Χρήση φυκών ως βιοφίλτρων για την απομάκρυνση ανόργανων θρεπτικών από αστικά απόβλητα βιολογικών καθαρισμών

Abstract

Algae are currently used in a wide variety of human activities. Many algae are used as diet supplements, and some as biodiesel. Known substances made from algae are currently in use in the industry, such as agar that is produced from red algae. Moreover, algae are responsible for the production of substances with therapeutic value. For example, antibiotic or antiviral agents have been isolated from algae, some of them being useful in the battle against HIV and HSV. One of the most important applications of algae is their use as biofilters in aquacultures and waste water facilities. Due to human activities, such as increased fertilization usage and increased sewage effluent, there is high risk of eutrophication in coastal waters. To counteract the undesirable effects of nutrients from secondarily treated sewage, tertiary treatment is sometimes applied. This usually involves the use of expensive or environmentally damaging chemicals. An interesting alternative is the cultivation of algae in the effluent. Microalgae have long been used for treating sewage, particularly in developing tropical countries. The main problem with their use in such applications is that their small size makes it difficult to separate the algal mass from the treated effluent. In contrast, macroalgae show similar efficiency in nutrient uptake and they are much easier to harvest. The suitability of seaweeds as biofilters in tertiary treatment of sewage depends on: (1) the ability of the species to utilize nutrients delivered by secondarily treated sewage; (2) the utilization rate of the major nutrients by the species; and (3) the salinity tolerance of the species. A number of studies have examined the feasibility of using different seaweed species as biofilters in tertiary sewage treatment using either sewage sludge or effluent. More recently, the use of seaweeds as biofilters has been extended beyond the treatment of domestic sewage, and has focused on the removal of inorganic nutrients from the effluents of fish farms in integrated aquaculture, or on the removal of heavy metals from industrial effluents. There are lots of studies on usage of algae as biofilters in aquacultures, but there is limited research in their usage as biofilters in sewage treatment plants. This thesis attempts to use algae as biofilters in sewage treatments plants where the salinity is lower than that of the sea water.The sewage treatment plant selected for carrying out this research is situated on the island of Ios in the Aegean Sea (Greece, 36°44 Ν, 25°15 Ε). The Ios sewage treatment plant started operating in 2001 and is able to process sewage for population equivalent of 22,500 people. During low season, the inflow to the plant on a daily basis is approximately 300 m3 of sewage whereas in high season, 1,300 m3. The population of the island is 1,500 people during winter (low season) becoming 15,000 or even more during summer. The treated effluent is released into the sea via a 550-m long pipe that extends from the seashore to the middle of a small gulf. The sewage treatment plant operates by the active sludge method using prolonged aeration. Two aeration tanks equipped with electric motors manage to reduce nitrogen levels to more than 80%. The sewage treatment facility is designed to have only one aeration tank and one settler in operation when the load is low during winter, but can upscale to full operation during summer when the load increases

Τα φύκη χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Πολλά φύκη χρησιμοποιούνται ως συμπληρώματα διατροφής, ενώ πρόσφατα μελετάται εκτεταμένα η πιθανότητα χρήσης τους για την παρασκευή βιοκαυσίμων. Γνωστές ουσίες που παράγονται από φύκη και χρησιμοποιούνται ήδη στην έρευνα και στη βιομηχανία είναι οι καραγεννάνες, το άγαρ και η αγαρόζη, τα οποία απομονώνονται από ροδοφύκη. Εκτός από την συνεισφορά των φυκών στην έρευνα, έχουν βρεθεί ουσίες παραγόμενες από φύκη με θεραπευτική αξία. Για παράδειγμα έχουν απομονωθεί ουσίες με αντιβιοτική-αντιική και αντικαρκινική δράση, όπως τα σουλφολιπίδια, ουσίες που απομονώθηκαν από κυανοφύκη, τα οποία έδειξαν δραστικότητα ενάντια στον ιό HIV και HSV. Μια από τις σημαντικές εφαρμογές των φυκών είναι η χρήση τους ως βιοφίλτρων σε μονάδες ιχθυοκαλλιέργειας αλλά και επεξεργασίας λυμάτων. Οι ολοένα αυξανόμενες ανθρωπογενείς δραστηριότητες σε παράκτιες περιοχές, ειδικά στους τομείς των καλλιεργειών, υδατοκαλλιεργειών και στις μονάδες διαχείρισης αποβλήτων, απελευθερώνοντας ποσότητες αζώτου και φωσφόρου, προκαλούν ευτροφικά φαινόμενα στα παράκτια ύδατα. Για να αποφευχθούν τα ανεπιθύμητα αποτελέσματα της δράσης των παραπάνω θρεπτικών που περιέχονται σε λύματα που έχουν υποστεί μόνο δευτεροβάθμια επεξεργασία, πολλές φορές εφαρμόζεται και τριτοβάθμια επεξεργασία. Αυτό συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση χημικών ακριβών ή/και μη φιλικών προς το περιβάλλον. Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση είναι η καλλιέργεια φυκών σε απόβλητα. Τα μικροφύκη έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν ως εναλλακτική λύση στην τριτοβάθμια επεξεργασία, ειδικά σε αναπτυσσόμενες χώρες με τροπικό κλίμα. Το πιο σημαντικό μειονέκτημα από τη χρήση μικροφυκών είναι το μικρό τους μέγεθος που δεν επιτρέπει τον εύκολο διαχωρισμό τους από το λύμα. Τα μακροφύκη μπορούν και απορροφούν θρεπτικά, ενώ ταυτόχρονα μπορούν και απομονώνονται ευκολότερα από το λύμα. Η ικανότητα χρήσης μακροφυκών ως βιοφίλτρων σε τριτογενή επεξεργασία εξαρτάται από: (1) την ικανότητα του επιλεγμένου είδους να χρησιμοποιεί θρεπτικά που βρίσκονται σε δευτερογενώς επεξεργασμένα λύματα, (2) το ρυθμό απορρόφησης των θρεπτικών από το επιλεγμένο είδος, (3) την ικανότητα του είδους να αντέχει σε μεγάλο φάσμα αλατοτήτων. Ένας αριθμός μελετών έχει αναδείξει ορισμένα είδη ικανά για χρήση ως βιοφίλτρα σε τριτοβάθμια επεξεργασία. Πιο πρόσφατα, η χρήση μακροφυκών ως βιοφίλτρων έχει επεκταθεί και στους τομείς των υδατοκαλλιέργειών, καθώς και για την απομάκρυνση βαρέων μετάλλων από βιομηχανικά απόβλητα. Ενώ υπάρχουν αρκετές μελέτες της χρήσης μακροφυκών σε υδατοκελλιέργειες, υπάρχουν αρκετά περιορισμένα στοιχεία για την εφαρμογή τους σε συστήματα επεξεργασίας λυμάτων. Οι εργασίες αυτές εστιάζονται κυρίως στην αύξηση του φύκους και την παραγωγή βιομάζας. Η παρούσα εργασία είναι η πρώτη που επιχειρεί να μετρήσει την απορρόφηση θρεπτικών από μακροφύκη που καλλιεργούνται σε μείγμα θαλασσινού νερού και νερού βιολογικού καθαρισμού σε πειράματα πεδίου συνεχούς ροής.