Αξιοποίηση φωτοκαταλυτικών μεθόδων για επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση γκρίζου νερού

Abstract

In the last years humanity is faced with the problem of water pollution, an issue that threatens people's health and also degrades the quality of life. According to the World Health Organization (WHO), globally, 663 million people rely on sources of questionable quality and at least 1.9 billion people use a drinking-water source contaminated by the discharge of biological effluents. The extended pollution of the aquatic environment in combination with increasing needs for clean water, require a more rational water management. Given the worldwide water scarcity and future demands, the debate on the utilization of recycled wastewater as an alternative water source is gaining increasing attention. One major source of highly reclaimable water, particularly important for water-stressed nations, is the urban wastewater generated from washing activities in households which is referred to as "greywater". Bearing in mind that greywater generally has a lower organic load and pathogen content than municipal wastewater which includes additionally the respective streams from toilets and kitchen sinks, it may be considered as an ideal candidate for decentralized treatment and reuse systems. The marked depletion of fresh water resources along with continuously escalating climate changes and extended pollution of the aquatic environment, render sustainable water management an essential need. Greywater reuse for applications conforming to lower than drinking water standards, could provide an alternative towards sustainable management of water resources. Greywater treatment and recycle can significantly contribute to environmental pollution tackling, providing also a considerable boost on household economy. Advanced Oxidation Processes are environmentally friendly methods designed to deal with the problem of gas, liquid and solid phase pollution. Among the above methods, heterogeneous and homogeneous photocatalytic oxidation in recent years have given satisfactory and promising results concerning degradation of pollutants and pathogen microorganisms. The aim of this work was the application of the preceding methods to greywater treatment. In particular, during the first stages of research, the degradation of two model organic compounds contained in greywater was studied, in order to provide a further insight to oxidation kinetics (i.e. determination of factors affecting oxidation rate), estimate mineralization degree and assess catalysts activity towards the corresponding oxidation process. The obtained results were utilized to actual greywater studies, with the main goal being the adequate diminution of organic load in the specimens, rendering them suitable for use. Subsequently, photocatalytic oxidation method was applied to simulated wastewater samples under artificial and solar illumination, so that process effectiveness unto greywater mineralization and reuse could be evaluated. For the preparation of simulated greywater, real greywater sampling was held in order to evaluate its physico-chemical characteristics. In addition, experiments were conducted estimating greywater toxicity, phytotoxicity and biodegradability, while an attemp for the identification of possible intermediates produced during the photocatalytic degradation of pollutants was also made.

Τα τελευταία χρόνια η ανθρωπότητα βρίσκεται αντιμέτωπη με το πρόβλημα της ρύπανσης του νερού, ένα θέμα που απειλεί όχι μόνο την υγεία των ανθρώπων αλλά υποβαθμίζει και την ποιότητα της ζωής τους. Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (WHO), υπολογίζεται πως, παγκοσμίως, 663 εκατομμύρια άνθρωποι έχουν πρόσβαση σε πηγές πόσιμου νερού αμφιβόλου ποιότητας. Επιπλέον, τουλάχιστον 1.9 δισεκατομμύρια άνθρωποι βασίζουν τις ανάγκες τους για νερό σε πηγές που είναι μολυσμένες. Η αυξανόμενη επιβάρυνση του υδροφόρου ορίζοντα σε συνδυασμό με την αύξηση των αναγκών για καθαρό νερό, καθιστούν αναγκαία την ορθολογικότερη διαχείριση των υδάτων. Δεδομένης της παγκόσμιας λειψυδρίας, του προβλήματος της ρύπανσης και των μελλοντικών απαιτήσεων για καθαρό νερό, η σκέψη σχετικά με την επαναχρησιμοποίηση ανακυκλωμένων αποβλήτων ως εναλλακτική πηγή νερού κερδίζει ολοένα και περισσότερο το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Μία σημαντική πηγή ανακτήσιμου νερού, είναι τα λύματα που προέρχονται από τις οικιακές δραστηριότητες, τα οποία χαρακτηρίζονται ως «γκρίζο νερό». Λόγω της χαμηλής του περιεκτικότητας σε μολυσματικά παθογόνα αλλά και άζωτο, σε σχέση με άλλα απόβλητα, η επεξεργασία και επαναχρησιμοποίηση του γκρίζου νερού αποκτά όλο και μεγαλύτερη προσοχή. Η επαναχρησιμοποίηση γκρίζου νερού σε δραστηριότητες που δεν απαιτούν ποιότητα πόσιμου νερού μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο βιώσιμης διαχείρισης των υδατικών πόρων, λόγω των σοβαρών ελλείψεων σε καθαρό νερό, της μείωσης των βροχοπτώσεων και της σοβαρής ρύπανσης του υδάτινου στοιχείου. Η επεξεργασία και επαναχρησιμοποίησή του, εκτός του ότι συμβάλει σημαντικά στη μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος, μπορεί να οδηγήσει σε εξοικονόμηση χρημάτων για τον καταναλωτή, αλλά και να μειώσει αισθητά τις ανάγκες των νοικοκυριών σε καθαρό νερό. Οι Προχωρημένες Οξειδωτικές Μέθοδοι Αντιρρύπανσης αποτελούν μία ομάδα μεθόδων φιλικών προς το περιβάλλον, που στόχο έχουν την αντιμετώπιση του προβλήματος της ρύπανσης στην αέρια, υγρή και στερεή φάση. Σε αυτές τις μεθόδους ανήκουν και η ετερογενής και ομογενής φωτοκαταλυτική οξείδωση, που τα τελευταία χρόνια έχουν δώσει εξαιρετικά ικανοποιητικά και ελπιδοφόρα αποτελέσματα σε ό,τι αφορά την αποικοδόμηση ρύπων και μικροοργανισμών. Στόχο της παρούσης διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η εφαρμογή αυτών των δύο μεθόδων, αρχικά στην αποικοδόμηση δύο πρότυπων ρυπογόνων οργανικών ουσιών που εμπεριέχονται στο γκρίζο νερό και εν συνεχεία στην επεξεργασία προσομοιωμένου γκρίζου νερού, με στόχο τη μείωση του οργανικού του φορτίου, ώστε να καταστεί κατάλληλο για επαναχρησιμοποίηση. Η μελέτη της αποικοδόμησης των πρότυπων ρυπογόνων οργανικών ενώσεων είχε ως στόχο την εκτίμηση της κινητικής της οξείδωσης και του βαθμού ανοργανοποίησης, τη σύγκριση της αποτελεσματικότητας των καταλυτών που χρησιμοποιήθηκαν και την εξέταση των διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την ταχύτητα της οξείδωσης. Εν συνεχεία, η φωτοκαταλυτική οξείδωση εφαρμόσθηκε σε προσομοιωμένο απόβλητο, υπό τεχνητό και ηλιακό φωτισμό, ώστε να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου για την ανοργανοποίηση του γκρίζου νερού και την ενδεχόμενη επαναχρησιμοποίηση του. Η παρασκευή του προσομοιωμένου γκρίζου νερού, βασίσθηκε στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του αληθινού αποβλήτου, τα οποία προσδιορίσθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Επιπλέον, κρίθηκε αναγκαία η πραγματοποίηση αναλύσεων με στόχο την αξιολόγηση της τοξικότητας και φυτοτοξικότητας, της βιοαποικοδομησιμότητας του αποβλήτου και την αναγνώριση των ενδιάμεσων προϊόντων που δημιουργούνται κατά τη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση των συστατικών του.