Πολλοί μικροοργανισμοί έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν βιοφίλμ στη διεπιφάνεια μεταξύ ενός υδατικού διαλύματος και ενός άλλου ρευστού, στερεού ή πορώδους υλικού. Η ανάπτυξη βιοφίλμ σε πορώδη υλικά έχει σημαντικό ρόλο σε πληθώρα διεργασιών, όπως η βιοαποδόμηση ρύπων στο έδαφος και η βιολογικά ενισχυμένη απόληψη πετρελαίου από ταμιευτήρες. Στην παρούσα εργασία μελετώνται τα φαινόμενα μεταφοράς και η δυναμική συμπεριφορά της ανάπτυξης μικροβιακών βιοφίλμ κατά τη βιοαποδόμηση οργανικών ενώσεων σε πορώδη υλικά. Οι κύριοι στόχοι και τα αποτελέσματα της διατριβής εντάσσονται σε τρεις άξονες. Ο πρώτος άξονας περιλαμβάνει τη διεξαγωγή πειραμάτων ανάπτυξης βιοφίλμ σε γυάλινα δοκίμια πορώδους μέσου για την αποσαφήνιση των μηχανισμών φραξίματος στην κλίμακα των πόρων και την συσχέτιση πορώδους-διαπερατότητας στην κλίμακα του πορώδους μέσου. Ο δεύτερος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τη μαθηματική περιγραφή: α) της διεργασίας μεταφοράς μάζας δια μοριακής διαχύσεως, και β) της διεργασίας μεταφοράς ορμής κατά τη ροή του εξωκυτταρικού υδατικού διαλύματος, σε κυτταρικά βιολογικά υλικά (βιοφίλμ, μικροβιακά συσσωματώματα, ιστοί). Η μεθοδολογία συνδυάζει τη μέθοδο χωρικής στάθμισης δια συνάρτησης βάρους για την ανάπτυξη των διεπουσών εξισώσεων, με μοντέλα μοναδιαίων κελιών για τον υπολογισμό των συντελεστών που υπεισέρχονται στις διέπουσες εξισώσεις. Ο τρίτος άξονας περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός νέου, ιεραρχικού, υβριδικού εξομοιωτή της δυναμικής συμπεριφοράς μικροβιακών βιοφίλμ σε πορώδη υλικά. Ο εξομοιωτής προβλέπει: α) τη δομική και βιολογική ετερογένεια στην κλίμακα του βιοφίλμ, β) τη μορφή και το ρυθμό ανάπτυξης του βιοφίλμ μέσα στους πόρους ρεαλιστικών πορωδών δομών, και γ) τη συζυγή μεταβολή του πεδίου ροής και της χωρικής κατανομής των συγκεντρώσεων διαλελυμένων χημικών ειδών. / Numerous bacteria are able to form biofilms at the interface between an aqueous solution and another fluid, solid or porous material. Biofilm growth in porous media is of key importance in a variety of processes, such as the biodegradation of pollutants in soil and biologically enhanced oil recovery from subsurface reservoirs. In the present work, the transport phenomena and the dynamics of biofilm growth during the biodegradation of organic pollutants in porous media are studied. The main goals and results of the dissertation are developed along the following axes. The first axis involves the conduction of experiments of biofilm growth in glass models of porous media for the elucidation of the clogging mechanism on the pore scale and the permeability-porosity correlation on the scale of the porous medium. The second axis involves the development of a methodology for the mathematical description of: (a) the diffusive mass transfer process, and, (b) the momentum transfer during the flow of the extra-cellular aqueous solution in cellular biological media (biofilms, microbial flocs, tissues). The methodology combines the spatial averaging method via a weight function for the formulation of the governing equations, with unit cell models for the calculation of the coefficients that enter the governing equations. The third axis involves the development of a novel, hierarchical, hybrid simulator of the dynamic behavior of microbial biofilms in porous materials. The simulator predicts: (a) the structural and biological heterogeneity on the biofilm scale, (b) the pattern and rate of growth rate of biofilms in the pores of realistic porous structures, and (c) the conjugate alteration of the flow field and the spatial distribution of the concentration of solutes.

Η ευρωπαϊκή ένωση αναγνωρίζοντας τα προβλήματα που προκαλούνται από την παρουσία ξενοβιοτικών ουσιών στην επεξεργασμενη ιλύ εκδίδει συγκεκριμένες οδηγίες σχετικά με την διάθεση της στο έδαφος. Φαρμακευτικές ουσίες ,LAS ,APE, PAE και PAHs συχνά απαντώνται σε σημαντικές ποσότητες στην ιλύ, πολλές από τις ουσίες είναι παρεμπόδιστες ενώ η επίδραση τους στην λειτουργία των αναερόβιων αντιδραστήρων είναι άγνωστη. Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η επίδραση των ρυπαντών αυτών στην διεργασία της αναερόβιας χώνευσης καθώς και η βιοαποδόμηση τους κάτω από αναερόβιες συνθήκες. Η τριχλωζάνη και η οφλοξακίνη παρεμποδίζουν την διαδικασία τησ αναερόβιας χώνευσης αυξάνοντας τα επίπεδα της συγκέντρωσης του διαλυτού χαο. Επίσης ο διαιθυλ(2-εξυλ)φθαλικός εστέρας βιοαποδομείται μερικώς. / Problems related to agricultural recycling of sludge include the presence of pollutants including priority pollutants identified in the EU urban water directives. Pharmaceuticals,LAS ,APE, PAE and PAHs are often present in significant quantities in the sludge. many of these compounds are inhibitory, and the impact on digester performance in unknown. in this work we identify the impact of these pollutants on the anaerobic process. itself, as well as degradation of the target compounds triclosaw and ofloxacin seemed to inhibit the anaerobic digestion process, increasing the dissolved cod concentration rapidly. Dehp was partially degraded. the mass transferrate was rate limiting for functioned as a tank equalizing the concentration of the dehp troughout the solid particle.

Τις τελευταίες δεκαετίες η συνεχώς αυξανόμενη παγκόσμια δραστηριότητα, λόγω της έντονης αστικοποίησης και βιομηχανοποίησης, έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων αποβλήτων. Μεταξύ αυτών είναι και η ιλύς, δηλαδή το ημιστερεό υπόλειμμα που παράγεται από τις μονάδες επεξεργασίας αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων. Μολονότι η ιλύς αντιμετωπίζεται ως απόβλητο που πρέπει να διατεθεί, είναι στην πραγματικότητα ένας σοβαρά υποτιμημένος πόρος. Πιο συγκεκριμένα, η ιλύς διαθέτει πολύτιμα θρεπτικά συστατικά, ενώ παράλληλα έχει και υψηλή θερμική αξία, ιδιότητες που την καθιστούν κατάλληλη για ένα μεγάλο εύρος χρήσεων. Ωστόσο, η ιλύς είναι φορέας ρύπων, όπως οι παθογόνοι μικροοργανισμοί και οι ξενοβιοτικές ουσίες, η ύπαρξη των οποίων βρίσκεται στο επίκεντρο των ενδιαφερόντων των ερευνητών. Ανάμεσα στις διάφορες διεργασίες που έχουν εφαρμοσθεί μέχρι σήμερα τόσο για την επεξεργασία της ιλύος, όσο και για την απομάκρυνση των ξενοβιοτικών παραγόντων από το περιβάλλον, οι βιολογικές διεργασίες φαίνεται να υπερτερούν αισθητά έναντι των άλλων. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η εφαρμογή μιας βιολογικής μεθόδου, της βιοσταθεροποίησης, για την επεξεργασία της ιλύος. Η ολοκλήρωση της μελέτης της βιοσταθεροποίησης έγινε με την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου ικανό να περιγράφει τη διεργασία. Παράλληλα, ερευνήθηκε η δυναμικότητα της διεργασίας αυτής στη βιοαποκατάσταση της ιλύος από το ξενοβιοτικό περιεχόμενό της. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η απομάκρυνση των ξενοβιοτικών ουσιών, μέσω της βιοαποδόμησής τους από αυτόχθονες μικροβιακούς πληθυσμούς της ιλύος, σε άλλα αερόβια περιβάλλοντα. Η εφαρμογή της διεργασίας της βιοσταθεροποίησης πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλη πειραματική διάταξη που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για το σκοπό αυτό. Η διάταξη αυτή επέτρεπε τον πλήρη έλεγχο και τη σωστή ρύθμιση της διεργασίας. Η ολοκλήρωση των πειραμάτων της λιπασματοποίησης έδειξε ότι η διεργασία αυτή μπορεί να εφαρμοσθεί ως μέθοδος επεξεργασίας και σταθεροποίησης της ιλύος, αρκεί να ρυθμιστούν κατάλληλα καθοριστικές φυσικές και χημικές παράμετροι. Τα αποτελέσματα έδειξαν, επίσης, ότι η διεργασία δεν παρεμποδίζεται από την παρουσία υψηλών αρχικών συγκεντρώσεων ξενοβιοτικών ουσιών στην ιλύ, ενώ αντίθετα οδηγεί στην απομάκρυνσή τους. Τα ποσοστά απομάκρυνσης ήταν ιδιαίτερα υψηλά προκειμένου για τις επιφανειοδραστικές ενώσεις και αρκετά σημαντικά για το φθαλικό εστέρα και τους πολυκυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Φαίνεται, λοιπόν, ο πολυποίκιλος μικροβιακός πληθυσμός της βιοσταθεροποίησης να συμβάλλει στην ουσιαστική, αν όχι πλήρη, απομάκρυνση των ξενοβιοτικών ουσιών κατά τη διάρκεια της διεργασίας και να οδηγεί στην παραγωγή σταθερού και ασφαλούς τελικού προϊόντος. Ωστόσο, υψηλά ποσοστά απομάκρυνσης των παραπάνω ξενοβιοτικών ουσιών κατέδειξαν και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε αερόβιες υγρές μικτές καλλιέργειες. Ενδεχομένως, η μικροβιακή συνεργασία να παίζει τον καθοριστικό ρόλο στη βιοαποδόμηση αυτών των ουσιών. Η παρούσα μελέτη θα μπορούσε να συνεισφέρει αποτελεσματικά στην ανάπτυξη μιας αξιόπιστης μεθόδου για τη διαχείριση της ιλύος. Συνολικά, η λιπασματοποίηση μπορεί να αποδειχθεί ένα χρήσιμο εργαλείο για την επιθυμητή βιώσιμη ανάπτυξη της κοινωνίας μας, αφού αφ’ ενός μπορεί να συμβάλλει στη λύση του περιβαλλοντικού προβλήματος της διαχείρισης της ιλύος που παράγεται από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, που την απασχολεί έντονα, και αφ’ ετέρου μπορεί να εξουδετερώσει το παθογόνο περιεχόμενο και να εξαλείψει τις τοξικές ξενοβιοτικές ουσίες. / The continuously increased human activity of the last few decades, because of the intense urbanization and industrialization, has resulted in the production of a serious amount of wastes. Among these is sewage sludge, which is the semi-solid residue produced by municipal and industrial waste treatment plants. Although sludge is considered as a waste product which must be disposed, it is actually an underestimated resource. Specifically, sludge contains valuable nutrients and high thermal value making sludge appropriate for a wide range of uses. Nevertheless, the existence of pathogens and xenobiotics in sludge has attracted the interest of scientific community. Among various methods that have been used for sludge treatment, as well as the removal of xenobiotics from environmental systems, biological methods are advantageous. The aim of the present work was to assess the sewage sludge treatment by a biological process, which is closed-vessel composting. This study involved also the development of a mathematical model capable of describing the composting process. The efficiency of bioremediation of xenobiotics content during sludge composting was also studied. Finally, the xenobiotics removal was investigated through biodegradation using sludge indigenous microbial populations in other aerobic environments. A suitable experimental configuration was designed and constructed in order to study the composting process. The composting system was designed for complete control and regulation of the process. Based on the results of the composting experiments, it can be concluded that composting is an efficient method allowing for treating and stabilization of sewage sludge, provided that critical physicochemical parameters are adjusted. Results revealed also that composting process is not inhibited by the presence of high initial concentration of xenobiotics. On the contrary, composting results in removal of xenobiotics. With reference to surfactants (LAS.NP and NPEO), the removal percentages were particularly high, while the relevant percentages for phthalate ester and polycyclic aromatics hydrocarbons were also significant. It seems, then, that the variable microbial population of the composting mixture contributes to the elimination of xenobiotic compounds and results in a safe and stable final product. The experiments which were conducted in aerobic mixed liquid cultures showed also high xenobiotic removal percentages. Probably, the microbial consortium could play a significant part in biodegradation of xenobiotic compounds. The present study contributes to the development of a reliable method of sewage sludge treatment. The composting process, totally complies with the desirable sustainable growth for our society by the treatment of sludge produced in waste water treatment plants and by the elimination of the xenobiotic compounds that limit its valorisation.