα. Αυτή η ιδιότητα των μονοσακχαριτών επιτρέπει τον προσδιορισμό όλων των αφομοιώσιμων υδατανθράκων με χρωματομετρικές μεθόδους (Παράρτημα). Ο προσδιορισμός του χημικά απαιτούμενου οξυγόνου (COD), πραγματοποιήθηκε σύμφωνα με τη μέθοδο closed reflux που περιγράφεται στο Standard Methods for the examination of water and wastewater (APHA et al. 1989). Το COD παριστά την ποσότητα του οξυγόνου που καταναλώνεται για τη χημική οξείδωση των οργανικών ενώσεων, οι οποίες περιέχονται τόσο στα υγρά απόβλητα όσο και στα φυσικά νερά. Η οξείδωση γίνεται με διχρωμικό κάλιο σε όξινο περιβάλλον και τα αποτελέσματα εκφράζονται σε mg O 2 /L νερού (Παράρτημα). Για τον προσδιορισμό του ph και της θερμοκρασίας των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε συσκευή μέτρησης ph εργαστηριακού τύπου (Hanna Instruments) 210 microprocessor ph meter. Η μέτρηση του διαλυμένου οξυγόνου γινόταν με τη βοήθεια οξυγονομέτρου (Microprocessor Dissolved Oxygen Meter) HI 9143 (Hanna Instruments SpA). 77

110 Υλικά & Μέθοδοι 2.5 Πειραματικές διατάξεις Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου Όλα τα πειράματα διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκαν σε κωνικές φιάλες με λειτουργικό όγκο 3L (Εικόνα 2.7). Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων το συνθετικά παραγόμενο λύμα το οποίο χρησιμοποιήθηκε σε όλα τα πειράματα περιείχε Cr(VI) (με τη μορφή του K 2 Cr 2 O 7 ), θρεπτικό μέσο (παράγραφος 2.2) και οργανική πηγή άνθρακα μελάσα/ορρό γάλακτος ως δότη ηλεκτρονίων. Το εναιώρημα των αντιδραστήρων βρισκόταν σε συνεχή ανάδευση στις 600 στροφές/λεπτό (rpm) σε όλα τα πειράματα. Το pη κυμαινόταν πάντα στην περιοχή 5-6, ενώ η χρήση αεραντλίας εξασφάλιζε τη συνεχή ροή αέρα μέσα στους αντιδραστήρες, διατηρώντας έτσι πάντα επαρκή αερισμό (DO>5 mg/l). Όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ελεγχόμενη θερμοκρασία δωματίου 24±2 ο C. Στην παρούσα διατριβή δε μελετήθηκε η επίδραση του ph και της θερμοκρασίας στη διεργασία αναγωγής του Cr(VI), καθώς σε εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας δεν είναι πολλές φορές δυνατή η ρύθμισή τους. Για το λόγο αυτό σε όλα τα πειράματα που ακολουθούν δεν έγινε καμία ρύθμιση του ph ενώ η θερμοκρασία διεξαγωγής τους ήταν η θερμοκρασία δωματίου. Εικόνα 2.2 Φιάλες Erlenmeyer 3L. 78

111 Υλικά & Μέθοδοι Αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας Για τα πειράματα σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας χρησιμοποιήθηκε σωλήνας από Plexiglas ύψους 160cm και εσωτερικής διαμέτρου 9cm (Πίνακας 2.3). Κατά μήκος του αντιδραστήρα υπήρχαν 10 δειγματοληπτικές βαλβίδες ίσης απόστασης μεταξύ τους (Εικόνα 2.8). Στην κορυφή του φίλτρου υπήρχε σταθερό ακροφύσιο, το οποίο διένειμε το εισερχόμενο μίγμα (νερού ρύπου) ομοιόμορφα στην επιφάνεια του φίλτρου. Ο συνολικός όγκος του αντιδραστήρα ήταν 10.1 L. Ο αρχικός λειτουργικός όγκος ήταν 8L. Μετά την προσθήκη του πληρωτικού υλικού στο φίλτρο και την ανάπτυξη της βιομάζα πάνω σε αυτό, ο λειτουργικός όγκος του αντιδραστήρα που προέκυψε ήταν 6 L. Ο αντιδραστήρας αεριζόταν τεχνητά με χρήση αεραντλίας συνδεδεμένη στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα, αλλά και με φυσικό τρόπο καθώς το επάνω μέρος του φίλτρου ήταν ανοιχτό. Τα ιζήματα χρωμίου που σχηματίζονταν καθώς και η περίσσεια της βιομάζας απομακρύνονταν από τον αντιδραστήρα με αντίστροφη πλύση (νερό 8 L/min και αέρας L/min για 5min). Η αντίστροφη πλύση πραγματοποιούνταν όταν ο χρόνος φόρτωσης του αντιδραστήρα διαρκούσε πάνω από 1.5 λεπτό καθώς και σε συνδυασμό με την οπτική παρατήρηση της αύξησης της βιομάζας. Για τις χαμηλές συγκεντρώσεις η αντίστροφη πλύση πραγματοποιούνταν κάθε 3-4 ημέρες, ενώ για συγκεντρώσεις >30mgCr(VI)/L περίπου κάθε 8 ημέρες. Πίνακας 2.1 Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά φίλτρων. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΟΥ Υλικό κατασκευής Σχήμα Ύψος Εσωτερική διάμετρος Λειτουργικός όγκος Πληρωτικό υλικό Plexiglas Κυλινδρικός σωλήνας 160 cm 9 cm 8 L Κομμάτια πλαστικά (ηλεκτρολογικό καλώδιο) 79

112 Υλικά & Μέθοδοι Εικόνα 2.3 Αντιδραστήρας σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας. 80

113 Υλικά & Μέθοδοι Το πληρωτικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν πλαστικός σωλήνας (ηλεκτρολογικός σωλήνας) με διάμετρο 1.6 cm και μήκος 1.5 cm (Εικόνα ). Εικόνα 2.4 Πλαστικό πληρωτικό μέσον βιολογικού φίλτρου. Για τον υπολογισμό της ειδικής επιφάνειας των πλαστικών σωλήνων, χρησιμοποιήθηκε ο τύπος : 2 ά 50. ί 50 r h As V ί V. Υπολογίστηκε ο συνολικός όγκος 50 πλαστικών σωλήνων μετρώντας τον όγκο του υγρού που εκτοπίζουν σε έναν ογκομετρικό κύλινδρο. Για τον υπολογισμό της επιφάνειας 50 τεμαχίων πλαστικών σωλήνων υπολογίστηκε το εμβαδόν της επιφάνειας κυλίνδρου, συμπεριλαμβάνοντας και τις πτυχώσεις του κάθε τεμαχίου. Το εμβαδόν αυτό πολλαπλασιάστηκε επί 2 φορές, αφού τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν και την εσωτερική επιφάνεια του κάθε τεμαχίου ως μέσο προσκόλλησης. 81

114 Υλικά & Μέθοδοι Εικόνα 2.5 Τεμάχια πλαστικών σωλήνων που χρησιμοποιήθηκαν ως πληρωτικό υλικό. Με την προαναφερθείσα διαδικασία προέκυψε ως συνολική ειδική επιφάνεια του πληρωτικού υλικού εντός του αντιδραστήρα 500 m 2 /m 3 και πορώδες το 0.8. Συνολικά χρησιμοποιήθηκαν 2234 κομμάτια πλαστικού. 82

115 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ 83

116

117 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 3. ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ ΕΞΑΣΘΕΝΟΥΣ ΧΡΩΜΙΟΥ ΜΕ ΜΕΙΚΤΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΣΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ 3.1 Εισαγωγή Στόχος των πειραμάτων σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης ήταν ο υψηλός ρυθμός απομάκρυνσης με χαμηλό κόστος. Πειράματα διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης, χρησιμοποιώντας διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI). Ως πηγή άνθρακα χρησιμοποιήθηκε η μελάσα, σε διάφορες συγκεντρώσεις. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση με άλλες πηγές άνθρακα από παλαιότερα πειράματα που είχαν πραγματοποιηθεί στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων, καθώς επίσης και με τη διεθνή βιβλιογραφία. Σειρές πειραμάτων πραγματοποιήθηκαν για α) τη διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς μεικτής γηγενούς καλλιέργειας που προήλθε από τα βιομηχανικά απόβλητα της ΕΑΒ Α.Ε. και β) την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών της αναγωγής του Cr(VI) στους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου αιωρούμενης ανάπτυξης Μελέτη της επίδρασης της αρχικής συγκέντρωσης του άνθρακα Μετά την διαδικασία της ανάπτυξης που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 2, πραγματοποιήθηκαν πειράματα διαλείποντος έργου σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης με αρχική ποσότητα Cr(VI) 1.5mg/L και πηγή άνθρακα μελάσα 0.8gC/L (αντιστοιχεί σε 3 g μελάσας/l) (Σχήμα 3.1). Ο αντιδραστήρας που αναπτύχθηκαν οι μικροοργανισμοί ήταν λειτουργικού όγκου 3L. Κάθε φορά που η συγκέντρωση του Cr(VI) ήταν κάτω από τα όρια ανίχνευσης, από τον αντιδραστήρα απομακρύναμε ml καλλιέργειας, προσθέτοντας αντίστοιχα την ποσότητα που αφαιρούσαμε με θρεπτικά, έτσι ώστε να αυξηθεί η συγκέντρωση του συνθετικού λύματος στα αρχικά επίπεδα, δηλαδή 1.5mg Cr(VI)/L και 0.8gC/L. Με αυτό τον τρόπο γινόταν έλεγχος και της αρχικής ποσότητας της βιομάζας, ώστε να να διατηρείται περίπου σταθερή. Σε όλα τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν η αρχική συγκέντρωση βιομάζας κυμαινόταν 85

118 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης πάντα μεταξύ 70 και 170 mg/l. Η διαδικασία αυτή αποτελούσε έναν λειτουργικό κύκλο. Σε κάθε συγκέντρωση πραγματοποιούνταν συνεχόμενοι κύκλοι, έως ότου επιτευχθεί ο μέγιστος ρυθμός αναγωγής του Cr(VI), για τουλάχιστον τρεις λειτουργικούς κύκλους. Στο Σχήμα 3.1 που ακολουθεί παρουσιάζονται οι διαδοχικοί κύκλοι για την αρχική συγκέντρωση των 1.5 mg Cr(VI)/L, ενώ στο Σχήμα 3.2 παρουσιάζονται οι 3 τελευταίοι κύκλοι με τις μεταβολές των συγκεντρώσεων του Cr(VI) και τις αντίστοιχες βιομάζες τους, με το χρόνο. Από το Σχήμα 3.1 γίνεται αντιλιπτό ότι το σύστημα αποκτά σχετικά γρήγορα σταθερή συμπεριφορά, φτάνοντας σε μόνιμη κατάστασηπερίπου μέσα σε 4 μέρες. Για την πλήρη αναγωγή των 1.5 mgcr(vi)/l απαιτείται 0.5 h. 2,00 Cr(VI) 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.1 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l 86

119 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 1,5 ppm Cr(VI) & 0,4 gr C(Molasses)/L 4,0 3,5 Βιομάζα Cr(VI) ,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,50 1,65 1, Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.2 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l, τριών λειτουργικών κύκλων σε μόνιμη κατάσταση. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν πειράματα απομάκρυνσης του Cr(VI) για ένα μεγάλο εύρος αρχικών συγκεντρώσεων, από 1,5 έως 110 mg/l. Επιλέχθηκαν να μελετηθούν έξι διαφορετικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου (1.5, 2.5, 5.0, 12.8, mg/l Σχήμα ), με αρχική συγκέντρωση πηγής άνθρακα σε όλα τα πειράματα περίπου στη τιμή των 0.8gC(μελάσα)/L. Η αρχική συγκέντρωση της βιομάζας διατηρούνταν στην περιοχή mg/l, ενώ οι φιάλες βρίσκονταν διαρκώς υπό συνεχή ανάδευση και μηχανικό αερισμό (Εικόνα 3.1). 87

120 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Εικόνα 3.1 Αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης υπό διαλείπουσα λειτουργία. 2,00 1,75 Βιομάζα Cr(VI) , , , ,75 0,50 0, ,00 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.3 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l. 88

121 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 2,50 2,25 Βιομάζα Cr(VI) , ,75 1,50 1,25 1,00 0, , , ,00 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.4 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.51 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l. 5 Βιομάζα Cr(VI) ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.5 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l. 89

122 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζα (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα Cr(VI) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.6 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 12.8 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l Βιομάζα Cr(VI) Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.7 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 32.1 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l. 90

123 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζα (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα Cr(VI) Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.8 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,8 grc(μελάσα)/l. Από τα παραπάνω πειράματα διαλείπουσας λειτουργίας σε φιάλες μεικτών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης (Σχήμα ) προκύπτει ότι η βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου ήταν δυνατή για όλες τις εξεταζόμενες συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου (1.5, 2.5, 5.0, 12.8, mg/l). Παρατηρείται σταδιακή μείωση του Cr(VI) σε σχέση με το χρόνο σε όλες τις αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI), με ταυτόχρονη αύξηση της βιομάζας. Επίσης, η αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης του εξασθενούς χρωμίου οδηγεί σε μεγαλύτερους απαιτούμενους χρόνους προκειμένου να επιτευχθεί πλήρης αναγωγή Ο μέγιστος ρυθμός αναγωγής Cr(VI) επιτεύχθηκε για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 32.1 mg/l και ήταν 4.64 mg/(l h), με ρυθμό παραγωγής βιομάζας 4.59 mg/(l h) (Πίνακας 3.1). Για τις υπόλοιπες αρχικές συγκεντρώσεις 1.5, 2.5, 5.0, 12.8, mg/l οι ρυθμοί αναγωγής ήταν 2.59, 3.34, 3.37, 3.67 και 4.20 mg/(l h), με εξίσου υψηλούς ρυθμούς παραγωγής βιομάζας, έως mg/(l h). Υπολογίζοντας τον ρυθμό αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου συνυπολογίζοντας την βιομάζα προκύπτει η έκφραση mgcr(vi)/(gβιομάζας h). Από τα αποτελέσματα παρατηρούμε παρόμοια συμπεριφορά με την έκφραση του ρυθμού αναγωγής 91

124 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης mg/(l h), ωστόσο ο μέγιστος ρυθμός αναγωγής, mg/(gβιομάζας h), μετατοπίζεται σε μικρότερη αρχική συγκέντρωση Cr(VI), 2.51mg/L (Πίνακας 3.1). Η συγκέντρωση του άνθρακα ελέγχονταν με τον προσδιορισμό της συγκεντρώσεων της σουκρόζης (μέθοδο Debois). Στο τέλος κάθε πειράματος πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του άνθρακα όπου επιβεβαίωσαν ότι η εξεταζόμενη συγκέντρωση ήταν σε περίσσεια με αποτέλεσμα ο άνθρακας να μην αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών κατά την διάρκεια των πειραμάτων. Ο έλεγχος του d-cod δεν ήταν συστηματικός. Ωστόσο, μετρήσεις τόσο στην είσοδο όσο και στην έξοδο (τέλος κάθε κύκλου) του αντιδραστήρα έδειξαν ότι η συγκέντρωση του d-cod ήταν mg/l και mg/l, αντίστοιχα. Πίνακας 3.1 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και παραγωγής βιομάζας με χρήση μελάσας για συγκέντρωση οργανικού άνθρακα 0.8 g C(μελάσα)/L. Πηγή Άνθρακα: 0.8 g C(μελάσα)/L Συγκέντρωση Cr(VI) mg/l Ρυθμός αναγωγής Cr(VI) mg/(l h) Ρυθμός αναγωγής Cr(VI) mg/(g βιομάζας h) Ρυθμός παραγωγής βιομάζας Cr(VI) mg/(l h)

125 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Στη συνέχεια δύο νέες σειρές πειραμάτων διεξήχθησαν ώστε να μελετηθεί η βέλτιστη συγκέντρωση πηγής άνθρακα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πλήρη αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Παράλληλα μειώνοντας την αρχική συγκέντρωση του άνθρακα μπορούμε να μειώσουμε ακόμα περισσότερο τη συγκέντρωση του d- COD στην έξοδο του αντιδραστήρα. Οι ποσότητες που μελετήθηκαν ήταν 0.4 και 0.2 gc(μελάσας)/l. Στα Σχήματα και που ακολουθούν παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα μείωσης του Cr(VI) και παραγωγής βιομάζας για τις συγκεντρώσεις 0.4 και 0.2 gc(μελάσας)/l, αντίστοιχα. Πειραματικά αποτελέσματα 0.4gC/L 2,00 1,75 Βιομάζα Cr(VI) 100 1, ,25 1, ,75 0, ,25 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.9 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 93

126 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 2,50 2,25 Βιομάζα Cr(VI) 125 2, ,75 1, ,25 1, ,75 0, ,25 0,00 0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.10 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.52 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 6 5 Βιομάζα Cr(VI) ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.11 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5.02 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 94

127 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα Cr(VI) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.12 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l Βιομάζα Cr(VI) ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.13 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 95

128 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα Cr(VI) Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.14 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. Βιομάζα 25,0 Cr(VI) 22, , ,5 15,0 12, ,0 7,5 5,0 2, , Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.15 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 96

129 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα Cr(VI) Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.16 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,4 grc(μελάσα)/l. 97

130 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Πειραματικά αποτελέσματα 0.2gC/L 2,00 1,75 Βιομάζα Cr(VI) 100 1, ,25 1, ,75 0, ,25 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.17 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.47 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l. 2,50 2,25 Βιομάζα Cr(VI) ,00 1, ,50 1, ,00 0, , ,25 0,00 0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.18 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.33 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l. 98

131 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 3,25 3,00 Cr(VI) 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.19 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 3.1 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης 0,2 grc(μελάσα)/l. Από τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνεται ότι για τις συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα 0.2 και 0.4 gc(μελάσα)/l, μπορούμε να απομακρύνουμε με ασφάλεια μέχρι 2.3 και 25.3 mgcr(vi)/l, αντίστοιχα. Για υψηλότερες συγκεντρώσεις Cr(VI) δεν επιτεύχθη πλήρης αναγωγή Cr(VI), ενώ η ανάπτυξη της βιομάζας σταματούσε με την παύση αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου (Σχήμα 3.16). Μετρήσεις του άνθρακα (μέσω μέτρησης σακχαρόζης) στο τέλος κάθε πειράματος, επιβεβαίωσαν ότι οι εξεταζόμενες συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα, 0.2 και 0.4 gc(μελάσα)/l, δεν ήταν σε περίσσεια (σε αντίθεση με τη συγκέντρωση των 0.8 gc(μελάσα)/l), με αποτέλεσμα ο άνθρακας να αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών κατά τη διάρκεια των συγκεκριμένων πειραμάτων. Σε όλες τις εξεταζόμενες συγκεντρώσεις παρατηρήθηκε μία σταδιακή μείωση της συγκέντρωσης του Cr(VI), με παράλληλη ανάπτυξη της βιομάζας. Οι μέγιστοι ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) που επιτεύχθηκαν χρησιμοποιώντας 0.4 και 0.2 gc(μελάσα)/l, ήταν 3.65 mg/lh για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) mg/l και 1.47 mg Cr(VI)/Lh για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 1.47 mg/l, αντίστοιχα (Πίνακας 3.2). 99

132 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Πίνακας 3.2 Ρυθμοί αναγωγής εξασθενούς χρωμίου και παραγωγής βιομάζας με χρήση μελάσας για συγκέντρωση οργανικού άνθρακα στα και 0.8 gc(μελάσα)/l. Πηγή Άνθρακα: 0.8 g C(μελάσα)/L Πηγή Άνθρακα: 0.4 g C(μελάσα)/L Πηγή Άνθρακα: 0.2 g C(μελάσα)/L Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Ρυθμός Συγκέντρ Ρυθμός Συγκέντρ Ρυθμός Συγκέντ Ρυθμός αναγωγής παραγωγής αναγωγής παραγωγής αναγωγής παραγωγής ωση αναγωγής ωση αναγωγής ρωση αναγωγής Cr(VI) βιομάζας Cr(VI) βιομάζας Cr(VI) βιομάζας Cr(VI) Cr(VI) Cr(VI) Cr(VI) Cr(VI) Cr(VI) mg/(g Cr(VI) mg/(g Cr(VI) mg/(g Cr(VI) mg/l mg/(l h) mg/l mg/(l h) mg/l mg/(l h) βιομάζας h) mg/(l h) βιομάζας h) mg/(l h) βιομάζας h) mg/(l h)

133 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Σύγκριση ρυθμών αναγωγής εξασθενούς χρωμίου με χρήση διαφόρων πηγών άνθρακα (Οξικό νάτριο Ζάχαρη Μελάσα) Πειράματα διαλείπουσας λειτουργίας σε φιάλες μεικτών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Περιβαλλοντικών Συστημάτων και από άλλους ερευνητές με διαφορετική πηγή άνθρακα. Η Δέρμου (2007) στην διδακτορική της διατριβή απομόνωσε μικροοργανισμούς από την ΕΑΒ Α.Ε. και μελέτησε τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, υπό αερόβιες συνθήκες. Οι αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) που μελετήθηκαν ήταν από mg/l ενώ η πηγή άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε ήταν το οξικό νάτριο, συγκέντρωσης 0,8gC/L. Μικροβιακή ανάλυση της καλλιέργειας έδειξε ότι οι κυρίαρχες κοινότητες ήταν βακτηριακά είδη όπως το Acinetobacter lwoffii, Defluvibacter lusatiensis, Pseudoxanthomonas japonensis, Mesorhizium chacoense, και Flavobacterium suncheonense. Στη συνέχεια οι Tekerlekopoulou et al. (2010) και (2013) ανέπτυξαν μία νέα μεικτή καλλιέργεια αλλάζοντας την πηγή άνθρακα από οξικό νάτριο σε ζάχαρη, διατηρώντας όμως, όλες τις υπόλοιπες συνθήκες σταθερές (συγκεντρώσεις Cr(VI), συγκέντρωση πηγής άνθρακα, ανάδευση, μηχανικό αερισμό και μη ρύθμιση ph). Η ανάλυση της καλλιέργειας έδειξε ότι οι κυρίαρχες κοινότητες ήταν στελέχη μυκήτων, με μικρότερη παρουσία βακτηρίων. Συγκεκριμένα η ταυτοποίηση της μικροβιακής κοινότητας της μεικτής καλλιέργειας έδειξε ότι οι κυρίαρχες βακτηριακές κοινότητες αποτελούνταν από μέλη των βακτηριών Raoultella sp., Citrobacter sp., Klebsiella sp., Salmonella sp., Achromobacter sp. και Kerstersia sp. ενώ τα κυρίαρχα µυκητιακά στελέχη ήταν το Pichia jadinii και Trichoderma viride. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά χρησιμοποιήθηκε η καλλιέργεια που αναπτύχθηκε με τη ζάχαρη. Στην καλλιέργεια αυτή χρησιμοποιήθηκε η μελάσα ως πηγή άνθρακα και έλαβαν χώρα πειράματα παραπλήσια εκείνων που είχαν διεξαχθεί με τη ζάχαρη και το οξικό νάτριο. Η ανάλυση της μεικτής καλλιέργειας, που πραγματοποιήθηκε στο ΑΠΘ, στο τμήμα Βιολογίας, Τοµέας Γενετικής, Ανάπτυξης & Μοριακής Βιολογίας έδειξε ότι οι κυρίαρχες κοινότητες ήταν βακτήρια του γένους Klebsiella. Συγκρίνοντας τους ρυθμούς αναγωγής του Cr(VI) με τη χρήση των τριών διαφορετικών πηγών άνθρακα (Σχήμα 3.20), η μελάσα παρουσιάζει τους υψηλότερους. Η υψηλή αυτή απόδοση της μελάσας ως προς την διεργασία αναγωγής 101

134 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης του εξασθενούς χρωμίου, παρατηρήθηκε και από άλλους ερευνητές τόσο με τη χρήση μεικτών καλλιεργειών (Dönmez and Koçberber, 2005), όσο και καθαρών καλλιεργειών (Kilic and Donmez, 2007; Sugiyama et al., 2012; Field et al., 2013). Η μελάσα περιέχει ιχνοστοιχεία που μπορεί να επηρεάσουν τους μικροοργανισμούς για την καλύτερη αναγωγή του Cr(VI) (Sugiyama et al., 2012). Στην καλλιέργεια με την μελάσα παρατηρήθηκε υψηλός ρυθμός αναγωγής Cr(VI) (4.59 mg/(l h)) ακόμη και για την υψηλή αρχική συγκέντρωση των 30 mg/l, ενώ για υψηλότερες αρχικές συγκεντρώσεις η καλλιέργεια παρουσίασε μείωση του ρυθμού αναγωγής (Σχήμα 3.20). Ωστόσο όμως, ακόμα και για τις υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) που εξετάστηκαν (μέχρι 100 mg/l), ο ρυθμός αναγωγής εξακολουθεί να είναι μεγάλος (4.20 mg/(l h)) σε σχέση με την βιβλιογραφία (Πίνακας 3.3). Παρόμοια συμπεριφορά των τιμών του ρυθμού αναγωγής Cr(VI) με τη μελάσα ακολουθεί και η καλλιέργεια με το οξικό νάτριο, αλλά με πολύ χαμηλότερους ρυθμούς αναγωγής. Ο μέγιστος ρυθμός, 0.5 mg/(l h), επιτυγχάνεται για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 30 mg/l και είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο ρυθμό με πηγή άνθρακα τη μελάσα κατά 9.2 φορές. Ενώ για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) περίπου 100 mg/l ο ρυθμός αναγωγής για την καλλιέργεια με το οξικό νάτριο είναι μηδενικός. Όσον αφορά τους ρυθμούς αναγωγής Cr(VI) με την καλλιέργεια της ζάχαρης, παρατηρείται αύξηση των ρυθμών μέχρι και την αρχική συγκέντρωση των 13mg/L και ρυθμό αναγωγής 2.0 mg/(l h), ενώ για μεγαλύτερες αρχικές συγκεντρώσεις, αύξηση της αρχικής συγκέντρωσης οδηγεί σε μείωση του ρυθμού αναγωγής. Αυτή η μείωση των ρυθμών οφείλεται στην τοξική δράση του Cr(VI) όταν αυτό βρίσκεται σε υψηλές συγκεντρώσεις. Η χρήση μελάσας ως πηγή άνθρακα αυξάνει τον ρυθμό αναγωγής από 1.8 έως 15.5 και από 9.1 έως 15.5 φορές περισσότερο από ότι η χρήση της ζάχαρης και του οξικού νατρίου, αντίστοιχα. Επίσης από τα πειραματικά αποτελέσματα και εξετάζοντας τον λόγο αναγόμενου Cr(VI) προς βιομάζα νέων κυττάρων, συμπεραίνεται ότι με τη χρήση μελάσας απαιτείται μικρότερη παραγωγή νέας βιομάζας για την αναγωγή μεγαλύτερης ποσότητας Cr(VI). Συγκεκριμένα, η καλλιέργεια με την μελάσα παρουσίασε λόγο αναγόμενου Cr(VI)/βιομάζα νέων κυττάρων περίπου 4.16 mg Cr(VI)/ mg βιομάζα, σε σχέση με τη ζάχαρη, που ήταν μόλις 0.87 mg Cr(VI)/ mg βιομάζα. 102

135 Ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) (mg/lh) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 Οξικό Νάτριο Ζάχαρη Μελάσα 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) (mg/l) Σχήμα 3.20 Σύγκριση ρυθμών αναγωγής για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου και για διάφορες πηγές άνθρακα (Μελάσα, Ζάχαρη, Οξικό νάτριο). Προσθέτοντας στο Σχήμα 3.20 και τα αποτελέσματα των ρυθμών αναγωγής του Cr(VI) με τη χρήση μελάσας σε συγκεντρώσεις 0.2 και 0.4 gc/l, προκύπτει το Σχήμα Σύμφωνα με το σχήμα αυτό, οι ρυθμοί αναγωγής για τις μικρότερες συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα και για τις αρχικές συγκεντρώσεις χρωμίου που παρουσίασαν πλήρη αναγωγή, εξακολουθούν να είναι αρκετά υψηλοί σε σχέση με τη ζάχαρη και το οξικό νάτριο. Ωστόσο, η μελάσσα σε συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα 0.2 και 0.4 gc/l δεν ήταν σε θέση να απομακρύνει μεγάλες ποσότητες εξασθενούς χρωμίου, παρουσιάζοντας πλήρη αναγωγή μόνο για αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου 2.3 και 25.3 mg/l. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συγκεντρώσεις των 0.2 και 0.4 gc/l δεν ήταν σε περίσσεια, καθιστώντας τον οργανικό άνθρακα περιοριστικό παράγοντα. 103

136 Ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) (mg/(lh)) Cr(VI) removal rate (mg/lh) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Μελάσα 0.8 gc/l Μελάσα 0.4 gc/l Μελάσα 0.2 gc/l Ζάχαρη 0.8 gc/l Οξικό Νάτριο 0.8 gc/l Initial Cr(VI) concentration (mg/l) Αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) (mg/l) Σχήμα 3.21 Σύγκριση ρυθμών αναγωγής για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου και για διάφορες πηγές και ποσότητες άνθρακα (Μελάσα, Ζάχαρη, Οξικό νάτριο). Συνυπολογίζοντας τη βιομάζα στον ρυθμό αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου προκύπτει μία άλλη έκφραση του ρυθμού αναγωγή, mgcr(vi)/(gβιομάζας h). Στο Σχήμα 3.22 παρουσιάζεται η νέα έκφραση του ρυθμού αναγωγής σε σχέση με τις αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) που εξετάστηκαν. Γίνεται αντιληπτό πως οι μέγιστες τιμές του ρυθμού αναγωγής με χρήση μελάσας μετατοπίζονται σε χαμηλότερες αρχικές τιμές συγκέντρωσης του Cr(VI). Ωστόσο, οι ρυθμοί αναγωγής παραμένουν αρκετά υψηλοί. Η μέγιστη τιμή αναγωγής επιτεύχθηκε για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 2.5 mg/l με ρυθμό αναγωγής mgcr(vi)/(g βιομάζας h) και για ποσότητα άνθρακα 0.8gC/L. 104

137 Ρυθμοί αναγωγής (mg C(VI)/(g biomass h)) Ρυθμοί αναγωγής (mg C(VI)/(g biomass h)) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) (mg/l) Μελάσα 0.8 gc/l Μελάσα 0.4 gc/l Μελάσα 0.2 gc/l Αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI) (mg/l) Σχήμα 3.22 Ρυθμοί αναγωγής (mg Cr(VI)/ g biomass h) με χρήση μελάσας για διάφορες αρχικές συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιήθηκε η έκφραση του ρυθμού αναγωγής, mg/(l h), προκειμένου να συγκριθούν τα πειραματικά αποτελέσματα από τους αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης με τους αντιδραστήρες σταθερή κλίνης πιλοτικής κλίμακας, όπου δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε τη συγκέντρωση της βιομάζας Κόστος επεξεργασίας Το κόστος επεξεργασίας για τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου στον αντιδραστήρα αιωρούμενης ανάπτυξης συνδέεται άμεσα με τη χρήση του οξυγόνου καθώς επίσης και την πηγή άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε. Η τιμή της μελάσας που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του κόστους επεξεργασίας ήταν 0.13 /kg, ενώ η τιμή για την παροχή οξυγόνου ανέρχεται σε 0.07 /m 3 (υπολογίστηκε βάση της κατανάλωσης ρεύματος μίας αεραντλίας). Το συνολικό κόστος επεξεργασίας, χρησιμοποιώντας τη μελάσα ως πηγή άνθρακα, ανέρχεται 0.17, 0.27, 0.46 /m 3 για την ποσότητα άνθρακα 0.2, 0.4, 0.8 g/l, αντίστοιχα. Συγκρίνοντας το κόστος επεξεργασίας της μελάσας με άλλες πηγές άνθρακα, χρησιμοποιώντας την ίδια ποσότητα άνθρακα (0.8gC/L), παρατηρήθηκε ότι αυτό αυξάνεται με τη χρήση της ζάχαρης στα 1.59 /m 3 ενώ για το οξικό νάτριο φτάνει στα 123,07 /m 3. Συμπερασματικά το κόστος επεξεργασίας χρησιμοποιώντας ως πηγή άνθρακα τη μελάσα είναι μικρότερο από αυτό με τη ζάχαρη και του οξικού νατρίου. 105

138 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Πίνακας 3.3 Σύγκριση αποτελεσμάτων αντιδραστήρων αιωρούμενης ανάπτυξης με τη βιβλιογραφία. Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch experiments Batch experiments Batch experiments Batch experiments Μικροοργανισμοί Cellulomonas sp. strain ES6 Cr (mg/l) Μεικτή καλλιέργεια 50 Καθαρή καλλιέργεια (διάφορα στελέχη) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Δότης ηλεκτρονίων Αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης Acinetobacter junii 20 Flexivirga alba ST13T 4.1 Ρυθμός/Απόδοση Ζάχαρη 1.44 gc/l Cr(VI) ~0.029 mg/(l h) Μελάσα 1.44 gc/l ~0.05 mg/(l h) Ζάχαρη 1.44 gc/l AQDS ~0.25 mg/(l h) Μελάσα 1.44 gc/l ~0.25 mg/(l h) Γλυκόζη 1 g/l 35.1% Μελάσα (~10 g/l Αερόβιες 98.8% Σουκρόζη) συνθήκες Μελάσα (~10 g/l % Σουκρόζη) Γλυκόζη (2%, w/w) 39% Φρουκτόζη (2%, w/w) 10% Λακτόζη (2%, w/w) Αερόβιες 7% Μαλτόζη (2%, w/w) συνθήκες 33% Άμυλο (2%, w/w) 17% Μελάσα (2%, w/w) 34% Γλυκόζη ( %, w/w) Αερόβιες mg/(l h) Μελάσα ( %, συνθήκες w/w) mg/(l h) Αναφορά (Field et al., 2013) (Dönmez and Koçberber, 2005) (Mrudula et al., 2012) (Sugiyama et al., 2012) 106

139 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Σύστημα / Cr Πηγή Άνθρακα Τρόπος Μικροοργανισμοί (mg/l) (συγκέντρωση) λειτουργίας Batch Arthrobacter rhombi- Μελάσα (2 g/l) = 3 g 20 experiments RE-aerobic COD/L Μελάσα (αντιστοιχεί με Batch cultures Micrococcus sp g/l ζάχαρη) Μεικτή ενδογενή Batch cultures 32.1 Μελάσα (0.8 gc/l) καλλιέργεια Δότης ηλεκτρονίων Αερόβιες συνθήκες Αερόβιες συνθήκες Αερόβιες συνθήκες Ρυθμός/Απόδοση 99.6% % (2% NaCl) 4.59 mg/(l h)/100% Αναφορά (Elangovan and Philip, 2009) (Kilic and Donmez, 2007) (Michailides et al., 2015) Batch experiments Batch experiments Batch experiments Batch experiments Μεικτή ενδογενή Οξικό νάτριο Αερόβιες 8 καλλιέργεια 0.88 g C/L συνθήκες 0.8 mg/(l h) Aspergillus niger Γλυκόζη x ~98.75% Οξικό x ~92.5% Ταννίνη x Αερόβιες 85% 20 Aspergillus parasiticus Γλυκόζη x συνθήκες ~90% Οξικό x ~83.5 Ταννίνη x 68.8% Bacillus Γλυκόζη 1% 2.2 mg/(l h)/14.6% amyloliquefaciens Φρουκτόζη 12.6% 100 Λακτόζη Cr(VI) 10.1% Ζάχαρη 7.7% Οξικό νάτριο 4.3% E. coli BL21 Γλυκόζη(4 g/l) 10.3 mg/(l h) 32 Κιτρικό νάτριο (4.26 g AQS COD/L) 10.3 mg(/l h) (Dermou and Vayenas, 2008) (Shugaba et al., 2012) (Das et al., 2014) (Guo et al., 2012) 107

140 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch experiments Batch reactor Batch cultures Batch cultures Μικροοργανισμοί Cr (mg/l) Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Δότης ηλεκτρονίων Ρυθμός/Απόδοση Ζάχαρη (4.26 g COD/L) 6.4 mg/(l h) Sodium sucinate (4.26 g COD/L) 5.33 mg/(l h) Οξικό νάτριο (4.26 g COD/L) 5.33 mg/(l h) Halomonas sp. Γλυκόζη (1 g/l) 0.77 mg/(l h)/59.17% Κιτρικό 51.65% Λακτόζη 52.25% 40 Φρουκτόζη Αερόβιες 58.82% Οξικό συνθήκες 56.15% Succinate 49.65% NADH 79.62% NADPH 89.65% Bacillus sp. Αερόβιες 0.1 Οξικό νάτριο (5 g/l) Staphylococcus capitis συνθήκες 81% Βακτήρια Οξικό νάτριο mg/(l h) (10 g/l/1.77 gc/l) Αερόβιες Yeast Ζάχαρη συνθήκες mg/(l h) (4.18 g/l/1.77 gc/l) Μεικτή ενδογενή Λακτόζη (10 mm) ± 1.14% καλλιέργεια Αερόβιες 100 Φρουκτόζη (10 mm) ± 5.03% συνθήκες Γλυκόζη (10 mm) ± 1.56% Αναφορά (Murugavelh and Mohanty, 2012) 85% (Zahoor and Rehman, 2009) (Tekerlekopoulou et al., 2010) (Joutey et al., 2011) 108

141 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch cultures Batch cultures Μικροοργανισμοί Paecilomyces sp. Βακτηριακές καλλιέργειες Cr (mg/l) 50 5 Πηγή Άνθρακα (συγκέντρωση) Δότης ηλεκτρονίων Ρυθμός/Απόδοση Γλυκερόλη (10 mm) ± 0.54% Γλυκόζη 99.17% Ζάχαρη 100%/0.297 mg/(l h) Αερόβιες Φρουκτόζη 94.28% συνθήκες Κιτρικό 81.5% Γλυκερόλη 99% Οξικό 2 g/l ~92.5% L_Asparagine 2 g/l ~87.5% Κιτρικό 2 g/l ~45% CO2 +H2 2 g/l ~93.75% Αιθανόλη 2 g/l ~93.75% Γλυκερόλη 2 g/l ~93.75% Glycolate 2 g/l ~87.5% 2-Ketoglutarate 2 g/l Αερόβιες ~35% l-lactate 2 g/l συνθήκες ~46.5% PropyleneGlycol 2 g/l ~93.75% Pyruvate 2 g/l ~40% Succinate 2 g/l ~25% Thiosulfate + CO2 2 g/l ~97.5% d-xylose 2 g/l ~87.5% Αναφορά (Cardenas-Gonzalez and Acosta-Rodriguez, 2010) (Smith et al., 2002) 109

142 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Σύστημα / Τρόπος λειτουργίας Batch cultures Μικροοργανισμοί Μεικτή ενδογενή καλλιέργεια Cr Πηγή Άνθρακα (mg/l) (συγκέντρωση) Ζάχαρη (0.8 gc/l) Δότης ηλεκτρονίων Αερόβιες συνθήκες Ρυθμός/Απόδοση 2 mg/(l h)/100% Αναφορά (Tekerlekopoulou et al., 2013) 110

143 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 3.2 Μελέτη του μηχανισμού της βιολογικής αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάστηκαν οι κύριοι μηχανισμοί μέσω των οποίων οι μικροοργανισμοί ανάγουν το εξασθενές χρώμιο. Οι βιολογικές αυτές διεργασίες αναφέρονται στην αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου σε τρισθενές και περιλαμβάνουν τη βιοπροσρόφηση, τη βιορόφηση και τη μικροβιακή ενζυμική αναγωγή. Ο προσδιορισμός του μηχανισμού που ευθύνεται για τη βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου είναι μία περίπλοκη και δύσκολη διαδικασία. Αποτελεί, βέβαια, σημαντική παράμετρο η κατανόηση της διεργασίας που λαμβάνει χώρα, έτσι ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον κατάλληλο μικροοργανισμό ανάλογα με την εκάστοτε περίπτωση. Στο πλαίσιο αυτό πραγματοποιήθηκαν δύο διαφορετικά πειράματα για τη μελέτη του πιθανού μηχανισμού που χρησιμοποιούν οι μεικτές καλλιέργειας, της παρούσας διδακτορικής διατριβής, για την απομάκρυνση του εξασθενούς χρωμίου. Το πρώτο πείραμα είχε σκοπό τη μελέτη της βιοπροσρόφησης της βιομάζας, ενώ το δεύτερο πείραμα την παρουσία διαλυτών ενζύμων στο εξωκυττάριο υγρό των μικροοργανισμών για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου Βιοπροσρόφηση του χρωμίου στα κύτταρα των μικροοργανισμών Για να εξεταστεί η δυνατότητα της βιοπροσρόφησης του εξασθενούς χρωμίου στη μεικτή καλλιέργεια πραγματοποιήθηκε πείραμα απουσία πηγής άνθρακα. Οι λειτουργικές συνθήκες του πειράματος αυτού παρέμειναν σταθερές (διαλυμένο οξυγόνο>4 mg/l, μηχανική ανάδευση), συμφώνα με τα περάματα που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Μελετήθηκαν δύο αρχικές συγκεντρώσεις Cr(VI), 5.01 και mg/l. Όπως φαίνεται στα Σχήματα 3.23 και 3.24 δεν παρατηρείται μεταβολή της συγκέντρωσης του εξασθενούς χρωμίου, τόσο στα 5 όσο και στα 30 mg/l. Επίσης και στα δύο πειράματα παρατηρήθηκε ότι απουσία πηγής άνθρακα, δεν υπάρχει καθόλου ανάπτυξη της βιομάζας (Σχήμα ). Από την άλλη, η προσθήκη πηγής άνθρακα (Σχήμα ) ενεργοποιεί την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου από τους μικροοργανισμούς και για τις δύο συγκεντρώσεις που εφαρμόστηκαν. 111

144 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l), Sucrose (g/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l), Sucrose (g/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Βιομάζα 6 Cr(VI) Sucrose ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.23 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης απουσία πηγής άνθρακα Βιομάζα Cr(VI) Sucrose Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.24 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης απουσία πηγής άνθρακα. 112

145 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Βιομάζας (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 7 6 Cr(VI) Απουσία Άνθρακα Cr(VI) Παρουσία Άνθρακα Βιομάζα Απουσία Άνθρακα Βιομάζα Παρουσία Άνθρακα ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Χρόνος (Ώρες) 0 Σχήμα 3.25 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης, παρουσία και απουσία πηγής άνθρακα Cr(VI) Απουσία Άνθρακα Cr(VI) Παρουσία Άνθρακα Βιομάζα Απουσία Άνθρακα Βιομάζα Παρουσία Άνθρακα Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.26 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) και της βιομάζας συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 30 mg/l σε πειράματα υγρών καλλιεργειών αιωρούμενης ανάπτυξης, παρουσία και απουσία πηγής άνθρακα. 113

146 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Συνεπώς, μπορούμε να ισχυριστούμε ότι στην συγκεκριμένη μεικτή καλλιέργεια δεν υπάρχει προσρόφηση του χρωμίου από τους μικροοργανισμούς, οπότε ο μηχανισμός της βιοπροσρόφησης δεν ευθύνεται για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου στο σύστημά μας Μελέτη της έξω-κυτταρικής δράσης των μικροοργανισμών στην αναγωγή του Cr(VI) Το επόμενο πείραμα που πραγματοποιήθηκε είχε κύριο στόχο τη διερεύνηση, απουσία μικροοργανισμών, της δράσης διαλυτών εξωκυττάριων ενζύμων της μεικτής καλλιέργειας που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα μας, για την αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. Στο πλαίσιο αυτού του πειράματος διηθήθηκε ποσότητα 1.5L με φίλτρα Whatman filter και στη συνέχεια με φίλτρα 0.45 μm Millipore- filters για την απομάκρυνση όλων των μικροοργανισμών. Στο διηθημένο αιώρημα, ποσότητας 500mL, προστέθηκαν θρεπτικά (ανάλογες ποσότητες όπως στα πειράματα μας), εξασθενές χρώμιο συγκέντρωσης 5 mg/l και πηγή άνθρακα μελάσα σε δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις 0.4 (Σχήμα 3.27) και 0.8 gc/l (Σχήμα 3.28). Καθ' όλη τη διάρκεια του πειράματος υπήρχε μηχανική ανάδευση και αερισμός. Όπως φαίνεται στα Σχήματα 3.27 και 3.28, η μεταβολή της συγκέντρωσης του εξασθενούς χρωμίου είναι πολύ μικρή στο διηθημένο αιώρημα. Το ποσοστό μείωσης μετά από 1.5 ώρες (που ήταν ο βέλτιστος χρόνος πλήρους απομάκρυνσης των 5 mg/l παρουσία μικροοργανισμών και πηγής άνθρακα) κυμάνθηκε μεταξύ 12 και 16% και για τις δύο συγκεντρώσεις οργανικού άνθρακα που εξετάστηκαν. Από το αποτέλεσμα αυτό καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι τα διαλυτά εξωκυττάρια ένζυμα της μεικτής καλλιέργειας δεν είναι υπεύθυνα για την αναγωγή εξασθενούς χρωμίου στο σύστημά μας. 114

147 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 6 Διηθημένο Αιώρημα ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.27 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) στο διηθημένο αιώρημα και συγκέντρωση 0.4 grc(μελάσα)/l. 6 Διηθημένο Αιώρημα ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.28 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) στο διηθημένο αιώρημα και συγκέντρωση 0.8 grc(μελάσα)/l. 115

148 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης Συγκρίνοντας τα πειραματικά αποτελέσματα των τριών πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν, απουσία πηγής άνθρακα (μελάσας), διηθημένο αιώρημα (απουσία μικροοργανισμών) και μεικτή καλλιέργεια με πηγή άνθρακα τη μελάσα, συμπεραίνουμε ότι στο σύστημά μας κρίνεται απαραίτητη τόσο η παρουσία πηγής άνθρακα όσο και μικροοργανισμών για την επίτευξη αναγωγής του Cr(VI). (Σχήματα 3.29 και 3.30). Συνεπώς, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι στην μεικτή καλλιέργεια της παρούσας διδακτορικής διατριβής ο μηχανισμός που ανάγει το εξασθενές χρώμιο σε τρισθενές είναι κυρίως η μικροβιακή αναγωγή, δίχως να αποκλείουμε την συνέργια των υπολοίπων διεργασιών σε ένα μικρό ποσοστό, με αποτέλεσμα την πλήρη αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου. 6 Απουσία Άνθρακα Διηθημένο Αιώρημα Μεικτή καλλιέργεια ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.29 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα α)απουσία Άνθρακα (Μελάσα), β) διηθημένο αιώρημα και γ) μεικτή καλλιέργεια με συγκέντρωση άνθρακα 0.4 grc(μελάσα)/l. 116

149 Συγκέντρωση Cr(VI) (mg/l) Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 6 Απουσία Άνθρακα Διηθημένο Αιώρημα Μεικτή καλλιέργεια ,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 Χρόνος (Ώρες) Σχήμα 3.30 Μεταβολή της συγκέντρωσης του Cr(VI) συναρτήσει του χρόνου για αρχική συγκέντρωση Cr(VI) 5 mg/l σε πειράματα α)απουσία Άνθρακα (Μελάσα), β) διηθημένο αιώρημα και γ) μεικτή καλλιέργεια με συγκέντρωση άνθρακα 0.8 grc(μελάσα)/l. 117

150 Αντιδραστήρες Αιωρούμενης Ανάπτυξης 3.3 Συμπεράσματα Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τα πειράματα κινητικής που πραγματοποιήθηκαν στους αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης με τη χρήση γηγενών αερόβιων μεικτών καλλιεργειών, είναι τα εξής: Τα πειράματα διαλείποντος έργου έδειξαν με σαφήνεια πως οι υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI) αποτελούν παρεμποδιστικό παράγοντα για τη ανάπτυξη των μικροργανισμών. Η χρήση μεικτών καλλιεργειών οδηγεί σε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και σε υψηλές συγκεντρώσεις εξασθενούς χρωμίου έως και 105 mg/l Cr(VI). Οι ρυθμοί αναγωγής Cr(VI) που επιτεύχθηκαν στο συστήματα αιωρούμενης ανάπτυξης μεικτών καλλιεργειών, με πηγή άνθρακα τη μελάσα, είναι οι υψηλότεροι που υπάρχουν στη βιβλιογραφία. Ο μέγιστος ρυθμός που επιτεύχθηκε είναι εκείνος των 4.59mg/L h, για αρχική συγκέντρωση mg/l Cr(VI), ενώ ακόμα και για υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI) (έως mg/l) ο ρυθμός αναγωγής εξακολουθεί να είναι υψηλός (4.20mg/L h). Η επιλογή της κατάλληλης πηγής άνθρακα παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των μικροοργανισμών και τη βέλτιστη απομάκρυνση του Cr(VI). Η μελάσα, που αποτελεί μία πολύ οικονομική πρώτη ύλη (0.13 /Kg), πλούσια σε θρεπτικά συστατικά, αποδείχθηκε πολύ αποτελεσματική, εμφανίζοντας υψηλούς ρυθμούς αναγωγής. Το κόστος επεξεργασίας, χρησιμοποιώντας τη μελάσα ως πηγή άνθρακα, ανέρχεται περίπου 0.17, 0.27, 0.46 /m 3 για την ποσότητα άνθρακα 0.2, 0.4, 0.8 g/l, αντίστοιχα. Η αρχική συγκέντρωση μελάσας φαίνεται να επηρεάζει τον ρυθμό αναγωγής του Cr(VI). Ο μέγιστος ρυθμός παρατηρήθηκε για συγκέντρωση 0.8gC/L. Η συγκέντρωση άνθρακα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή είναι από τις μικρότερες στη βιβλιογραφία, οδηγώντας ωστόσο σε μεγάλους ρυθμούς αναγωγής. Ο κύριος μηχανισμός αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου φαίνεται να είναι η μικροβιακή αναγωγή. 118

151 Αντιδραστήρες Σταθερής Κλίνης Πιλοτικής Κλίμακας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΚΛΙΝΗΣ ΠΙΛΟΤΙΚΗΣ ΚΛΙΜΑΚΑΣ 119