Η αλματώδης αύξηση του πληθυσμού, η ανεξέλεγκτη αστικοποίηση και η βιομηχανοποίηση, έχουν οδηγήσει τα τελευταία χρόνια σε αυξημένους περιβαλλοντικούς κινδύνους. Η αυξημένη παραγωγή λυμάτων και η αναγκαία επεξεργασία τους, είναι από τα σημαντικότερα ζητήματα που έχει να αντιμετωπίσει η κοινωνία. Η διαχείριση των λυμάτων αποτελεί παγκόσμιο ζήτημα, καθώς η απόρριψη ανεπεξέργαστων λυμάτων είτε λυμάτων που δεν έχουν υποστεί κατάλληλη επεξεργασία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα του φυσικού περιβάλλοντος και κατά συνέπεια την ανθρώπινη υγεία. Οι συμβατικές μέθοδοι επεξεργασίας λυμάτων είναι ιδιαίτερα ενεργοβόρες και προκειμένου να μειωθεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα αλλά και το κόστος λειτουργίας, απαιτούνται πιο φιλικές προς το περιβάλλον μέθοδοι προκειμένου να αυξηθεί η ενεργειακή αυτάρκεια των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων βελτιώνοντας τη βιωσιμότητά τους.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η απόδοση αναδυόμενων τεχνολογιών επεξεργασίας αστικών υγρών αποβλήτων, με στόχο να επιτευχθεί μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων με χαμηλό αποτύπωμα του άνθρακα. Πιο συγκεκριμένα, αξιολογήθηκε η απόδοση μιας πιλοτικής μονάδας που αποτελούνταν από μια χημικά ενισχυμένη πρωτοβάθμια επεξεργασία ακολουθούμενη από ένα βιολογικό φίλτρο. Η δοσολογία των χημικών βελτιστοποιήθηκε αρχικά σε ένα πλήθος δοκιμών, προκειμένου να επιτευχθεί ένα συνολικά χαμηλό κόστος επεξεργασίας των λυμάτων. Εφαρμόστηκαν δόσεις 10 mg στο λίτρο χλωριούχου πολυαργιλίου και 1.5 mg στο λίτρο πολυηλεκτρολύτης και οι συνολικές αποδόσεις του συστήματος σε απομακρύνσεις ήταν 89, 93 και 96% για συνολικό COD, για BOD και για συνολικά στερεά αντίστοιχα. Η διήθηση στο βιολογικό φίλτρο, που αποτελεί μια βιολογική διεργασία χαμηλού κόστους, βοήθησε σημαντικά στην απομάκρυνση των ρύπων. Η εκροή από την διεργασία είναι πλούσια σε συγκέντρωση αζώτου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περιορισμένη άρδευση.Σχεδιάστηκε μια δεύτερη πιλοτική μονάδα, ένας βιοαντιδραστήρας μεμβρανών κοίλων ινών, προκειμένου να επεξεργαστεί το ασθενές απόβλητο που προέρχεται από την μονάδα χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, και αξιολογήθηκε η απόδοσή της προκειμένου να διερευνηθεί το κατά πόσο μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί το επεξεργασμένο απόβλητο. Διερευνήθηκε η βελτιστοποίηση της μονάδας σε απόδοση αφαίρεσης αζώτου καθώς και η επίδραση του λόγου COD προς TKN, στην απόδοση της απονιτροποίησης. Η μονάδα των μεμβρανών μικροδιήθησης παρουσίασε εξαιρετικές αποδόσεις στην αφαίρεση οργανικού άνθρακα κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Η απονιτροποίηση ήταν ανεπαρκής λόγω της χαμηλής διαθεσιμότητας οργανικού άνθρακα και η προσθήκη ακατέργαστου λύματος βελτίωσε ελαφρώς τη διαδικασία της απονιτροποίησης. Χρησιμοποιώντας ακατέργαστη γλυκερόλη σαν εξωτερική πηγή άνθρακα, η απονιτροποίηση βελτιώθηκε καθώς ο λόγος COD/TKN αυξήθηκε σε 8.9 ±1.0, πετυχαίνοντας εκροή με συγκέντρωση νιτρικού αζώτου 1.87 ± 0.90 mg στο λίτρο. Τα χαρακτηριστικά της εκροής της μονάδας είναι εντός των ορίων που προβλέπει η ελληνική νομοθεσία (ΚΥΑ 145116/2011) σχετικά με απεριόριστη επαναχρησιμοποίηση λυμάτων.Τέλος, ένας αναερόβιος βιοαντιδραστήρας συνεχούς ανάδευσης ο οποίος επεξεργάστηκε την παραγόμενη ιλύ από τη χημικά ενισχυμένη πρωτοβάθμια επεξεργασία, αξιολογήθηκε σε 3 διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής 22, 18 και 15 ημερών, σε σχέση με την παραγωγή βιοαερίου. Ο κύριος στόχος ήταν να μελετηθεί η μέγιστη δυνατή ανάκτηση ενέργειας από τη λάσπη της χημικής κροκίδωσης. Υψηλότερη παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας παρατηρήθηκε κατά την επεξεργασίας ιλύος από την χημική κροκίδωση σε σχέση με την επεξεργασία πρωτογενούς ιλύος, και η παραγωγή του βιοαερίου ήταν 0,15 ± 0,04, 0,16 ± 0,02 and 0,16 ± 0,02 λίτρα βιοαερίου, ανά λίτρο αντιδραστήρα και ημέρα με ποσοστά μεθανίου 76 ± 3%, 75 ± 3% and 76 ± 2% για υδραυλικό χρόνο παραμονής 22, 18 και 15 ημέρες αντίστοιχα. Η εξοικονόμηση ενέργειας από τη λειτουργίας της χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας και το οικονομικό όφελος από την αναερόβια χώνευση της παραγόμενης ιλύος εκτιμήθηκε για μια μονάδα επεξεργασίας αστικών αποβλήτων που εξυπηρετεί μια πόλη 50.000 κατοίκων. Η εξοικονόμηση ενέργειας υπολογίστηκε σε 1.314.000 κιλοβατώρες το χρόνο και λαμβάνοντας υπόψη την τιμή της κιλοβατώρας στην Ευρωπαϊκή Ένωση το ετήσιο οικονομικό όφελος εκτιμήθηκε σε 155.052 ευρώ.Η διδακτορική διατριβή οργανώνεται ως εξής. Στο κεφάλαιο 1 υπάρχει μια γενική εισαγωγή, που περιλαμβάνει θέματα και τεχνολογίες σχετικά με την επεξεργασία των λυμάτων, τη νομοθεσία, την κατανάλωση ενέργειας και την προοπτική της κυκλικής οικονομίας. Στο κεφάλαιο 2 αναφέρονται ο σκοπός και οι στόχοι της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η τεχνολογία της χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας και το βιολογικό φίλτρο. Στο κεφάλαιο 4 αναλύεται η τεχνολογία των μεμβρανών και πιο συγκεκριμένα μια μεμβράνη μικροδιήθησης που επεξεργάζεται το ασθενές απόβλητο που προέρχεται από μονάδα χημικά ενισχυμένης πρωτοβάθμιας επεξεργασίας. Στο κεφάλαιο 5 περιγράφεται η αναερόβια χώνευση, και αξιολογείται η απόδοσή της για διαφορετικούς υδραυλικούς χρόνους παραμονής. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται το αποτύπωμα του άνθρακα καθώς και η μείωση της κατανάλωσης της ενέργειας. Παρουσιάζεται επίσης μια συγκριτική ανάλυση για την ενεργειακή ζήτηση σε μια μονάδα επεξεργασίας αποβλήτων, για μια πόλη με 50.000 ισοδύναμους κατοίκους. Στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 8 παρέχονται η καινοτομία της διατριβής και προτείνονται θέματα για μελλοντική έρευνα. Στο κεφάλαιο 9 παρατίθενται όλες οι βιβλιογραφικές αναφορές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή, και τέλος στο κεφάλαιο 10 παρουσιάζονται οι δημοσιευμένες εργασίες σε έγκριτα επιστημονικά περιοδικά.
Biocrude Oil Production by Integrating Microalgae Polyculture and Wastewater Treatment: Novel Proposal on the Use of Deep Water-Depth Polyculture of Mixotrophic Microalgae