Βιοτεχνολογική αναγωγή εξασθενούς χρωμίου από απόβλητα

Abstract

Chromium (Cr) is widely used in many industrial processes, such as leather tanning, electroplating, paint processing and wood preservation. These processes lead to the production of wastewater streams with high chromium concentration. Therefore, chromium is one of the world’s most critical metal pollutant. Chromium exhibits a wide range of possible oxidation states ranging from -2 to +6.. In aquatic systems, trivalent [Cr(III)] and hexavalent [Cr(VI)] are the most stable oxidation states.Chromium from anthropogenic sources is discharged to the environment mainly as Cr(VI). In addition, recent studies have shown that Cr(VI) can be formed naturally in the environment due to natural oxidation of the Cr(III) contained in ultramafic derived soils and ophiolitic rocks. Cr(VI) ions are very soluble and motile in water. Cr(VI) is a strong oxidizing agent with a proven cytotoxic, mutagenic and carcinogenic effect and is considered toxic to humans and the environment even at ppb levels. In contrast, Cr(III), in aquatic solutions, occurs as an insoluble cation at neutral pH and can be readily precipitated in the form of Cr(OH)3. Cr(III) compounds are l000-fold less mutagenic and cytotoxic than Cr(VI) compounds and at low concentrations is an essential nutrient for living beings. Due to the negative effects of Cr(VI) for natural environment and living beings, stringent regulations on the existence of Cr(VI) in water and wastewater are applied.Recently, methods of biological treatment are applied for the treatment of wastewater containing Cr(VI). Conventional methods for treatment of metal-contaminated wastewater (chemical reduction, ion exchange, infiltration, electrochemical treatment, activated carbon, reverse osmosis and membranes) are restricted, because of technical and economic constrains. The main disadvantage of conventional methods is the production of toxic sludge. The present thesis studied the biological removal of Cr(VI) from wastewater containing extremely high concentrations of Cr(VI) through the design, construction and operation of a Two phase portioning bioreactor (TPPB). In the first part of the thesis, experiments were conducted for the acclimation of a mixed anaerobic culture for Cr(VI) removal. This acclimated biomass was used as inoculum for the operation of TPPBs. In the second part of the thesis, we attempted to construct and operate a Two Phase Liquid- Liquid Bioreactor (TPLLB) for the removal of Cr(VI). In this direction, five different organic solvents (Hexane, Heptane, Chloroform, Kerosene and ethyl acetate) in combination with three different extractants (Aliquat® 336, TOPO and TBP) were tested for their efficiency in Cr(VI) removal from an aqueous solution. The combination of Aliquat 336 with any of the organic solvents proved to be the most efficient in removal of Cr(VI) from an aqueous solution containing 1000 ppm Cr(VI). Nevertheless, Aliquat 336 proved to be toxic to acclimated biomass. As a result, it was impossible to operate a TPLLB for the removal of Cr(VI). In the third part of the thesis, we attempted to construct and operate a Two Phase Solid Liquid Bioreactors (TPSLB) for biological Cr(VI) removal. In this direction different adsorbents were investigated for their capability to adsorb Cr(VI) from aqueous solution in a reversible manner. Cloisite®30B, a natural montmorillonite modified with a quaternary ammonium salt, was capable to adsorb Cr(VI) in a reversible manner and at the same time it was not toxic to the acclimated biomass.Through the operation of TPSLB using Cloisite® 30B and the acclimated biomass with a Hydraulic Retention Time (HRT) of 116 hours even 100% removal of Cr(VI) from a synthetic wastewater containing 1350 ppm Cr(VI) was achieved. After the depletion of the solid adsorbent the bioreactor operated as a single liquid phase bioreactor with an HRT of 116 hours. The percentage of Cr(VI) removal remained stable and even 100% removal of Cr(VI) from the same wastewater was achieved. Through the operation of the single liquid phase bioreactor with an HRT of 83 hours 100% removal of Cr(VI) from a wastewater containing 950 ppm Cr(VI) was achieved.Finally, the mechanism of biological removal of Cr(VI) was investigated. Using molecular biology techniques, we identified the species of the bacteria that were selected in the TPSLB. It was proved that the removal of Cr(VI) in the TPSLB took place through its reduction to Cr(III). The reduction was mediated by a lactic acid bacterium 99% similar to Pediococcus acidilactici. The produced lactic acid from the metabolism of P.acidilactici acted as a reducing agent for the reduction of Cr(VI). Finally, the process of biological reduction of Cr(VI) through the operation single liquid phase bioreactor was modeled with the Aquasim 2.0 computer program, considering Monod kinetics for cell growth.

Το χρώμιο (Cr) αποτελεί μέταλλο με ευρεία βιομηχανική χρήση . Χρησιμοποιείται στη βιομηχανία των χρωστικών και των συντηρητικών ξύλου, τη βυρσοδεψεία, τις επιμεταλλώσεις και την παραγωγή ανοξείδωτου χάλυβα. Αυτή η ευρεία χρήση του χρωμίου οδηγεί σε απόβλητα με μεγάλες συγκεντρώσεις χρωμίου με αποτέλεσμα να αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους ρύπους του φυσικού περιβάλλοντος. ΄Το χρώμιο εμφανίζει πολλές οξειδωτικές καταστάσεις που κυμαίνονται από -2 έως και +6. Εντούτοις μόνο η τρισθενής [Cr(III)] και η εξασθενής [Cr(VI)] είναι σταθερές στο φυσικό περιβάλλον. Το χρώμιο που απορρίπτεται στο περιβάλλον από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες είναι κυρίως στην εξασθενή του μορφή του ενώ πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι Cr(VI) μπορεί να σχηματίζεται και φυσικά από την αποσάθρωση πετρωμάτων. Το Cr(VI) έχει αποδεδειγμένη κυτταροτοξική, μεταλλαξιγόνο και καρκινογόνο δράση ενώ είναι ευδιάλυτο στα φυσικά ύδατα και εμφανίζει μεγάλη κινητικότητα. Ακόμα και σε επίπεδα ppb θεωρείται επιβλαβές για το περιβάλλον και τα έμβια όντα. Αντίθετα, το Cr(III) είναι δυσδιάλυτο στα φυσικά ύδατα και ιζηματοποιείται εύκολα με τη μορφή Cr(OH)3. Το Cr(III) είναι χίλιες φορές λιγότερο μεταλλαξιγόνο και κυτταροτοξικό από το Cr(VI) και σε μικρές συγκεντρώσεις αποτελεί απαραίτητο ιχνοστοιχείο για τα έμβια όντα. Λόγω των επιβλαβών επιπτώσεων του Cr(VI) για το περιβάλλον και τα έμβια όντα έχει θεσπιστεί αυστηρή νομοθεσία για τα όρια του χρωμίου στα απόβλητα και στο νερό ανθρώπινης κατανάλωσης.Οι σύγχρονες μέθοδοι επεξεργασίας των επιβαρυμένων με Cr(VI) αποβλήτων και υδάτων χρησιμοποιούν βιολογικές διεργασίες. Η βιολογική απομάκρυνση του Cr(VI) κρίνεται πιο συμφέρουσα από τεχνοοικονομικής απόψεως έναντι των συμβατικών φυσικοχημικών μεθόδων που χρησιμοποιούνταν παραδοσιακά (χημική αναγωγή, ανταλλαγή ιόντων, διήθηση, ηλεκτροχημική επεξεργασία, προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα, αντίστροφη ώσμωση και μεμβράνες) καθώς παρουσιάζει μικρές ενεργειακές απαιτήσεις, χαμηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος και μικρότερη παραγωγή ιλύος επιβαρυμένης με Cr(VI). Η βιολογική αναγωγή του Cr(VI) αποτελεί την πλέον σημαντική μέθοδο βιολογικής επεξεργασίας αποβλήτων με Cr(VI).Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η βιολογική απομάκρυνση του Cr(VI) από συνθετικά απόβλητα με ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις Cr(VI) μέσω της λειτουργίας βιοαντιδραστήρων δύο φάσεων [Two phase portioning bioreactors (TPPBs)]. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε εγκλιματισμός αναερόβιας μικτής καλλιέργειας ως προς την απομάκρυνση Cr(VI). Η εγκλιματισμένη βιομάζα χρησιμοποιήθηκε ως εμβόλιο για τη λειτουργία των TPPBs. Αρχικά επιχειρήθηκε η κατασκευή και λειτουργία ενός βιοαντιδραστήρα δύο υγρών φάσεων [Two Phase Liquid- Liquid Bioreactor (TPLLB)]. Προς αυτή την κατεύθυνση ελέγχθηκαν διαφορετικοί οργανικοί διαλύτες (Εξάνιο, Επτάνιο, Κηροζίνη, Χλωροφόρμιο και ethyl acetate) σε συνδυασμό με διαφορετικά συμπλοκοποιητικά μέσα (Aliquat® 336, TOPO και TBP) ως προς την ικανότητα απομάκρυνσης του Cr(VI) από υδατικό διάλυμα. Ο συνδυασμός του Aliquat 336 με οποιοδήποτε οργανικό διαλύτη έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα ως προς την απομάκρυνση των χρωμικών ιόντων από υδατικό διάλυμα 1000 ppm Cr(VI). Εντούτοις το Aliquat 336 αποδείχθηκε ιδιαίτερα τοξικό ως προς την εγκλιματισμένη βιομάζα με αποτέλεσμα την αδυναμία υλοποίησης ενός TPLLB για την απομάκρυνση του Cr(VI) από υδατικά απόβλητα. Στη συνέχεια, επιχειρήθηκε η κατασκευή και η λειτουργία βιοαντιδραστήρα δύο φάσεων στερεού-υγρού [Two Phase Solid Liquid Bioreactors (TPSLB). Προς αυτή την κατεύθυνση ελέγχθηκαν διαφορετικά φυσικά και τεχνητά προσροφητικά υλικά ως προς την ικανότητα αντιστρεπτής προσρόφησης των ιόντων Cr(VI) από υδατικό διάλυμα. Το Cloisite® 30Β, ένας φυσικός μοντμοριλλονίτης, τροποποιημένος με ένα τετραδραστικό άλας αμμωνίου, επιλέχθηκε ως το κατάλληλο στερεό προσροφητικό υλικό καθώς προσροφούσε αντιστρεπτά τα ιόντα Cr(VI), ενώ παράλληλα ήταν μη τοξικό για την εγκλιματισμένη βιομάζα. Με την λειτουργία του TPSLB με το Cloisite® 30B και την εγκλιματισμένη βιομάζα επετεύχθη έως και 100% απομάκρυνση του Cr(VI) από συνθετικό απόβλητο 1350ppm Cr(VI) με υδραυλικό χρόνο παραμονής 116 ωρών. Στη συνέχεια ο αντιδραστήρας λειτούργησε ως αντιδραστήρας μίας υγρής φάσης με χρόνο παραμονής 116 ωρών. Η ποσοστιαία απομάκρυνση του Cr(VI) από το συνθετικό απόβλητο των 1350ppm παρέμεινε σταθερή και ίση με του TPSLB. Μέσω της λειτουργίας του αντιδραστήρα μίας υγρής φάσης με υδραυλικό χρόνο παραμονής 83 ωρών επετεύχθη 100% απομάκρυνση του Cr(VI) από συνθετικό απόβλητο επιβαρυμένο με 950 ppm Cr(VI).Τέλος, μελετήθηκε ο μηχανισμός της βιολογικής απομάκρυνσης του Cr(VI) από τον TPSLB. Με μεθόδους μοριακής βιολογίας ταυτοποιήθηκε το είδος του μικροοργανισμού που είχε επικρατήσει στο TPSLB. Με ακρίβεια 99% τα βακτήρια που επικράτησαν στον TPSLB ανήκαν στο είδος Pediococcus acidilactici. Τα βακτήρια αυτού του είδους επιτελούν ομογαλακτική ζύμωση παράγοντας γαλακτικό οξύ. Δείχθηκε ότι το παραχθέν από τον μικροβιακό μεταβολισμό γαλακτικό οξύ είναι αυτό που λειτουργεί ως αναγωγικός παράγοντας για την αναγωγή του Cr(VI). Τέλος, η λειτουργία του βιοαντιδραστήρα μίας υγρής φάσης μοντελοποιήθηκε με το λογισμικό Aquasim 2.0, θεωρώντας κινητική Monod για την κυτταρική ανάπτυξη.