Τα απόβλητα των ελαιοτριβείων αποτελούν ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά προβλήματα της Μεσογείου, λόγω της άκριτης διάθεσης τους. Είναι χαρακτηριστικό ότι, περίπου το 95% της παγκόσμιας παραγωγής ελαιόλαδου παράγεται από μικρές, οικογενειακές επιχειρήσεις Μεσογειακών χωρών. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η βιοτεχνολογική αξιοποίηση των αποβλήτων των ελαιοτριβείων για την αναερόβια παραγωγή υδρογόνου. Ειδικότερα, μελετήθηκε η δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου σε μεσόφιλες συνθήκες από το ημι-στερεό υπόλειμμα διφασικών ελαιοτριβείων (ελαιοπολτός ή olive pulp) και από τα υγρά απόβλητα τριφασικών ελαιοτριβείων (OMW) με χρήση μικτής αναερόβιας καλλιέργειας μικροοργανισμών. Τα απόβλητα αραιώθηκαν με νερό βρύσης σε αναλογία όγκων 1:4 αντίστοιχα, ώστε να καταστεί δυνατή η βιολογική επεξεργασία τους. Πειράματα σε αντιδραστήρες τύπου CSTR κατέδειξαν ότι, η συνεχής μεσόφιλη αναερόβια παραγωγή υδρογόνου είναι εφικτή τόσο από αραιωμένο ελαιοπολτό (1:4) όσο και από αραιωμένο απόβλητο OMW (1:4). Η απόδοση της συνεχούς διεργασίας σε υδρογόνο από αραιωμένο ελαιοπολτό (1:4) προσδιορίστηκε μικρότερη από τη μέγιστη θεωρητική απόδοση (4 mol H2/mol γλυκόζης που καταναλώθηκε) πιθανότατα λόγω της αρνητικής επίδρασης της μερικής πίεσης του υδρογόνου. Στα πλαίσια αξιοποίησης των πειραματικών αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής το μαθηματικό μοντέλο αναερόβιας χώνευσης ADM1 τροποποιήθηκε κατάλληλα, ώστε να καταστεί δυνατή η περιγραφή της αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου. Αρχικά, όλες οι κρίσιμες παράμετροι του μοντέλου προσδιορίστηκαν από τα πειραματικά δεδομένα της συνεχούς αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου από αραιωμένο ελαιοπολτό (1:4), ενώ πειράματα διαλείποντος έργου πραγματοποιήθηκαν για την επαλήθευσή τους. Προκειμένου να εξεταστεί η εγκυρότητα του τροποποιημένου μοντέλου και η δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής της αναερόβιας παραγωγής υδρογόνου από απόβλητα ελαιοτριβείων, το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την περιγραφή της αναερόβιας επεξεργασίας του αραιωμένου αποβλήτου OMW (1:4) με στόχο την παραγωγή υδρογόνου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν μέθοδοι προεπεξεργασίας του αραιωμένου ελαιοπολτού (1:4) (φυσικοχημικές μέθοδοι και ενζυμική υδρόλυση) με κύριο στόχο την αύξηση της συγκέντρωσης των διαλυτών υδατανθράκων του, ενώ στις περιπτώσεις που αυτό επιτεύχθηκε, διερευνήθηκε η επίδραση τους στην απόδοση της διεργασίας σε υδρογόνο. Η προσπάθεια αυτή βασίστηκε στο συμπέρασμα που προέκυψε από πειράματα διαλείποντος έργου, σύμφωνα με τα οποία, οι αδιάλυτοι υδατάνθρακες συνεισέφεραν ελάχιστα στην αναερόβια παραγωγή υδρογόνου με την εκατοστιαία κατά βάρος περιεκτικότητα τους να αντιστοιχεί περίπου στο 50% της περιεκτικότητας του αποβλήτου σε ολικούς υδατάνθρακες. Μεταξύ των φυσικοχημικών μεθόδων που εφαρμόστηκαν (προσθήκη αλκαλικού μέσου, οζονισμός, επεξεργασία με ατμό) ως βέλτιστη μέθοδος επιλέχθηκε η επεξεργασία με ατμό (1 bar, 121oC) για 60 min, καθώς οδήγησε στο μεγαλύτερο ποσοστό αύξησης των διαλυτών υδατανθράκων (περίπου 26% επί της αρχικής τους συγκέντρωσης), με το μικρότερο δυνατό οικονομικό κόστος, αυξάνοντας την απόδοση της διεργασίας σε υδρογόνο περίπου κατά 45% (εκφρασμένη ως mL Η2/g διαλυτών υδατανθράκων που καταναλώθηκαν). Τα εμπορικά διαλύματα ενζύμων Celluclast 1.5L (διάλυμα ενδο-β-γλυκανάσης) και Novozyme 188 (διάλυμα β-γλυκοσιδάσης) χρησιμοποιήθηκαν για την ενζυμική υδρόλυση του αραιωμένου ελαιοπολτού (1:4). Συμπερασματικά, πειράματα διαλείποντος έργου κατέδειξαν ότι, η απόδοση της αναερόβιας διεργασίας παραγωγής υδρογόνου από αραιωμένο ελαιοπολτό (1:4) καθίσταται βέλτιστη με την προσθήκη μόνο Celluclast 1.5L σε συγκέντρωση 50 FPU/g αδιάλυτων υδατανθράκων υποστρώματος και σε αναλογία όγκων υποστρώματος/μαγιάς μικροοργανισμών (S/X) ίση με 1 σε διεργασία ενός σταδίου. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση της προσθήκης του ενζύμου Celluclast 1.5L στην απόδοση της συνεχούς διεργασίας παραγωγής υδρογόνου από αραιωμένο ελαιοπολτό (1:4) στον αντιδραστήρα τύπου CSTR. / Olive mill wastes constitute one of the most important environmental problems of Mediterranean region, because of their thoughtless disposal. It is characteristic that, approximately 95% world’s olive oil production is derived from small, familiar enterprises which are mainly located in Mediterranean countries. The biotechnological exploitation of olive mill wastes for anaerobic hydrogen production was the aim of this thesis. In details, the possibility of hydrogen production from semi-solid residue derived from two-phase centrifugation process (olive pulp) and olive mill wastewater derived from three-phase centrifugation process (OMW) was examined with mixed anaerobic cultures under mesophilic conditions. The wastes were previously diluted with tap water (1:4), in order to be susceptible for biological treatment. Various experiments in CSTR type reactors showed that, the continuous mesophilic anaerobic hydrogen production is feasible from diluted olive pulp (1:4) and diluted OMW (1:4) as well. The potential of hydrogen production from diluted olive pulp (1:4) was lower than the maximum theoretical potential (4 mol H2/mol consumed glucose) probably due to the negative effect of partial pressure of hydrogen. The anaerobic digestion model No 1 (ADM1) was properly modified in order to describe the anaerobic hydrogen production. All the model’s critical parameters were determined by fitting the experimental data of continuous anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4), while batch experiments were conducted for their verification. In order to examine the validity and the reliability of the modified model for the description of anaerobic hydrogen production from various types of olive mill wastes, it was also tested in the case of diluted ΟMW (1:4) anaerobic treatment. Pretreatment methods of diluted olive pulp (1:4) were developed and evaluated (physicochemical methods and enzyme hydrolysis) targeting to the increase of soluble carbohydrates available concentration, while in the cases where this was achieved the effect on hydrogen potential was investigated. This attempt was based on the conclusion derived from batch experiments, indicated that, the non-soluble carbohydrates contribute to anaerobic hydrogen production only to a very small extent, with their concentration correspond approximately to 50% of waste content in total carbohydrates. Among the physicochemical methods that were applied (addition of alkaline solution, ozonation, treatment with steam), the treatment with steam (1 bar, 121oC) for 60 min was selected as the optimum method, because the achieved increase in soluble carbohydrates concentration was the highest (about 26%) with the least economic cost. The potential of anaerobic hydrogen production was increased approximately 45% (expressed as mL H2/g soluble carbohydrates consumed). Two commercial enzyme solutions, Celluclast 1.5L (endo-β-glucanase) and Novozyme 188 (β-glucosidase), were used for the enzymatic hydrolysis of diluted olive pulp (1:4). Conclusively, the potential of anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4) was optimum with the addition of Celluclast 1.5L (50 FPU/g non soluble carbohydrates from substrate) and substrate/mixed culture volume ratio (S/X) equal to 1 in one stage process (Simultaneous Saccharification and Fermentation, SSF) Finally, enzyme (Celluclast 1.5L) was added into the CSTR-type reactor in order to determine the effect in the potential of anaerobic hydrogen production from diluted olive pulp (1:4).

Η δέσμευση του P με την μορφή του στρουβίτη θεωρείται από τις εναλλακτικές μεθόδους ανάκτησης του P από τα υγρά απόβλητα. Ο στρουβίτης χρησιμοποιείται ως αργά αποδεσμευόμενο λίπασμα, ως υλικό για την σταθεροποίηση αμμωδών εδαφών και συμβάλλει στην αειφόρο ανάπτυξη. Η καταβύθιση του στρουβίτη σε υπέρκορα διαλύματά του υπό σταθερή θερμοκρασία εξαρτάται από τον υπερκορεσμό και από την παρουσία ξένων ιόντων ή ουσιών. Στόχος της παρούσας διατριβής, ήταν η μελέτη της κινητικής της καταβύθισης του στρουβίτη σε συνθήκες σύστασης αντίστοιχες των αστικών αποβλήτων. Η θερμοδυναμική ανάλυση γίνεται με μοντελοποίηση του ειδομορφισμού της υδατικής φάσης ενώ η μελέτη της κινητικής με την μέθοδο του σταθερού υπερκορεσμού η οποία επιτρέπει την διερεύνηση του ρόλου των ιόντων Ca, των βαρέων μετάλλων και οργανικών υδατοδιαλυτών ενώσεων με μεγάλη ακρίβεια και επαναληψιμότητα. Επίσης, διερευνήθηκε ο ετερογενής σχηματισμός του στρουβίτη με την χρήση κρυσταλλικών φύτρων στρουβίτη, SiO2, CaCO3 και πυριτικής άμμου για την μελέτη της πρόσφυσης του καταβυθιζόμενου στερεού στα υποστρώματα αυτά. Προσδιορίστηκε επίσης το γινόμενο διαλυτότητας του στρουβίτη προσεγγίζοντας την ισορροπία από υπέρκορα και ακόρεστα διαλύματα σε διαφορετικές τιμές ιονικής ισχύος. Με την ενζυμική υδρόλυση πολυφωσφορικών οξέων από ειδικά ένζυμα, τις φωσφατάσες, και την σταδιακή απελευθέρωση φωσφορικών ιόντων επετεύχθη ελεγχόμενη καταβύθιση του στρουβίτη σε υψηλούς υπερκορεσμούς. Τέλος, μελετήθηκε η κινητική της διάλυσης του στρουβίτη σε ακόρεστα διαλύματα συνθετικού αποβλήτου και σε διαφορετικές τιμές pH. Από τα κινητικά αποτελέσματα, με βάση την κλασσική θεωρία τη πυρηνογένεσης, προέκυψαν στενά όρια μεταστάθειας του συστήματος και η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων ότι είναι το βραδύ στάδιο, το οποίο ελέγχει την καταβύθιση. Το ποσοστό απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν 60-65% και από τις δοκιμές συσσωμάτωσης, προέκυψαν ελαφρά σταθεροποιημένα δοκίμια κατάλληλα για εφαρμογές σε καλλιεργήσιμα εδάφη. / Phosphorus precipitated in the form of struvite is a new prospective alternative in phosphorus recovery from wastewaters. Struvite may be used as a slow-released fertilizer, as fitment for stabilization of sandy soil areas and contributing towards sustainable development. Struvite precipitation in supersaturate solution at constant temperature depends on the supersaturation and the presence of foreign ions or substrates. The aim of this thesis was the investigation of struvite precipitation kinetics at conditions similar to municipal wastewaters. The thermodynamic analysis had been done by suitable speciation of aqueous medium while the kinetics of precipitation was investigated with constant solution supersaturation method. This method provides reliable and highly reproducible kinetics results of the effect of calcium ions, heavy metals and organic soluble compounds on the spontaneous precipitation of struvite. The heterogeneous formation of struvite was also investigated in order to examine struvite precipitated adhesion at different substrates. Struvite crystals, SiO2, CaCO3, and silicate sand were used to inoculate the supersaturated solutions. The thermodynamic solubility product of struvite was determined once equilibrium had been attained, when undersaturated and supersaturated solutions were allowed to reach equilibrium, at different ionic strengths values. Controlled struvite precipitation in solutions highly supersaturated was also achieved by the slow evolution of the supersaturation when sufficient phosphate was released from the enzymic action through the phosphatase mediated decomposition of polyphosphates. Finally, the kinetics of struvite dissolution was examined in undersaturate synthetic wastewater solutions at different pH values. The kinetics results, according to the classical nucleation theory, showed that the system stability range was very narrow and a surface diffusion controlled mechanism. A phosphorus recovery corresponding to 60-65% of the initially present phosphorus is feasible. Laboratory experiments using loose sand packs showed mildly consolidated agglomerates that can be used properly for cultivable land.