Αξιολόγηση εναλλακτικών τύπων βιοεξανθρακώματος ως προς την απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από τα λύματα

Καψιμάλη, Ελπίδα; Kapsimali, Elpida

dc.contributor.author	Καψιμάλη, Ελπίδα	el
dc.contributor.author	Kapsimali, Elpida	en
dc.date.accessioned	2025-04-09T09:03:24Z
dc.date.available	2025-04-09T09:03:24Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61655
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29351
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιοεξανθράκωμα	el
dc.subject	Μικροοργανικοί ρύποι	el
dc.subject	Ρύποι αναδυόμενης ανησυχίας	el
dc.subject	Ενδοκρινικοί διαταράκτες	el
dc.subject	Μη στερεοειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα	el
dc.subject	Biochar	en
dc.subject	Organic Micropollutants	en
dc.subject	Contaminants of emerging concern	en
dc.subject	Endocrine disrupting chemicals	en
dc.subject	Non-steroidal anti-inflammatory drugs	en
dc.title	Αξιολόγηση εναλλακτικών τύπων βιοεξανθρακώματος ως προς την απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από τα λύματα	el
dc.title	Evaluation of different biochars as potential adsorbents for emerging contaminants removal from wastewater	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Επεξεργασία λυμάτων	el
heal.classification	Wastewater treatment	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-11-06
heal.abstract	Η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στην απομάκρυνση μικροοργανικών ρύπων από λύματα χρησιμοποιώντας εναλλακτικούς τύπους βιοεξανθρακώματος σε πειράματα ασυνεχούς ροής. Τα τελευταία χρόνια, η επιστημονική κοινότητα έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της στους ρύπους αναδυόμενης ανησυχίας (Contaminants of Emerging Concern, CECs), ή αλλιώς αναδυόμενους μικρορύπους (Emerging Contaminants, ECs). Παρά το γεγονός ότι οι ECs συναντώνται σε μικρές συγκεντρώσεις, εισέρχονται διαρκώς και συσσωρεύονται στο περιβάλλον και στους υδάτινους αποδέκτες από διαφορετικές πηγές ρύπανσης, με τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) να είναι μία από τις σημαντικότερες αυτών. Oι ενδοκρινικοί διαταράκτες (Endocrine Disrupting Chemicals, EDCs) είναι ξενοβιοτικές ενώσεις που έχουν επιβλαβείς επιπτώσεις στην υγεία των ζώων και των ανθρώπων, επηρεάζοντας άμεσα το ενδοκρινικό τους σύστημα και αποτελούν μια κατηγορία ECs. Οι EDCs εντοπίζονται κυρίως σε προϊόντα προσωπικής φροντίδας και υγιεινής, και σε διάφορες βιομηχανικές χημικές ουσίες. Παράλληλα, στους ρύπους αναδυόμενης ανησυχίας συγκαταλέγονται τα φάρμακα. Μέρος των φαρμακευτικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται λόγω της βιολογικής τους δραστηριότητας με στόχο τη βελτίωση της υγείας και της ζωής των ανθρώπων, δεν απορροφάται από τους οργανισμούς και εκκρίνεται από αυτούς, με αποτέλεσμα να συσσωρεύεται στο περιβάλλον. Μία κατηγορία φαρμακευτικών ουσιών που χρησιμοποιούνται ευρέως είναι τα μη στερεοειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα (ΜΣΑΦ – Non Steroidal AntiInflammatory Drugs, NSAIDs), που αποτελούν μια από τις πιο συνηθισμένες ομάδες συνταγογραφούμενων και μη, φαρμάκων. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν η δισφαινόλη Α (bisphenol A, BPA), η τρικλοζάνη (triclosan, TCS) και η εννεϋλοφαινόλη (nonylphenol, NP) ως αντιπροσωπευτικές ενώσεις για τους ενδοκρινικούς διαταράκτες, και η ιμπουπροφένη (ibuprofen, IBU), η ναπροξένη (naproxen, NPX), η δικλοφενάκη (diclofenac, DCF) και η κετοπροφένη (ketoprofen, KTP) αντίστοιχα για τα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στις συμβατικές ΕΕΛ είναι σχεδιασμένες να απομακρύνουν οργανικό φορτίο, θρεπτικά συστατικά και παθογόνους μικροοργανισμούς, αλλά δεν επαρκούν για την απομάκρυνση των ECs. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί φυσικοί, χημικοί και βιολογικοί τρόποι επεξεργασίας των ECs όπως είναι η προσρόφηση, η κροκίδωση, η οξείδωση και τα βιοφίλτρα. To βιοεξανθράκωμα – biochar είναι το στερεό προϊόν που παράγεται από την πυρόλυση βιομάζας πλούσιας σε άνθρακα σε συνθήκες περιορισμένης παρουσίας ή πλήρους απουσίας οξυγόνου και χρησιμοποιείται χιλιάδες χρόνια σε διαφορετικές εφαρμογές με ποικίλα οφέλη. Συγκεκριμένα, η χρήση του ως προσροφητικό υλικό αποτελεί σπουδαία λύση στην προσρόφηση ECs λόγω του σημαντικού ρόλου του στη δέσμευση άνθρακα και στην απομάκρυνση οργανικών και ανόργανων ρύπων, σε συνδυασμό με το χαμηλό του κόστος. Με γνώμονα την εύρεση μίας αποτελεσματικής λύσης, φιλικής προς το περιβάλλον, και σε ένα πλαίσιο κυκλικής οικονομίας και επαναχρησιμοποίησης υλικών, στο παρόν πείραμα εξετάστηκαν εναλλακτικά είδη βιοεξανθρακώματος προερχόμενα από απόβλητα ξυλείας και γεωργίας για την προσρόφηση EDCs και NSAIDS. Στην παρούσα πειραματική διαδικασία διεξήχθησαν πειράματα ασυνεχούς ροής (batch experiments) σε τριπλές επαναλήψεις, με τρεις τύπους biochar, προκειμένου να αξιολογηθούν ως προσροφητικά μέσα για την απομάκρυνση ρύπων αναδυόμενης ανησυχίας. Ειδικότερα, εξετάσθηκε η ικανότητα προσρόφησης των μελετώμενων μικρορύπων με αρχική συγκέντρωση 10μg/L, χρησιμοποιώντας τρεις τύπους biochar, όπου οι δύο είχαν πρώτη ύλη το θρυμματισμένο ξύλο (woodchip, WC1 & WC2), προερχόμενα από δύο διαφορετικούς προμηθευτές και ο ένας το φλοιό σιταριού (spelt husk, SH). Παράλληλα μελετήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης του προσροφητή για το biochar WC1, πραγματοποιώντας πειράματα με δύο διαφορετικές δόσεις προσροφητή, C1=100mg/L και C2=500 mg/L, και βάσει αποτελεσμάτων διατηρήθηκε η δόση C2=500mg/l στα πειράματα που ακολούθησαν. Επιπλέον, για κάθε τύπο biochar, εξετάσθηκε η επιρροή του pH, με την διεξαγωγή πειραμάτων σε pH=7, που προσομοιώνει το pH των αστικών λυμάτων, και σε pH=3. Ταυτόχρονα μελετήθηκε η επίδραση του χρόνου επαφής του προσροφητή με τις ενώσεις-στόχους, και για τον σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία τις χρονικές στιγμές t=0, t=10min, t=30min, t=60min και t=120min. Οι εργαστηριακές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας, στο κτήριο Σαντορίνη, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η αύξηση της συγκέντρωσης του προσροφητή βοηθά την απόδοση του συστήματος, καθώς το biochar WC1 είχε καλύτερες απομακρύνσεις στην συγκέντρωση C2=500mg/L συγκριτικά με τη συγκέντρωση C1=100mg/L. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην αύξηση των ενεργών θέσεων προσρόφησης που υπάρχουν στην επιφάνεια του biochar, επάνω στις οποίες δεσμεύονται οι μελετώμενοι ρύποι. Στα πειράματα που ακολούθησαν, διατηρήθηκε η συγκέντρωση C=500mg/l. Αναφορικά με την επίδραση του pH, παρατηρείται πως η προσρόφηση των EDCs πραγματοποιείται με επιτυχία και στις δύο τιμές pH. Συγκεκριμένα, τα μεγαλύτερα ποσοστά απομάκρυνσης εντοπίζονται για τον ενδοκρινικό διαταράκτη τρικλοζάνη TCS, που άγγιξε ποσοστά μεγαλύτερα από 91% για όλους τους τύπους biochar σε όξινο και ουδέτερο pH. Αναφορικά με τους NSAIDs παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση των ποσοστών απομάκρυνσης στο όξινο pH. Ειδικότερα, τα biochar WC1 & SH σε pH=3 κατάφεραν να επιτύχουν ποσοστά απομάκρυνσης μεγαλύτερα από 78% για την πληθώρα των μελετώμενων NSAIDs. Αυτό οφείλεται στην τιμή της pKa των μελετώμενων ECs, που υπολογίζεται κοντά στο 9 για τους EDCs και κοντά στο 4 για τους NSAIDs. Όταν το pH < pKa, που συμβαίνει στο όξινο pH, οι ρύποι βρίσκονται στην πρωτονιωμένη μορφή τους, δηλαδή στη μη ιονισμένη. Έτσι, είναι δυνατόν να αναπτυχθούν διαμοριακές δυνάμεις, όπως δεσμοί υδρογόνου, μεταξύ των NSAIDS και της επιφάνειας του biochar, και να πραγματοποιηθεί η προσρόφησή τους. Όταν το pH > pKa, τότε οι NSAIDs βρίσκονται στην αποπρωτονιωμένη τους μορφή, δηλαδή είναι αρνητικά φορτισμένοι. Σε αυτή την συνθήκη, αν το biochar είναι αρνητικά φορτισμένο, τότε λόγω ηλεκτροστατικής άπωσης δεν είναι εύκολη η προσρόφηση, ενώ αν πάλι είναι θετικά φορτισμένο, η προσρόφηση θα αποδιδόταν στην ηλεκτροστατική έλξη. Ωστόσο, βάσει αποτελεσμάτων, που είναι καλύτερα στο όξινο pH, φαίνεται ότι η ηλεκτροστατική έλξη δεν είναι ο κυριότερος μηχανισμός προσρόφησης. Επιπρόσθετα, η πειραματική διαδικασία έδειξε πως τα ποσοστά απομάκρυνσης των ECs των περισσότερων ουσιών- στόχων αυξήθηκαν όσο μεγάλωνε ο χρόνος επαφής με τον προσροφητή, από τα 10 έως τα 120 λεπτά. Αυτό οφείλεται γιατί δίνεται περισσότερος χρόνος να προσροφηθούν EDCS & NSAIDS, δηλαδή να καλυφθούν οι θέσεις προσρόφησης που υπάρχουν στην επιφάνεια του biochar. Τέλος, όσον αφορά την επιρροή των εναλλακτικών τύπων biochar, επιβεβαιώθηκε πως τα επιμέρους χαρακτηριστικά τους επηρεάζουν την ικανότητα προσρόφησης, ακόμα και στην περίπτωση αυτών που έχουν την ίδια πρώτη ύλη (WC1 & WC2). Διαφορές στο είδος του ξύλου ή στις συνθήκες παραγωγής, όπως η θερμοκρασία πυρόλυσης, οδηγούν σε διαφοροποιήσεις στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων biochar και κατά συνέπεια σε διαφορετικές ικανότητες προσρόφησης. Ειδικότερα, το biochar από θρυμματισμένο ξύλο WC1 είχε τις καλύτερες αποδόσεις σε pH=3 και C=500mg/L, επιτυγχάνοντας απομάκρυνση μεγαλύτερη από 73% για όλα τα EDCs και μεγαλύτερη από 78% για όλα τα NSAIDs και ακολουθεί το biochar από φλοιό σιταριού SH, το οποίο πέτυχε στις ίδιες συνθήκες ποσοστό απομάκρυνσης μεγαλύτερο από 61% για την πληθώρα των μελετώμενων ενώσεων-στόχους.	el
heal.abstract	This study is focused on the removal of organic micropollutants from wastewater using alternative types of biochar in batch experiments. In recent years, the scientific community has focused its attention on Contaminants of Emerging Concern (CECs) or Emerging Contaminants (ECs). Despite their low concentrations, ECs continuously enter and accumulate in the environment and water bodies from various pollution sources, with wastewater treatment plants (WWTPs) being one of the most significant. One category of ECs is Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs), which are xenobiotic compounds that can have harmful effects on the health of animals and humans by directly affecting their endocrine system. EDCs are mainly found in personal care and hygiene products, and various industrial chemicals. Pharmaceuticals are also among the contaminants of emerging concern. Part of pharmaceutical compounds that are used due to their biological activity aimed at improving human health and life, is not absorbed by organisms. These compounds are secreted outside the body, and they accumulate in the environment. A widely used category of pharmaceuticals is Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs (NSAIDs), and they are one of the most common groups of prescribed and non-prescribed medications. In this study, bisphenol A (BPA), triclosan (TCS), and nonylphenol (NP) were studied as representative compounds for EDCs, and ibuprofen (IBU), naproxen (NPX), diclofenac (DCF), and ketoprofen (KTP) were studied for NSAIDs, respectively. Technologies used in conventional WWTPs are designed to remove organic load, nutrients, and pathogens, but they are not sufficient for the removal of ECs. In recent years, physical, chemical, and biological treatment methods for ECs, such as adsorption, coagulation, oxidation, and biofilters, have been developed. Biochar is the solid product produced from the pyrolysis of biomass rich in carbon, under limited or complete absence of oxygen, and it has been used for thousands of years in various applications with multiple benefits. Specifically, its use as an adsorbent material is a significant solution for the adsorption of ECs, due to its crucial role in carbon sequestration and in the removal of organic and inorganic pollutants, along with its low cost. With the aim of finding an effective and environmentally friendly solution within a circular economy framework and materials reuse, alternative types of biochar produced from wood and agricultural wastes were examined in this experiment for the adsorption of EDCs and NSAIDs. In this experimental procedure, batch experiments were conducted at triplicate using three types of biochar to evaluate their effectiveness as adsorbent materials for removing contaminants of emerging concern. In addition, the adsorption capacity for the studied micropollutants was examined, while pollutants initial concentration was set at 10 μg/L, using three types of biochar: two from woodchip (WC1 & WC2) obtained from two different suppliers, and one from spelt husk (SH). Additionally, the effect of adsorbent concentration was investigated for biochar WC1 by performing experiments at two different adsorbent doses, C1=100 mg/L and C2=500 mg/L. Based on these results, the C2=500 mg/L dose was maintained in subsequent experiments. For each type of biochar, the influence of pH was assessed by conducting experiments at pH=7, which simulates urban wastewater, and at pH=3. The effect of contact time between the adsorbent and target compounds was also studied, by collecting samples at t=0, t=10min, t=30min, t=60min, and t=120min. Laboratory experiments and measurements were conducted at the Sanitary Engineering Laboratory in the Santorini Building of the National Technical University of Athens. The experimental results showed that increasing the concentration of the adsorbent improves the system's performance, as biochar WC1 had better removals at at C2=500 mg/L compared to the results at C1=100 mg/L. This happens because increasing biochar concentration results in more active adsorption sites where pollutants can bind. Thus, biochar concentration of C=500 mg/L was used in subsequent experiments. Regarding the effect of pH, adsorption of endocrinedisrupting compounds (EDCs) was effective at both pH levels. Specifically, the highest removal rates were observed for triclosan (TCS), exceeding 91% for all biochar types at both acidic and neutral pH. For NSAIDs, a significant increase in removal rates was noted at acidic pH. Notably, biochars WC1 and SH achieved removal rates greater than 78% for most of the NSAIDs at pH=3. This is due to the pKa values of the studied contaminants, estimated at around 9 for EDCs and 4 for NSAIDs. When pH < pKa (acidic conditions), the pollutants are in their protonated form, i.e., non-ionized, leading to the development of intermolecular forces, such as hydrogen bonds, between NSAIDs and the biochar surface, facilitating their adsorption. When pH > pKa, NSAIDs are in their deprotonated form, i.e., ionized, negatively charged. Under these conditions, if the biochar is also negatively charged, adsorption is a result of electrostatic repulsion, whereas if it is positively charged, adsorption may occur due to electrostatic attraction. However, based on the results of the experiment, adsorption under acidic pH , where the removal rates of the contaminants are greater, suggests that electrostatic attraction is not the primary adsorption mechanism. Additionally, the experimental process showed that the adsorption rate of the target contaminants increased while increasing the contact time, from 10 min to 120 min, allowing more time for EDCs and NSAIDs to occupy the available adsorption sites on the biochar surface. the impact of alternative types of biochar, it was confirmed that their individual characteristics influence their adsorption capacity, even when they are made from the same raw material (WC1 & WC2). Differences in their type of wood or in the production conditions, such as pyrolysis temperature, lead to variations in the physicochemical properties of the produced biochar. Specifically, biochar from woodchip WC1 had the best performances at pH=3 and C=500mg/L, achieving removal rates greater than 73% for all EDCs and more than 78% for all NSAIDs, followed by biochar from spelt husk SH, which under the same conditions achieved removal rates exceeding 61% for the majority of the studied compounds.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.advisorName	Noutsopoulos, Constantinos	en
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	141 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false