Βιοτεχνολογικές μέθοδοι επεξεργασίας υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου

Abstract

Olive mill wastewater (OMW) is produced during the extraction of oil from the olive fruit by the traditional mill and press process. ΟΜW has a wide range of characteristics depending on the type of the mill and the type of olive and equipment employed. Most of the mills in Greece use a 3-phase extraction process. However, some of the newer ones use the 2-phase extraction process. Traditional mills are still present but to a limited extent. OΜW treatment and disposal has become a critical environmental problem in the Mediterranean area that accounts for approximately 95% of the world olive oil production. This is because of its high organic chemical oxygen demand (COD) concentration, and because of its resistance to biodegradation due to its high content in phenolic compounds. These compounds are responsible for its dark color, and its phytotoxic and antibacterial properties. Various physico-chemical methods have been proposed for treating OMW, including simple evaporation, flotation and settling, vaporization and use of selected membranes, neutralization with addition of H2SO4, oxidation by O3 and Fenton reagent, as well as reuse of the OMW by spreading onto agricultural soil as an organic fertilizer. As far as biological processes are concerned, anaerobic biological processes are particularly suitable because of their well known advantages related to energy and chemicals saving and to the low production of sludge, especially when it comes to treatment of high COD wastewaters. The seasonal nature of the operation of olive mills (typically November to February) is not a disadvantage for anaerobic processes because the observed decay rates for methanogens are very low and a digester can be easily restarted following several months of shut-down. Although anaerobic digestion may be in principle used for reducing the high organic content of OMW, the presence of compounds toxic to methanogens in OMW appears to be a significant problem for the anaerobic digestion of OMW. One approach to the problem has been to sufficiently dilute the OMW to reduce the concentration of phenolics and fatty acids. In this case, the possibility of prior solids removal needs to be examined. A second approach has been the use of aerobic pretreatment of OMW to remove compounds that are toxic to methanogenic consortia. In particular, a preceding aerobic treatment of OMW with white-rot fungi, has been proposed as the most suitable microbial pretreatment process for the selective removal of phenolics. The aim of the present study was to study the ability of the white rot fungus Pleurotus ostreatus under aseptic or non aseptic conditions to function in a novel trickling filter immobilized fungi bioreactor and to investigate the feasibility of alternative dilution and/or pretreatment processes for the anaerobic digestion of olive-mill wastewater in a stirred tank mesophilic digester. The anaerobic digestion of OMW in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) and in a periodic anaerobic baffled reactor (PABR) was also studied. A novel fungi immobilization method proved very suitable for the development of an efficient pretreatment process for phenolics removal. Anaerobic digestion is the most effective process for the treatment of olive mill wastewater. However, dilution and/or some type of pretreatment are necessary to avoid toxicity of the phenolics on the methanogens. Thermal pretreatment followed by sedimentation to remove the solids content, on the other hand proved to be an undesirable type of pretreatment. Diluted 1:1 raw OMW on the other hand, without any solids removal, can be effectively treated at an HRT of 30d, securing a stable high biogas yielding operation. Biological pre-treatment with fungi may lead to a stable process at an HRT of 30d. Anaerobic digestion of OMW using an ASBR (anaerobic sequencing batch reactor) is feasible at an equivalent HRT of 30d with the advantage that it can treat nondiluted wastewater. Treatment in a PABR, however, is much more effective as it requires an order-of –magnitude lower HRT ( 3.75 d) and yields large amounts of biogas. The anaerobically treated effluent is still not suitable for disposal. A membrane process such as reverse osmosis may be effectively used to render the anaerobically treated wastewater readily disposable.

Τα υγρά απόβλητα ελαιοτριβείου (ΥΑΕ) παράγονται κατά την εξαγωγή του ελαιόλαδου από τα παραδοσιακά και τα φυγοκεντρικά ελαιοτριβεία τριών φάσεων. Τα ΥΑΕ έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά τα οποία εξαρτώνται από τη διαδικασία παραγωγής και τον τύπο των ελιών που χρησιμοποιούνται. Τα περισσότερα ελαιοτριβεία στην Ελλάδα χρησιμοποιούν την τριφασική διαδικασία εξαγωγής του ελαιόλαδου. Παρόλα αυτά, κάποια καινούρια χρησιμοποιούν τη διφασική διαδικασία εξαγωγής του ελαιολάδου. Παραδοσιακά ελαιοτριβεία συνεχίζουν να υπάρχουν, αλλά σε μικρότερη έκταση. Τα ΥΑΕ αποτελούν ένα σημαντικό πρόβλημα για την περιοχή της Μεσογείου, όπου παράγεται το 95 % της παγκόσμιας παραγωγής ελαιολάδου, εξαιτίας της υψηλής τους συγκέντρωσης σε χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (ΧΑΟ) και της ικανότητάς τους να αντιστέκονται στη βιοαποδόμηση εξαιτίας της υψηλής τους περιεκτικότητας σε φαινολικές ενώσεις. Αυτές οι ενώσεις οφείλονται για το μαύρο χρώμα και τις φυτοτοξικές και αντιβακτηριδιακές ιδιότητες των ΥΑΕ. Διάφορες φυσικοχημικές μέθοδοι έχουν προταθεί για την επεξεργασία των ΥΑΕ, συμπεριλαμβανομένων της απλής συμπύκνωσης, της επίπλευσης και καθίζησης, της εξάτμισης και της χρήσης επιλεγμένων μεμβρανών, της ουδετεροποίησης με την προσθήκη H2SO4, της οξείδωσης με O3 και αντιδραστήριο Fenton, καθώς επίσης και την επαναχρησιμοποίηση των ΥΑΕ με διασκορπισμό σε αγροτικά εδάφη σαν λίπασμα. Σε ότι αφορά τις βιολογικές μεθόδους, οι αναερόβιες βιολογικές διεργασίες είναι ιδιαίτερα αποδοτικές εξαιτίας των γνωστών πλεονεκτημάτων που εμφανίζουν και σχετίζονται με την εξοικονόμηση ενέργειας και χημικών και της μικρής παραγωγής λάσπης, ειδικότερα όταν αφορά την επεξεργασία αποβλήτων με υψηλή συγκέντρωση ΧΑΟ. Η εποχιακή λειτουργία των ελαιοτριβείων (Νοέμβριος – Φεβρουάριος) δεν αποτελεί μειονέκτημα για τις αναερόβιες διεργασίες εξαιτίας των χαμηλών παρατηρούμενων ρυθμών αποδόμησης των μεθανογόνων μικροοργανισμών και της εύκολης επαναλειτουργίας των αναερόβιων χωνευτήρων μετά από αρκετούς μήνες μη λειτουργίας. Παρόλο που η αναερόβια χώνευση χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για τη μείωση του υψηλού οργανικού φορτίου των ΥΑΕ, η παρουσία ενώσεων στα ΥΑΕ τοξικών προς τους μεθανογόνους φαίνεται να είναι ένα σημαντικό πρόβλημα για την αναερόβια επεξεργασία των ΥΑΕ. Μία προσέγγιση στο πρόβλημα θα ήταν η αραίωση του αποβλήτου ώστε να μειωθεί η συγκέντρωση των φαινολικών ενώσεων και των λιπαρών οξέων. Σε αυτή την περίπτωση εξετάζεται και η απομάκρυνση των στερών του αποβλήτου πριν την αναερόβια χώνευση. Μία δεύτερη προσέγγιση θα ήταν η εφαρμογή αερόβιας προεπεξεργασίας του αποβλήτου ώστε να απομακρυνθούν ενώσεις που είναι τοξικές για τα μεθανογόνα βακτήρια. Πιο συγκεκριμένα, ένα πρώτο στάδιο αερόβιας προεπεξεργασίας του ΥΑΕ με μύκητα λευκής σήψης, έχει προταθεί ως η πιο κατάλληλη μικροβιακή διεργασία προεπεξεργασίας για την επιλεκτική απομάκρυνση των φαινολικών. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να μελετηθεί η ικανότητα του μύκητα λευκής σήψης Pleurotus ostreatus κάτω από άσηπτες ή μη συνθήκες να λειτουργήσει σε έναν καινοτόμο βιοαντιδραστήρα καθοδικής ροής και να διευρενηθεί η αποδοτικότητα εναλλακτικά της αραίωσης ή/και της προεπεξεργασίας στην αναερόβια χώνευση ΥΑΕ σε αναδευόμενο μεσόφιλο αντιδραστήρα. Επίσης, μελετήθηκε η αναερόβια χώνευση ΥΑΕ σε αντιδραστήρα τύπου ASBR και αντιδραστήρα PABR, αντίστοιχα. Μία καινοτόμος μέθοδος ακινητοποίησης των μυκήτων αποδείχτηκε κατάλληλη για την ανάπτυξη μιας αποδοτικής διεργασίας προεπεξεργασίας για την απομάκρυνση των φαινολικών. Η αναερόβια χώνευση είναι η πιο αποδοτική διεργασία για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων ελαιοτριβείου. Παρόλα αυτά, αραίωση ή/και κάποιου τύπου προεπεξεργασία είναι απαραίτητη για την αποφυγή τοξικότητας των φαινολικών στους μεθανογόνους. Θερμική προεπεξεργασία ακολουθούμενη από καθίζηση ώστε να απομακρυνθεί το στερεό περιεχόμενο, από την άλλη, αποδείχτηκε ένας μη επιθυμητός τρόπος προεπεξεργασίας. Επιπλέον, αραιωμένο ΥΑΕ 1:1, χωρίς την απομάκρυνση των στερεών μπορεί να υποστεί επεξεργασία αποδοτικά σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 30 ημέρες, εξασφαλίζοντας σταθερή παραγωγή βιοαερίου. Βιολογική προεπεξεργασία με μύκητα μπορεί να οδηγήσει σε σταθερή διεργασία σε υδραυλικό χρόνο παραμονής 30 ημέρες. Η αναερόβια επεξεργασία του αποβλήτου σε αντιδραστήρα ASBR είναι εφικτή με ισοδύναμο χρόνο παραμονής 30 ημερών χωρίς να αραιωθεί το απόβλητο. Η επεξεργασία σε αντιδραστήρα PABR είναι ωστόσο πιο αποδοτική εξαιτίας του σχεδόν κατά μία τάξη μεγέθους μικρότερο υδραυλικού χρόνου παραμονής (3.75 ημέρες), που αυτός μπορεί να λειτουργήσει και της μεγαλύτερης απόδοσης του σε βιοαέριο. Το αναερόβια επεξεργασμένο απόβλητο μπορεί να καταστεί κατάλληλο για διάθεση μετά από κατάλληλη επεξεργασία μεμβρανών (συνδυασμός υπερδιήθησης και αντίστροφης όσμωσης).