Environmental pollution from untreated wastewater disposal is one of the most serious environmental issues. Hexavalent chromium, Cr(VI), is known to be a very toxic compound, frequently found in polluted industrial wastewaters, and causes major environmental problems. On the other hand, among the agro-industrial wastewaters, dairy wastewaters can also cause serious environmental pollution due to their high organic loads. Specifically, when untreated dairy wastewater is deposited into surface water bodies it can cause eutrophication and environmental toxicity. The use of constructed wetlands began 40 years ago in North America and Europe. The idea arose from the use of wetlands as final recipients to treat effluent wastewaters. After studies on their construction and improved operations, today constructed wetlands are used as a processing technology in many countries for the treatment of municipal wastewater, industrial wastewater, landfill leachates, etc. Due to their simplicity and low operational cost, constructed wetlands are becoming more prevalent in wastewater treatment all over the world. Their range of applications is no longer limited to municipal wastewater or industrial wastewater but has expanded to the treatment of heavily polluted wastewaters such as agro-industrial effluents. Constructed wetlands can tolerate high pollutant loads and toxic substances without reducing their removal ability, thus these systems are very effective bio-reactors even in hostile environments. The potential application of constructed wetlands in the treatment of chromium-bearing wastewaters has been reported recently. Additionally, secondary cheese whey, a nutrient-rich wastewater which has high potential of polluting surface and/or groundwater, is now being treated either by conventional or biological treatment processes. However, limited research has been conducted on the treatment of secondary cheese whey using constructed wetlands. The objectives of this PhD research were to evaluate a) the effect of different parameters (HRT, temperature, physiochemical parameters) on the treatment of wastewater containing Cr(VI) and secondary cheese whey, using pilot-scale horizontal subsurface flow (HSF) constructed wetlands, b) a sustainable disposal technique of chromium treated reed biomass and c) the treatment efficiency of undiluted secondary cheese whey using pilot-scale HSF constructed wetland at very low HRT and removal of Cr(VI) by providing cheese whey as source of carbon. In the 1st experimental period of this dissertation, the research focused on the study of integrated chromium removal from aqueous solutions in HSF constructed wetlands. Two pilot-scale HSF constructed wetlands (CWs) units were built and operated. One unit was planted with common reeds (Phragmites australis) and one was kept unplanted. Influent concentrations of Cr(VI) ranged from 0.5 to 10 mg/L. The effects of temperature and hydraulic residence time (8 - 0.5 days) on Cr(VI) removal were studied. Temperature proved to affect Cr(VI) removal in both units. In the planted unit, maximum Cr(VI) removal efficiencies of 100% were recorded at HRT’s of 1 day with Cr(VI) concentrations of 5, 2.5 and 1 mg/L, while a significantly lower removal rate was recorded in the unplanted unit. Harvested reed biomass from the CWs was co-composted with olive mill wastes. The final product had excellent physicochemical characteristics (C/N: 14.1-14.7, germination index (GI): 145-157%, Cr: 8-10 mg/kg dry mass), fulfills EU requirements, and can be used as a fertilizer in organic farming. In the 2nd experiment of the first experimental period of this research, two horizontal subsurface flow pilot-scale constructed wetlands were built and operated for almost two years to treat secondary cheese whey. One unit was planted with common reeds (Phragmites australis) and one was kept unplanted. The pilot-scale wetlands operated under various hydraulic residence times (8, 4, 2 and 1 day), temperatures (2.4 to 32.90C) and COD influent concentrations (1200 to 7200 mg/L) in order to examine their effect on secondary cheese whey treatment efficiency. Both units successfully removed organic matter, as COD removal efficiencies of 91% and 77.23% were recorded for the planted and unplanted unit, respectively. Hydraulic residence time affected COD removal efficiency only when limited to 1 day. Temperature significantly affected COD removal only in the unplanted unit, while the planted unit's efficiency was affected only by the annual plant growth cycle. It should be noted that COD effluent concentrations were below EU legislation units (120 mg/L) even when the CWs operated under the shortest hydraulic residence time ever reported in the literature (2 days) with COD influent concentrations ranging from 1200 to 3500 mg/L. In the 2rd experimental period, a mixed solution of cheese whey and hexavalent chromium was treated using pilot-scale horizontal subsurface flow constructed wetlands. This study was performed in order to assess the effect of hydraulic residence time, the initial concentrations of both substances (i.e., Cr(VI) and cheese whey), the presence of vegetation, and surface load throughout the treatment process. Two hydraulic residence times (HRT) (8 and 4 days) were applied. The average electrical conductivity did not show any significance and the average pH values also did not fluctuate. COD concentrations varied between 2000 to 3000 mg/L, and Cr(VI) concentrations were between 0.5 and 5 mg/L. Regarding the removal of organic matter, the planted pilot units had the highest removal rates of around 70%, compared to the unplanted units with around 50%. The vegetation does not affect the removal of Cr(VI) whereas for COD removal, the vegetation does not perform its proper function which leads us to conclude that Cr(VI) influences the removal of COD. The overall outcome of this research is a significant contribution to the treatment of Cr(VI) and secondary cheese whey using constructed wetland technology. It could also be concluded that, constructed wetlands can potentially remove both Cr(VI) and COD at very low HRTs (1 and 2 days, respectively), when receiving moderate pollutant concentrations (5 mg Cr(VI)/L and >5000 mg COD/L), without any seasonal effect. Moreover, by using cheese whey as the carbon source, Cr(VI) can be successfully removed in constructed wetland systems with 4 days of HRT. / Η ρύπανση του περιβάλλοντος από τα ανεπεξέργαστα λύματα αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα περιβαλλοντικά ζητήματα. Το εξασθενές χρώμιο (Cr(VI)), που είναι γνωστό για την τοξική του δράση, εντοπίζεται συχνά σε βιομηχανικά υγρά απόβλητα και προκαλεί σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα. Από την άλλη τα υγρά απόβλητα τυροκομικών μονάδων επίσης αποτελούν σημαντική περιβαλλοντική απειλή, λόγω του υψηλού οργανικού τους φορτίου. Ειδικότερα όταν ανεπεξέργαστα τυροκομικά υγρά απόβλητα καταλήγουν σε επιφανειακά υδάτινα σώματα μπορούν να προκαλέσουν ευτροφισμό και τοξικά φαινόμενα. Η χρήση των τεχνητών υγροβιότοπων ξεκίνησε πριν από περίπου 40 χρόνια στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη. Η ιδέα προήλθε από τη χρήση φυσικών υγροβιότοπων ως τελικών αποδεκτών επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων. Μετά από εκτεταμένη έρευνα σήμερα οι τεχνητοί υγροβιότοποι χρησιμοποιούνται ευρέως ως τεχνολογία επεξεργασίας διαφόρων ειδών υγρών αποβλήτων και απορροών (π.χ. αστικά, βιομηχανικά, δισταλλάγματα κλπ.). Λόγω της απλότητας τους και του χαμηλού λειτουργικού κόστους οι τεχνητοί υγροβιότοποι αποτελούν πλέον μια ανταγωνιστική τεχνολογία. Το εύρος των εφαρμογών τους δεν περιορίζεται πλέον μόνο στην επεξεργασία αστικών υγρών αποβλήτων, αλλά έχει επεκταθεί και στην επεξεργασία ισχυρών υγρών αποβλήτων, όπως των αγροτοβιομηχανικών. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι ανθεκτικοί σε υψηλά ρυπαντικά φορτία και σε τοξικές ουσίες χωρίς να επηρεάζεται σημαντικά η λειτουργία τους. Συνεπώς οι τεχνητοί υγροβιότοποι είναι ιδιαιτέρως αποτελεσματικοί βίο-αντιδραστήρες ακόμα και ιδιαίτερα εχθρικά περιβάλλοντα. Η δυνατότητα χρήσης τεχνητών υγροβιότοπων για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων με χρώμιο, μόλις πρόσφατα έχει αρχίσει να μελετάται. Επί πλέον ο δευτερογενής ορρός γάλακτος (τυρόγαλα), που είναι ένα υγρό απόβλητο με υψηλό περιεχόμενο θρεπτικών, κυρίως επεξεργάζεται με τη χρήση φυσικοχημικών και βιολογικών μεθόδων, ενώ η χρήση τεχνητών υγροβιότοπων είναι περιορισμένη. Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η αξιολόγηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων (υδραυλικού χρόνου παραμονής-HRT, θερμοκρασίας, φυσικοχημικών παραμέτρων) στην επεξεργασία αποβλήτων που περιέχουν Cr(VI) καθώς και του δευτερογενούς ορρού γάλακτος με τη χρήση πιλοτικών μονάδων τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Επιπλέον η παρούσα διατριβή στόχευε και στην εξεύρεση μιας βιώσιμης τεχνικής για την επεξεργασία της φυτικής βιομάζας και στην χρήση του δευτερογενούς ορρού γάλακτος, ως πηγή άνθρακα στην επεξεργασία του Cr(VI). Στη διάρκεια της 1ης πειραματικής περιόδου της παρούσας διατριβής, η έρευνα επικεντρώθηκε στη μελέτη της ολοκληρωμένης απομάκρυνσης του χρωμίου από υδατικά διαλύματα και στην επεξεργασία δευτερογενή ορρού γάλακτος από πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Για την ολοκληρωμένη απομάκρυνση του Cr(VI) χρησιμοποιηθήκαν δύο πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Η μία πιλοτική μονάδα ήταν φυτεμένη με κοινό καλάμι (Phragmites australis), ενώ η άλλη παρέμεινε αφύτευτη. Οι συγκεντρώσεις του Cr(VI) στα υδατικά διαλύματα κυμάνθηκαν από 0.5 έως 10 mg/L. Επίσης εξετάστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και του HRT (8 - 0.5 ημέρες) στην αφαίρεση του Cr(VI). Η θερμοκρασία αποδείχτηκε να επηρεάζει την αφαίρεση του Cr(VI) και στις 2 πιλοτικές μονάδες. Οι αποδόσεις απομάκρυνσης του Cr(VI) στην φυτεμένη πιλοτική μονάδα έφθασαν το 100% ακόμα και για HRT της 1 ημέρας, με συγκεντρώσεις εισόδου Cr(VI) 5, 2.5 και 1 mg/L. Σε αντίθεση, η αφύτευτη πιλοτική μονάδα κατέγραψε σημαντικά χαμηλότερες αποδόσεις απομάκρυνσης Cr(VI). Η φυτική βιομάζα που συλλέχθηκε από την φυτεμένη πιλοτική μονάδα κομποστοποιήθηκε μαζί με στερεά απόβλητα ελαιοτριβείου. Το τελικό προϊόν της κομποστοποιήσης είχε εξαιρετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά (C/N: 14.1-14.7, δείκτης βλαστικότητας (GI): 145-157%, Cr: 8-10 mg/kg dry mass), τα οποία πληρούν τα όρια της Ευρωπαϊκής Ένωσης για τη χρήση του ως λίπασμα σε οργανικές καλλιέργειες. Η δεύτερη πειραματική διάταξη της 1ης πειραματικής περιόδου περιελάμβανε δύο όμοιες πιλοτικές μονάδες με τις παραπάνω, που ωστόσο χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία δευτερογενούς ορρού τυρογάλακτος. Οι πιλοτικές μονάδες λειτούργησαν υπό διαφόρους χρόνους παραμονής (8, 4, 2 και 1 ημέρα), θερμοκρασίες (από 2.4 έως 32.90C) και συγκεντρώσεις εισόδου COD (από 1200 έως 7200 mg/L) Οι δύο μονάδες επεξεργάστηκαν επιτυχώς το δευτερογενή ορρό γάλακτος, αφού καταγράφηκαν για την φυτεμένη και την αφύτευτη πιλοτική μονάδα, αποδόσεις αφαίρεσης COD της τάξης του 91% και 77.23%, αντίστοιχα. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής επηρέασε την απόδοση τω δύο πιλοτικών μονάδων μόνο όταν μειώθηκε στην 1 ημέρα. Αντιθέτως, η θερμοκρασία επηρέασε μόνο την αφύτευτη πιλοτική μονάδα, ενώ η απόδοση της φυτεμένης επηρεάστηκε μόνο από τον ετήσιο κύκλο ανάπτυξης των φυτών. Πρέπει να τονιστεί ότι οι συγκεντρώσεις εξόδου του COD ήταν χαμηλότερες των ορίων της Ε.Ε., ακόμα και για χρόνους παραμονής 2 ημερών (ο χαμηλότερος που έχει αναφερθεί μέχρι τώρα στη βιβλιογραφία) με αρχικές συγκεντρώσεις εισόδου COD από 1200 έως 3500 mg/L. Στη διάρκεια της 2ης πειραματικής περιόδου οι τέσσερεις συνολικά πιλοτικές μονάδες που χρησιμοποιήθηκαν στην 1η περίοδο, χρησιμοποιήθηκαν επίσης και για την επεξεργασία ενός μεικτού διαλύματος δευτερογενή ορρού γάλακτος και Cr(VI). Στόχος των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν ήταν η αξιολόγηση της επίδρασης του χρόνου παραμονής (8 και 4 ημέρες), των συγκεντρώσεων εισόδου του Cr(VI) (από 0.5 έως 5 mg/L) και του COD (από 2000 έως 3000 mg/L), του φυτού και του επιφανειακού φορτίου στην απόδοση των πιλοτικών μονάδων. Όσον αφόρα την αφαίρεση της οργανικής ύλης, οι φυτεμένες πιλοτικές μονάδες κατέγραψαν υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης (περίπου 70%) σε σύγκριση με τις αφύτευτες (περίπου 50%). Σε αντίθεση, η απομάκρυνση του Cr(VI) έδειξε να μην επηρεάζεται από την παρουσία φυτών. Τέλος, παρατηρήθηκε ότι η ύπαρξη του Cr(VI) επηρεάζει την απομάκρυνση του οργανικού φορτίου. Τα τελικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής αποτελούν μια σημαντική συνεισφορά στην επεξεργασία υγρών αποβλήτων που περιέχουν Cr(VI) καθώς και του δευτερογενή ορρού γάλακτος από τεχνητούς υγροβιότοπους. Επίσης μπορεί να συμπεραθεί ότι η χρήση των τεχνητών υγροβιότοπων για την αφαίρεση Cr(VI) και COD μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και σε πολύ χαμηλούς χρόνους παραμονής (1 και 2 ημερών, αντίστοιχα), καθώς και σε υψηλές αρχικές συγκεντρώσεις (5 mg Cr(VI)/L και >5000 mg COD/L, αντίστοιχα). Τέλος, η χρήση του δευτερογενή ορρού γάλακτος ως πηγή άνθρακα στην αφαίρεση του Cr(VI), ήταν πλήρως επιτυχημένη.

Το χρώμιο (Cr) αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους ρύπους του φυσικού περιβάλλοντος. Η ευρεία βιομηχανική χρήση του χρωμίου έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων του μετάλλου στο περιβάλλον κυρίως με τη μορφή του εξασθενούς χρωμίου (Cr(VI)). Το εξασθενές χρώμιο, μία από τις σταθερές μορφές του χρωμίου στο περιβάλλον, είναι ευδιάλυτο, υψηλά τοξικό, καρκινογενές και μεταλλαξιγόνο. Οι σύγχρονες μέθοδοι επεξεργασίας του εξασθενούς χρωμίου χρησιμοποιούν μικροοργανισμούς, στηριζόμενες στη μεταβολική και κυτταρική τους δράση. Πρόκειται για διεργασίες πιο ανταγωνιστικές, αποτελεσματικές και οικονομικές έναντι των συμβατικών φυσικοχημικών μεθόδων (χημική αναγωγή, ανταλλαγή ιόντων, διήθηση, ηλεκτροχημική επεξεργασία, προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα, αντίστροφη όσμωση και μεμβράνες) καθώς παρουσιάζουν μικρές ενεργειακές απαιτήσεις, χαμηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος και τέλος μικρότερη παραγωγή τοξικής λάσπης. Η βιολογική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου απαιτεί την παρουσία ενός δότη ηλεκτρονίων. Το ρόλο αυτό παίζει ο οργανικός άνθρακας, ο οποίος είναι απαραίτητος για την πραγματοποίηση της διεργασίας αυτής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η επεξεργασία υγρών χρωμικών βιομηχανικών αποβλήτων, με ταυτόχρονη εκμετάλλευση/αξιοποίηση αγροτοβιομηχανικών παραπροϊόντων/αποβλήτων (μελάσα - χαμηλού κόστους και ορρός γάλακτος – μηδενικού κόστους), χρησιμοποιώντας βιολογικές μεθόδους. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τη βελτιστοποίηση του ρυθμού αναγωγής των μεικτών αερόβιων γηγενών καλλιεργειών σε αντιδραστήρες αιωρούμενης ανάπτυξης. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η μεικτή καλλιέργεια για τη μελέτη της βιολογικής αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου σε αντιδραστήρες σταθερής κλίνης πιλοτικής κλίμακας με πλαστικό πληρωτικό υλικό, σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες, στοχεύοντας στην μέγιστη απόδοση των συστημάτων και την αποφυγή λειτουργικών προβλημάτων. Το βιολογικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αποτελεί μία πολύ αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας βιομηχανικών αποβλήτων επιβαρυμένων με το τοξικό εξασθενές χρώμιο, χρησιμοποιώντας οικονομικές πηγές άνθρακα όπως η μελάσα και ο ορρός γάλακτος. Η μέθοδος αυτή είναι πολλά υποσχόμενη, συνδυάζοντας υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης με εξαιρετικά χαμηλές δαπάνες λειτουργικού κόστους. / Chromium is one of the most serious pollutants of natural environment. The widespread industrial use of chromium leads to the release of large quantities of this metal in the environment, mainly in the form of hexavalent chromium. The hexavalent chromium, one of the most stable forms that we can notice in the environment, is soluble, highly toxic carcinogenic and mutagenic. Contemporary water processing techniques of hexavalent chromium use micro-organisms, based on their metabolic and cellular activity. These procedures are more competitive, more effective and certainly financially affordable over the conventional physicochemical methods (chemical oxidation or reduction, ion exchange, filtration, electrochemical treatment, activated carbon adsorption, reverse osmosis and membrane technologies) as they show low energy demands, low maintenance cost and a smaller production of toxic mud. The biological reduction of hexavalent chromium requires the presence of an electron donor. This part is covered by organic carbon that is essential for carrying out the process. The present thesis studied the treatment of liquid industrial chromate waste and the exploitation/utilization of agroindustrial byproducts/wastewaters (molasses - low cost and cheese whey- zero cost), using biological methods. At the beginning, experiments were conducted to optimize the reduction rate of mixed aerobic indigenous cultures in suspended growth reactors. Subsequently, the mixed culture was used for the biological reduction of the hexavalent chromium, in laboratory pilot scale fixed bed reactors, with plastic media, in various functional conditions targeting to the maximum system performance and the prevention of functional problems. The biological system used in the present thesis constitutes a very effective method of processing industrial wastewater polluted with the toxic hexavalent chromium, by using affordable sources of carbon, such as molasses and cheese whey. This is a quite promising method, combining high removal rates with extremely low operating expenditure.