No description available.

Doctor of Philosophy / Department of Biological & Agricultural Engineering / James K. Koelliker / This research provides a deterministic model of in-vessel composting, based on Monod’s growth kinetics, to mirror biological-mixture decomposition. Existing models predict temperature curves assuming a single temperature-range organism, using a soluble (simple sugar) substrate, with bacteria as the microorganism, and they ignore the different temperature range environments that impact the growth rates of mesophilic and thermophilic microorganisms. The new computer-simulated model, written in MATLAB® by The MathWorks, has six unique features. First, three major carbon chain substrate groups are utilized: soluble, hemicellulose/cellulose, and lignin. An additional substrate group is used for inert substrates. Second, three major microorganism groups are utilized: bacteria for soluble substrate, actinomycetes for cellulose substrate, and fungi for lignin substrate. Third, two temperature-range microorganisms are included: mesophilic and thermophilic. Fourth, the model accounts for the death of microorganisms as the temperature transitions between the temperature ranges. Most of the dead cellular mass is returned to soluble substrate for reutilization and a portion is considered resistant to biological decomposition and is added into the lignin substrate. Fifth, stoichiometric equations account for substrate and microorganism compositions, oxygen and nitrogen requirements, and carbon dioxide and water production. Sixth, the relationship between biological activity and water is better defined. Experimental research was conducted to validate the model. Laboratory analysis distinguished the substrate types. The results indicate the model did differentiate between different levels of substrate types, and the mesophilic and thermophilic microorganism types. Also, the model did differentiate between the bacteria, actinomycetes and fungi. The influence was small, however, because of the different maximum growth rates of the three types of microorganisms. Returning dead microbes to the substrate pools as a result of temperature transitions affected the model results positively. Additional research is needed to account for the influence of volume reduction, develop a better microbial growth curve, include particle size influence, add temporal temperature fluctuations to the external boundary conditions, incorporate pH and nitrogen availability, and develop a three-dimensional model. KEY WORDS. Aerobic composting, mathematical composting model, substrate types, microorganism types, microorganism temperature range, mesophilic, thermophilic, microbial death utilization, moisture composting relationship.

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.