Αντικείμενο & στόχοι

Η συνεχής αναβάθμιση και εφαρμογή νέων αυστηρότερων κανονισμών για την ποιότητα των υδάτων καθώς και η ανακάλυψη νέων προηγμένων διεργασιών επεξεργασίας λυμάτων έχουν καταστήσει την ώριμη τεχνολογία των αντιδραστήρων ανάπτυξης βιοϋμενίων σε βιοφορείς κατά την αερόβια και αναερόβια επεξεργασία των αστικών λυμάτων, μια από τις τρέχουσες τάσεις επεξεργασίας των λυμάτων.

Οι βιοφορείς παρέχουν τη δυνατότητα της ακινητοποίησης των μικροοργανισμών στην επιφάνειά τους, βελτιώνοντας μ’ αυτόν τον τρόπο την αποτελεσματικότητα των βιολογικών διεργασιών. Πρόκειται για αδρανή, υλικά με διαφορετικά σχήματα και μεγέθη και είναι συνήθως κατασκευασμένα από πορώδη κεραμικά, πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο κ.α. Η προσκόλληση των μικροοργανισμών στην επιφάνεια του βιοφορέα και η μετέπειτα ανάπτυξή τους, δημιουργεί ένα πυκνό βιοϋμένιο στην επιφάνεια αλλά και στο εσωτερικό του φορέα με πάχος λίγων χιλιοστών. Το υλικό που δεσμεύει και συνδέει τους μικροοργανισμούς είναι εξωκυτταρικά πολυμερή που παράγονται από τους μικροοργανισμούς. Η φύση του υλικού του βιοφορέα και συγκεκριμένα η υφή της επιφάνειάς του και το πορώδες του, έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση του βιοϋμενίου, διότι επηρεάζει σημαντικά την ταχύτητα πρόσδεσης και ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Συχνά γίνεται χρήση φυσικών και εύκολα διαθέσιμων υλικών ως βιοφορείς, όπου δεν επιτυγχάνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα στην απόδοση των βιολογικών διεργασιών, λόγω της μειωμένης ειδικής επιφάνειας τους και συνεπώς παρουσιάζουν αδυναμία συγκράτησης πολλών αποικιών μικροοργανισμών, σε σχέση με τους εμπορικούς βιοφορείς.

Σκοπός του 3DBiofilm είναι η εξέλιξη των βιοφορέων από την απλή τους μορφή, δηλαδή ως ένα αδρανές υλικό για την ακινητοποίηση των μικροοργανισμών, σε βιοφορείς νέας γενιάς, όπου με τη χρήση νέων υλικών για την κατασκευή τους μέσω της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3DP), θα τους αποδοθούν νέες ιδιότητες και θα αυξηθεί η πολυπλοκότητα των σχημάτων τους ώστε να μπορούν να διευκολύνουν την ετερογενή ανάπτυξη βιοϋμενίου, μέσω της δημιουργίας διαφορετικών οδών διάχυσης και μεταφοράς των διαλελυμένων συστατικών, και θα μπορούν να διεγείρουν τον μεταβολισμό των κοινοτήτων των μικροοργανισμών (αποίκων), επιτυγχάνοντας υψηλότερη απόδοση επεξεργασίας των λυμάτων και διατηρώντας ταυτόχρονα ομαλότητα και σταθερότητα στη λει- τουργία των βιολογικών διεργασιών.

Η τεχνολογία της 3D εκτύπωσης (3DP) αποτελεί νέα τεχνολογία που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία γρήγορων πρωτοτύπων (RP). Γνωστή και ως προσθετική παραγωγή, βασίζεται στην διαδοχική επιστρωμάτωση ομογενών υλικών ή κραμάτων για την κατα- σκευή πρωτοτύπων εργαλείων με απόλυτη ακρίβεια, ταχύτητα και μειωμένο κόστος κατασκευής. Η ακρίβεια εξασφαλίζεται με προηγούμενο σχεδιασμό ενός 3D ψηφιακού μοντέλου χρησιμοποιώντας λογισμικά προγράμματα ώστε να υπολογισθούν οι διαστάσεις και να προβλεφθούν οι μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του αντικειμένου προς εκτύπωση.

Η τεχνική 3DP ξεπερνά τους περιορισμούς της κλασικής βιομηχανίας, καθώς μπορεί να συνδυάζει διαφορετικές πρώτες ύλες ανεξάρτητα των αποκλίσεων στις χημικές και φυσικές ιδιότητές τους και επιτρέπει ταχεία αυτοματοποιημένη κατασκευή. Συνεπώς, μέσω της τεχνικής αυτής, μπορεί να σχεδιαστεί και να καθοριστεί το επιθυμητό μέγεθος και σχήμα των βιοφορέων με στόχο τη μεγαλύτερη δυνατή ειδική επιφάνεια, καθώς και να επιλεχθεί το κατάλληλο υλικό εκτύπωσης καθορίζοντας τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του, επιτυγχάνοντας ιδανικές συνθήκες συγγένειας βιοφορέα-μικροοργανισμού.

Οι ζεόλιθοι και τα αργιλοπυριτικά υλικά υπάρχουν σε αφθονία στην Ελλάδα, αποτελούν σημαντικά χαμηλού κόστους υλικά και προτιμώνται ιδιαίτερα για την επεξεργασία των λυμάτων. Όσον αφορά στην αναερόβια επεξεργασία λυμάτων, τα υλικά αυτά παρέχουν δυνητικά ένα εξαιρετικό λειτουργικό περιβάλλον για τους μικροοργανισμούς που συμμετέχουν είτε στη διαδικασία υδρόλυσης βιομάζας είτε στη διαδικασία σχηματισμού μεθανίου. Πρόσφατες μελέτες κατέδειξαν την ικανότητα των ζεολίθων να αποικιστούν από ορισμένους μικροβιακούς πληθυσμούς κατά τη διάρκεια της αναερόβιας λειτουργίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι μικροοργανισμοί που δρουν στη βιομάζα ως αποικοδομητές, και λαμβάνονται με εκλεκτική καλλιέργεια, μπορούν να ακινητοποιηθούν σε επιφάνειες ζεόλιθου. Παράλληλα, οι ζεόλιθοι παρουσιάζουν αξιοσημείωτη βελτίωση της απόδοσης επεξεργασίας και στα αερόβια συστήματα επεξεργασίας λυμάτων, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων ανταλλαγής ιόντων, της προσροφητικής ικανότητας που διαθέτουν και της δυνατότητας χρήσης τους για την κοσκίνιση των μορίων/συστατικών.

Η εξώθηση μονόλιθων ζεολίθου έχει ήδη περιγραφεί στην βιβλιογραφία. Ωστόσο, δεν είναι πλήρως κατανοητή η επίδραση διαφορετικών συνδετικών στην συμπεριφορά εξώθησης για 3DP ζεόλιθων και η επίδραση στις μηχανικές και φυσικοχημικές ιδιότητες. Κάποιες πρώτες έρευνες 3D εκτύπωσης βιοφορέων από πάστα ζεόλιθου έχουν ήδη διενεργηθεί από τους Thakkar et al. (2016) οι οποίοι κατασκεύασαν 3DP βιοφορείς από 13Χ και 5Α μονόλιθους ζεόλιθου. Οι 3DP βιοφορείς από νέα υλικά αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη καινοτόμο τεχνολογία, που βρίσκεται ακόμη στα πρώτα της βήματα, η οποία θα μπορεί να παρέχει αυξημένα οφέλη σε ποικίλες εφαρμογές, πέρα από τη βελτιστοποίηση επεξεργασίας των αποβλήτων. Στο έργο 3DBiofilm θα χρησιμοποιηθεί μια μέθοδος 3D εκτύπωσης γρήγορου πρωτοτύπου η οποία θα επιτρέπει τη δοκιμή διαφορετικών συνθέσεων ζεολίθου-συστήματος σύν- δεσης, καθώς και τη σάρωση διαφορετικών αρχιτεκτονικών μονολιθίων, δημιουργώντας επιπλέον βαθμούς ελευθερίας.

Ο τύπος αντιδραστήρα που βρίσκει εφαρμογή στις μεγάλης κλίμακας μονάδες βιοαερίου είναι ο αντιδραστήρας πλήρους ανάδευ- σης, (Continued Stirred Tank Reactors) CSTR. Στους CSTR η συνεχής ανάδευση έχει ως σκοπό να αναμίξει πλήρως το φρέσκο υπόστρωμα με το ενεργό χωνεμένο περιεχόμενο του αντιδραστήρα. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (Hydraulic Retention Time-HRT) διατηρείται επαρκώς υψηλός, ώστε να επιτυγχάνεται ικανοποιητική αποικοδόμηση του πιο αργά αποικοδομήσιμου τμήματος του υποστρώματος, διαφορετικά θα πρέπει να γίνει αποδεκτή η απώλεια υποστρώματος που δεν έχει αποικοδομηθεί. Το μειονέκτημα αυτό των αντιδραστήρων CSTR, μπορεί να αντιμετωπιστεί με την προσθήκη βιοφορέων με τη δυνατότητα αιώρησης με πρόσδεση που προτείνεται από την παρούσα ερευνητική πρόταση. Ο σχηματισμός βιουμένιου στην επιφάνεια των βιοφορέων θα επιταχύνει σημαντικά την ταχύτητα αποικοδόμησης του νέου υποστρώματος μειώνοντας σημαντικά τον HRT. Επιπλέον, θα αυξήσει την αποτελεσματικότητα των αντιδραστήρων CSTR στα φαινόμενα παρεμπόδισης από τοξικές ουσίες πχ αμμωνίας κλπ, λόγω της επίτευξης σταθερής μικροβιακής κοινότητας. Επιπλέον, στους αντιδραστήρες ανοδικής ροής (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) UASB, η χρήση των νέων βιοφορέων, εκτός από τη μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια (σε σχέση με τους συμβατικούς) που θα τους διακρίνει με αποτέλεσμα την ακινητοποίηση μεγαλύτερου αριθμού αποικιών μικροοργανισμών, η κατασκευή τους από νέα υλικά, θα ενισχύσει τη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης, λόγω της δυνατότητας των συγκεκριμένων υλικών, να δεσμεύει ιόντα αμμωνίου ή/και άλλα (βάσει τροποποίησης), προλαμβάνοντας τη μείωση της παραγωγής μεθανίου από τη συχνή εμφάνιση του φαινομένου της τοξικότητας της αμμωνίας.

Η πιο απλή μέθοδος εφαρμογής βιοφορέων για την αερόβια επεξεργασία αποβλήτων είναι οι αντιδραστήρες κινούμενης κλίνης βιοϋμενίου (Moving Bed Biofilm Reactors) MBBR, οι οποίοι συναντώνται και σε συνδυασμό με μεμβράνες διήθησης (MBBR-MBR-Moving Bed Biofilm Reactors-Membrane Bioreactors). Οι σύγχρονες μέθοδοι MBBR ή MBBR-MBR χρησιμοποιούν ελεύθερα κινούμενους βυθισμένους βιοφορείς σε αεριζόμενες δεξαμενές, συνδυάζοντας δύο διαφορετικές διεργασίες, την ανάπτυξη αιωρούμενης και την ανάπτυξη προσκολλημένης βιομάζας. Οι βιοφορείς αυξάνουν την απόδοση της βιολογικής επεξεργασίας επιτυγχάνοντας υψηλή βιοαποικοδόμηση και συνεπώς καλύτερη απόδοση επεξεργασίας των αποβλήτων, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να διατεθούν στον τελικό αποδέκτη ή/και να επαναχρησιμοποιηθούν. Παράλληλα, μειώνουν το πρόβλημα της έμφραξης των μεμβρανών διήθησης με την απόξεση της επιφάνειάς τους. Η τεχνολογία αυτή δεν απαιτεί συνεχή προσθήκη δαπανηρών αντιδραστηρίων ή παραγωγή επικίνδυνων υπολειμμάτων, με αποτέλεσμα να είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστική από οικονομικής και περιβαλλοντικής άποψης. Συνεπώς πρόκειται για μια ιδιαίτερα προηγμένη τεχνολογία με χαμηλό κόστος κεφαλαίου και λειτουργικό κόστος, ενώ παράλληλα είναι απλή, ενιαία, αξιόπιστη και σταθερή στη λειτουργία της.

Σύμφωνα με έρευνες, έχει εντοπιστεί ότι η πιο κρίσιμη παράμετρος που καθορίζει την απόδοση της τεχνολογίας ΜΒΒR και MBBR-MBR είναι ο κατάλληλος σχεδιασμός του βιοφορέα όσον αφορά στην ειδική επιφάνεια, το υλικό, την υφή και τον προσανατολισμό. Η τεχνολογία της 3DP είναι αυτή που μπορεί να δώσει τη λύση στο ζήτημα της κατασκευής του βέλτιστου βιοφορέα, παρέχοντας ευελιξία στον σχεδιασμό και τη δυνατότητα επιλογής του υλικού κατασκευής του.