Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/9468
Title: Development of physicochemical methods for restoring eutrophic water bodies
Authors: Ζαμπάρας, Μιλτιάδης
Keywords: Eutrophication
Innovative materials
Lake restoration
Bephos
Modeling
Zeolite
Keywords (translated): Ευτροφισμός
Καινοτόμα υλικά
Αποκατάσταση
Μοντελοποίηση
Ζεόλιθος
Abstract: Eutrophication has become the primary water quality issue for most of the freshwater and coastal marine ecosystems in the world. It is one of the most visible examples of human changes to the biosphere, affecting aquatic ecosystems from the Arctic to the Antarctic. More than 40% of water bodies in many regions of the world are considered to have eutrophication problems. A recent study of over 14,000 lakes <1 ha in size in Great Britain found that 51% are likely to require P-decrease measures to meet the Water Framework Directive to achieve ‘good status’ by the year 2015. Many shallow eutrophic lakes will have difficulties meeting the EU Water Framework Directive (WFD) criteria in 2015 without restoration. Therefore, regional water action plans have been adopted to find possibilities for the lakes to meet the criteria of “moderate”, “high”, or “good” ecological condition. Restoration has been defined as the return of a disturbed system to some pre-disturbance state that is both self-regulating and integrated into the larger landscape. The chemical restoration methods mainly aim at reducing the P release from the sediment by improving the P binding capacity and thus creating P limitation of the phytoplankton. During the recent decade, scientific research has considered a number of different solid adsorbents to be used in reducing the P levels entering the water bodies. The main objective of the present PhD thesis was to develop physicochemical methods for restoring degraded and poor quality natural water bodies threatened by eutrophication. In the beginning of our research, a primarily in-depth review of restoration methods, emphasizing remediation methods of internal nutrient release budget as a basic factor to control eutrophication, was of major importance, as this knowledge was lacking from the scientific community. The use of phosphate inactivation agents as a restoration tool, their capacity and application methods, as well as the individual results (in water quality, algal blooms, flora and fauna) in a worldwide range, were also thoroughly examined. Afterwards, the performance of a modified bentonite Zenith/Fe, a primary unmodified bentonite Zenith-N and a lanthanum modified bentonite PhoslockTM, for phosphate uptake from different types of simulated eutrophic water bodies, were studied in detail. In our effort to improve the precursor material (Zenith/Fe), following the research carried out in the context of PhD Thesis, a novel low-cost composite material was prepared (BephosTM) by embedding Fe, Cu ions and humic acid using in the interlayer space of a natural bentonite. BephosTM was evaluated under various physicochemical conditions prevailing in eutrophic water bodies. Bench-scale batch and column experiments were performed to examine its efficiency as adsorbent for phosphate and ammonium removal from natural waters. Based on the accumulated knowledge gained from the results of our research, a conceptual model as a process to determine the optimal remediation technique, highlighting the need of an integrated approach to eutrophication management has been conducted. Thus, before the decision to proceed to a restoration method, simultaneous monitoring of external and internal nutrient loads should initially be carried out. In this way we will define the reference conditions of the ecosystem and will choose which method to use in order to have the desired results. In addition, the research carried out in the PhD Thesis, resulted to understanding the role of P bound in sediments determining on the basis of different P-fractions. In this way, it will be reduced the excessive amounts of P-inactivation agents into the water column and sediment, preventing the disturbance for filter feeders and benthic fauna respectively. Another equally important reason to assess P-fractions in sediments is that these forms are closely influenced by the physicochemical parameters prevailing in eutrophic waters and thereby we can assess when the more appropriate time for a water treatment is. In other words, we can remediate according to the proper timeline certain P-fractions are supposed to emerge, achieving high efficiency in water treatment. Finally, the use of P-adsorption agents (P-AA) might be an alternative method as the adsorbed phosphorus can be used as fertilizer or enriching soil conditioners. Therefore, it is generated a sustainable cycle taking into account a renewable resource-based P-AA leading to environmental protection and conservation of natural resources. P-AA for removal and recovery of phosphorus from eutrophic water bodies are a promising technique but require further study to be used in agriculture.
Abstract (translated): Ο ευτροφισμός αποτελεί το βασικότερο πρόβλημα ποιότητας που αντιμετωπίζουν τα εσωτερικά νερά και τα παράκτια οικοσυστήματα παγκοσμίως. Είναι ένα από τα πιο ορατά παραδείγματα ανθρωπογενών αλλαγών στη βιόσφαιρα, που λαμβάνει χώρα από την Αρκτική ως την Ανταρκτική. Περισσότερο από το 40% των υδάτινων αποδεκτών σε πολλές περιοχές του κόσμου θεωρείται ότι παρουσιάζει πρόβλημα ευτροφισμού. Μία πρόσφατη έρευνα σε πάνω από 14.000 μικρές λίμνες και ταμιευτήρες στη Μεγάλη Βρετανία έδειξε ότι χρειάζεται να μειωθούν οι συγκεντρώσεις φωσφορικών, ώστε να συναντήσουν τα κριτήρια ποιότητας που θέτει η Οδηγία 2000/60 για τα νερά (Water Framework Directive, WFD). Για πολλές εύτροφες λίμνες η εφαρμογή μεθόδων αποκατάστασης αποτελεί μονόδρομο στην προσπάθεια τους να επιτύχουν τα κριτήρια που θέτει η Οδηγία Water Framework Directive (WFD) μέχρι το 2015. Ως αποκατάσταση έχει οριστεί η επιστροφή του διαταραγμένου οικοσυστήματος σε κάποια κατάσταση προ-διαταραχής, που είναι πλέον σε θέση να αυτορυθμιστεί και να ενσωματωθεί στο ευρύτερο περιβάλλον. Οι χημικές μέθοδοι αποκατάστασης αποσκοπούν κυρίως στη μείωση της απελευθέρωσης P από το ίζημα, βελτιώνοντας την ικανότητας δέσμευσης P από το ίζημα και δημιουργώντας έτσι τον περιορισμό Ρ που είναι διαθέσιμος για την υπέρμετρη αύξηση του φυτοπλαγκτού. Κατά τη διάρκεια της προηγούμενης δεκαετίας, η επιστημονική έρευνα έχει αναπτύξει ένα αριθμό διαφορετικών στερεών προσροφητικών υλικών που δύναται να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση των επιπέδων P σε υδατικά σώματα. Κύριος στόχος της παρούσας Διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη φυσικοχημικών μεθόδων για την αποκατάσταση των υποβαθμισμένων και κακής ποιότητας φυσικών υδάτινων σωμάτων που έρχονται αντιμέτωπα με την απειλή του ευτροφισμού. Η αρχή της Διδακτορικής διατριβής , περιλαμβάνει μια σε βάθος ανασκόπηση των μεθόδων αποκατάστασης, δίνοντας έμφαση στις μεθόδους εκείνες που σχετίζονται με τον περιορισμό του εσωτερικού φορτίου θρεπτικών, ως ο βασικός παράγοντας για τον έλεγχο του ευτροφισμού, θέμα μείζονος σημασίας, καθώς η γνώση αυτή έλειπε από την επιστημονική κοινότητα. Η χρήση υλικών ως παράγοντες αδρανοποίησης των φωσφορικών, η ικανότητα και η εφαρμογή των μεθόδων τους, καθώς και τα επιμέρους αποτελέσματα (στην ποιότητα του νερού, την ανάπτυξη φυκών, χλωρίδα και πανίδα), σε παγκόσμια εμβέλεια, εξετάστηκαν επίσης διεξοδικά. Στη συνέχεια, η ανάπτυξη ενός τροποποιημένου μπεντονίτη Zenith/Fe και η σύγκρισή του με ένα μη τροποποιημένο μπεντονίτη Zenith-Ν και ένα εμπορικό τροποποιημένο μπεντονίτη (PhoslockTM) στην πρόσληψη φωσφορικών -κάτω από διαφορετικούς τύπους ευτροφικών υδατικών σωμάτων- μελετήθηκαν λεπτομερώς. Στην προσπάθεια βελτίωσης του πρόδρομου υλικού (Zenith/Fe), μέσα από την έρευνα που διεξήχθη στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, ένα καινοτόμο -χαμηλού κόστους- σύνθετο υλικό (BephosTM) παρασκευάστηκε, με την ενσωμάτωση Fe, Cu ιόντων και χουμικών οξέων στον ενδοστρωματικό χώρο ενός φυσικού μπεντονίτη. Το BephosTM αξιολογήθηκε κάτω από ένα ευρύ φάσμα φυσικοχημικών συνθηκών που είναι κυρίαρχες σε εύτροφα υδάτινα σώματα. Με βάση τη συσσωρευμένη γνώση που αποκτήθηκε από τα αποτελέσματα της έρευνας στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συγκροτήθηκε ένα εννοιολογικό μοντέλο ως διαδικασία για τον προσδιορισμό της βέλτιστης τεχνικής αποκατάστασης, υπερθεματίζοντας την ανάγκη μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης στη διαχείριση του ευτροφισμού. Κατά συνέπεια, πριν από την απόφαση της εφαρμογής μιας μεθόδου αποκατάστασης, έχει ουσιαστική σημασία, η ταυτόχρονη παρακολούθηση των εξωτερικών και εσωτερικών φορτίων των θρεπτικών. Με τον τρόπο αυτό, καθορίζονται οι συνθήκες αναφοράς του οικοσυστήματος και επιλέγεται ποια μέθοδος θα χρησιμοποιηθεί ώστε να προκύψουν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Επιπλέον, η έρευνα που διεξήχθη στην παρούσα διδακτορική διατριβή, είχε ως αποτέλεσμα την κατανόηση του ρόλου του Ρ που δεσμεύεται από τα ιζήματα, με βάση τον προσδιορισμό του ολικού Φωσφόρου στο ίζημα, συναρτήσει των διαφορετικών Ρ-κλασμάτων. Με τον τρόπο αυτό, μειώνεται δραστικά οι υπερβολικές ποσότητες των υλικών που χρησιμοποιούνται για την P-αδρανοποίηση, εμποδίζοντας τη διαταραχή των υδρόβιων οργανισμών και της βενθικής πανίδας αντίστοιχα. Ένας άλλος εξίσου σημαντικός λόγος για να αξιολογηθεί η κλασματοποίηση του φωσφόρου στα ιζήματα, είναι ότι αυτές οι μορφές επηρεάζονται στενά από τις φυσικοχημικές παραμέτρους που επικρατούν στο νερό, και με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να αξιολογήσουμε την πιο κατάλληλη στιγμή (χρονικά) για μια εφαρμογή υλικών P-αδρανοποίησης. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να υπολογιστεί η στιγμή που απελευθερώνονται οι μορφές του φωσφόρου που είναι εν δυνάμει βιοδιαθέσιμες, επιτυγχάνοντας υψηλή αποδοτικότητα της εφαρμογής. Τέλος, η χρήση προσροφητικών υλικών θα μπορούσε να είναι μια εναλλακτική μέθοδος, ως λίπασμα ή εδαφοβελτιωτικό. Ως εκ τούτου, δημιουργείται ένας αειφορικός κύκλος που οδηγεί στην προστασία του περιβάλλοντος και τη διατήρηση των φυσικών πόρων. Η χρήση προσροφητικών υλικών για την αφαίρεση και την ανάκτηση του φωσφόρου από ευτροφικά υδάτινα σώματα αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνική, αλλά απαιτείται περαιτέρω μελέτη για να χρησιμοποιηθεί στη γεωργία.
Appears in Collections:Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Zamparas(env).pdf4.14 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons