Βελτιστοποίηση παραμέτρων σχεδιασμού τεχνητών υγροβιότοπων κατακόρυφης ροής για την επεξεργασία αστικών υγρών αποβλήτων και λάσπης με χ...

Abstract

The purpose of the present doctoral dissertation was to study the effect of various constructional and operational parameters on the performance of Vertical Flow Constructed Wetlands (VFCW) systems for wastewater treatment and sludge dewatering, aiming at the the optimization of system efficiency. Ten pilot-scale, cylindrical, Vertical Flow Constructed Wetlands (area 0.57 m²) were constructed and operated continuously for three years in parallel experiments, treating synthetic municipal wastewater, simulating the first treatment stage of full-scale systems. The wetland units were planted with two plant species (i.e., common reeds and cattails), had different porous media material composition and origin (i.e., carbonate, igneous, zeolite and bauxite) and three different total substrate thicknesses and gradations. Three loading/resting schedules were used: 2 days of feeding, followed by 4, 6 and 8 days of resting. Water quality samples were collected at the inlet and the outlet of each unit, and were analyzed in the laboratory for BOD5, COD, TKN, ammonia nitrogen, nitrate, nitrite, TP and ortho-phosphate. The VFCW units were quite efficient in organic matter and nitrogen removal, with mean removal rates exceeding 78% and 58%, respectively. Mean phosphorus retention was lower (37%). The units managed to treat effectively even extremely high organic loads, up to 200 g COD/m²/d. The presence of reeds and aeration tubes was found to improve the performance, while plant species did not affect the efficiency. The use of porous media (zeolite and bauxite) with special properties, such as the cation exchange ability and adsorption of specific constituents, did not improve the wetland efficiency, probably due to limited contact time between the material and wastewater, and is not recommended. The most effective substrate thickness was that of 80 cm, which included an extended (30 cm) sand layer. Stepwise multiple linear regression was used to produce equations, which could help in effluent quality prediction and in the initial system design. Model results showed very good correlation (R² > 0.90) with the inlet surface BOD5 load, hydraulic loading rate and wastewater temperature. Additionally, various gravity filters containing zeolite, bauxite and carbonate material were constructed and operated for three years, to provide additional treatment of the effluent of a pilot-scale Vertical Flow Constructed Wetland (VFCW). Results showed a significant improvement of the VFCW effluent quality. The overall treatment performance of the system VFCW + gravity filter reached 90-98% removal of organic matter, 60-95% removal of nitrogen, and 40-71% retention of phosphorus. Zeolite was more effective in nitrogen and organic matter removal, while bauxite in phosphorus retention. The carbonate material had the lowest efficiency among all filter units, while the filter containing a 50-50% mixture of zeolite and bauxite showed the highest efficiency in pollutant removals. The increase of the residence time from one to two days did not show a respective significant increase in removal rates. Gradual phosphorous saturation of all filter materials takes place faster compared to the other pollutants. Based on the mean annual removal rate during the first operation years, it is estimated that the useful lifetime until full saturation with phosphorus varies between 8-9 years. Furthermore, eleven pilot-scale Sludge Drying Reed Beds (SDRBs) units have been constructed and operated under various design and operational characteristics. The beds included a cobbles bottom layer, where perforated PVC aeration tubes were placed. Two gravel (medium and fine) layers were placed above the cobbles layer. The setup included planted beds with common reeds and control units. Three sludge loading rates (SLR) were examined: 30, 60 and 75 kg dm/m²/yr. The dewatering efficiency of the planted units exceeded 95% volume reduction. The final dry matter content varied between 50-64%, depending on the applied SLR. Mineralization of the residual sludge also took place. Evapotranspiration is the major dewatering process that takes place in the systems, accounting for 58% to 84% of total water losses, depending on unit characteristics, sludge loading, season and other parameters. Draining follows in significance, with respective values varying from 13% to 41% of total water losses, while 1% to 4% of water remains in the sludge layer. VS content of the planted units decreased up to 25%, while nutrient concentration was also reduced. The presence of reeds, aeration tubes and a fine-grained material improved the system efficiency, while the material composition did not have any effect on efficiency. Heavy metal (HM) accumulation in the residual sludge layer was low, and was found to increase with sludge layer depth. Less than 16% of the influent HM left the bed through drainage. HM accumulation in the gravel layer was the major metal sink in the mass balance. Moreover, the units were able to treat sludge with high concentration of Cr. Plant uptake of nutrients and heavy metals was low and, mainly, located in the below-ground biomass. The final sludge product proved to be well stabilized, since both indices C-CO2 and SRI12 were below the respective limits (3 g / dry kg and 100 mg / dry kg / h) at the end of the final resting phase. The germination index was above 100% in all planted units, indicating a mature material too. On the whole, the final sludge product satisfies the limits for heavy metal content, total coliforms, stability and maturity, which makes it appropriate for further exploitation, e.g., for application on rural land.

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής ήταν η μελέτη της επίδρασης διαφόρων λειτουργικών και κατασκευαστικών παραμέτρων των συστημάτων Τεχνητών Υγροβιότοπων Κατακόρυφης Ροής (ΤΥΚΡ) για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων και βιολογικής ιλύος, με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσής τους. Κατασκευάστηκαν 10 πιλοτικές μονάδες ΤΥΚΡ (επιφάνεια 0.57 m²), οι οποίες και λειτούργησαν για 3 συνεχόμενα έτη σε παράλληλα πειράματα, για την επεξεργασία αστικού υγρού αποβλήτου, προσομοιώνοντας το πρώτο στάδιο επεξεργασίας ενός συστήματος πλήρους κλίμακας. Οι πιλοτικές μονάδες ήταν φυτευμένες με δύο είδη φυτών (κοινό καλάμι και ψαθί), ενώ μία παρέμεινε αφύτευτη. Περιείχαν πορώδη υλικά διαφορετικής σύνθεσης και προέλευσης (ασβεστολιθικό, πυριγενές, ζεόλιθο και βωξίτη), ενώ η διαμόρφωση περιελάμβανε τρία διαφορετικά συνολικά πάχη της διατομής των κλινών. Εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικές στρατηγικές τροφοδοσίας του αποβλήτου: 2 ημέρες φορτίσεων ακολουθούμενες από 4, 6 και 8 ημέρες ανάπαυσης. Δείγματα συλλέγονταν από την εισροή και την εκροή κάθε μονάδας, τα οποία και αναλύονταν άμεσα στο εργαστήριο για τον προσδιορισμό των BOD5, COD, TKN, αμμωνιακού αζώτου, νιτρικού και νιτρώδους αζώτου, TP και ορθοφωσφορικών. Οι ΤΥΚΡ αποδείχθηκαν πολύ αποτελεσματικοί στην απομάκρυνση οργανικού υλικού και αζώτου, με τις μέσες ποσοστιαίες απομακρύνσεις να υπερβαίνουν το 75% και 58%, αντίστοιχα. Η μέση συγκράτηση φωσφόρου κυμάνθηκε σε χαμηλότερα επίπεδα (37%). Οι μονάδες φάνηκαν ικανές και στην επεξεργασία πολύ υψηλών οργανικών φορτίσεων, ακόμη και πάνω από τα 200 g COD/m²/d. Η παρουσία φυτών και σωλήνων αερισμού βρέθηκε πως ενισχύει την απόδοση του συστήματος, ενώ το είδος του φυτού δεν φαίνεται πως παίζει σημαντικό ρόλο. Η χρήση υλικών με ειδικές ιδιότητες (ζεόλιθος και βωξίτης), όπως η ικανότητα ιοντοανταλλαγής και προσρόφησης συγκεκριμένων συστατικών, δεν φάνηκε να βελτιώνει την απόδοση του υγροβιότοπου, πιθανόν λόγω του περιορισμένου χρόνου επαφής μεταξύ του υλικού και του αποβλήτου. Το αποτελεσματικότερο ύψος διατομής ήταν αυτό των 80 cm, συμπεριλαμβανομένου ενός εκτεταμένου στρώματος άμμου πάχους 30 cm. Για την παραγωγή εξισώσεων, που βοηθούν στην πρόβλεψη της ποιότητας της εκροής και στο σχεδιασμό τέτοιων συστημάτων, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης. Τα αποτελέσματα του μοντέλου έδειξαν πολύ καλή συσχέτιση (R² > 0.90) με το εισερχόμενο επιφανειακό φορτίο BOD5, την υδραυλική φόρτιση και τη θερμοκρασία του αποβλήτου. Επιπλέον, κατασκευάστηκαν διάφορα φίλτρα βαρύτητας που περιείχαν ζεόλιθο, βωξίτη, μίγμα ζεόλιθου και βωξίτη (50-50%) και ασβεστολιθικό υλικό, με εξεταζόμενους χρόνους παραμονής 1 και 2 ημέρες. Τα φίλτρα λειτούργησαν για τρία συνεχόμενα έτη, σαν επιπλέον στάδιο επεξεργασίας της εκροής μιας εκ των 10 πιλοτικών μονάδων ΤΥΚΡ. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική βελτίωση της ποιότητας της εκροής του ΤΥΚΡ. Η συνολική απομάκρυνση του συστήματος [ΤΥΚΡ + φίλτρο βαρύτητας] έφθασε το 90-98% για τα οργανικά υλικά, το 60-95% για το άζωτο, και το 40-71% για τον φώσφορο. Ο ζεόλιθος αποδείχθηκε πιο αποτελεσματικός στην απομάκρυνση οργανικού υλικού και αζώτου, ενώ ο βωξίτης στην αφαίρεση φωσφόρου. Το φίλτρο με το ασβεστολιθικό υλικό είχε τη μικρότερη απόδοση μεταξύ όλων των φίλτρων, ενώ το φίλτρο με το μίγμα 50-50% ζεόλιθου και βωξίτη τη μεγαλύτερη απόδοση στην απομάκρυνση των ρύπων. Η αύξηση του χρόνου παραμονής από 1 σε 2 ημέρες δεν οδήγησε σε αντίστοιχα στατιστικά σημαντική αύξηση των απομακρύνσεων. Σε όλα τα υλικά, ο κορεσμός σε φώσφορο προχωρά πιο γρήγορα σε σχέση με τους άλλους ρύπους. Με βάση τον ετήσιο ρυθμό συγκράτησης φωσφόρου στα τρία έτη λειτουργίας, εκτιμήθηκε ότι ο ωφέλιμος χρόνος ζωής μέχρι τον κορεσμό των υλικών σε φώσφορο κυμαίνεται μεταξύ 9-10 ετών. Για την επεξεργασία και αφυδάτωση βιολογικής ιλύος, κατασκευάστηκαν 11 πιλοτικές μονάδες ΤΥΚΡ με διαφορετικά λειτουργικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, οι οποίες λειτούργησαν για 3 συνεχόμενα έτη. Τα συστήματα περιείχαν μια στρώση κροκάλας στον πυθμένα της κλίνης, όπου και τοποθετήθηκαν σωλήνες αερισμού διάτρητοι στη βάση τους. Πάνω από τη στρώση αυτή τοποθετήθηκαν δύο στρώσεις χαλικιών (μέσο και λεπτό χαλίκι). Η διαμόρφωση του πειράματος περιελάμβανε φυτευμένες και αφύτευτες κλίνες. Εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικοί ρυθμοί φόρτισης (SLR): 30, 60 και 75 kg dm/m²/yr. Η απόδοση της αφυδάτωσης των φυτευμένων μονάδων ξεπέρασε το 95% ως προς τη μείωση του όγκου της ιλύος. Το τελικό προϊόν είχε περιεχόμενο ολικών στερεών μεταξύ 50-64%, ανάλογα με τον SLR. Στα συστήματα λαμβάνει χώρα επίσης και ανοργανοποίηση της υπολειμματικής ιλύος. Η εξατμισοδιαπνοή είναι ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης νερού, μέσω της οποίας χάνεται το 58-84% της εισερχόμενης ποσότητας νερού, ενώ η στράγγιση διαμέσου της κλίνης ευθύνεται για το 13-41% των απωλειών νερού, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της μονάδας, το ρυθμό φόρτισης και την εποχή. Περίπου 1-4% της εισερχόμενης ποσότητας νερού παραμένει στο στρώμα ιλύος. Το περιεχόμενο των πτητικών στερεών μειώθηκε μέχρι και 25%, ενώ και το περιεχόμενο θρεπτικών συστατικών (αζώτου και φωσφόρου) παρουσίασε μείωση. Η παρουσία φυτών, σωλήνων αερισμού και λεπτόκοκκου χαλικιού βελτίωσε την απόδοση του συστήματος, η οποία όμως δεν επηρεάστηκε από τη σύνθεση του πορώδους υλικού. Η συσσώρευση βαρέων μετάλλων (ΒM) στην υπολειμματική ιλύ ήταν μικρή και αυξανόταν με την αύξηση του βάθους. Περίπου το 16% της εισερχόμενης συγκέντρωσης ΒΜ διέφυγε στο νερό των στραγγισμάτων, ενώ η συσσώρευση και προσρόφηση στα πορώδη υλικά αποτελεί τον κύριο μηχανισμό απομάκρυνσης ΒΜ. Ακόμη, οι ΤΥΚΡ αποδείχθηκαν ανθεκτικοί στην επεξεργασία ιλύος με υψηλό περιεχόμενο Cr. Η λήψη θρεπτικών και βαρέων μετάλλων από τα φυτά ήταν χαμηλή και εντοπιζόταν κατά κύριο λόγο στα τμήματα κάτω από την επιφάνεια της κλίνης. Το τελικό προϊόν αποδείχθηκε πως είναι καλά σταθεροποιημένο, με τους δείκτες CCO2 και SRI12 να είναι κάτω από τα αντίστοιχα όρια (3 g / dry kg και 100 mg / dry kg / h) στο τέλος της τελικής φάσης ανάπαυσης. Ο δείκτης βλαστικότητας του τελικού προϊόντος ήταν πάνω από 100% στις φυτευμένες μονάδες, υποδηλώνοντας την επαρκή ωριμότητα του υλικού. Σε όλες τις περιπτώσεις, το τελικό προϊόν της υπολειμματικής ιλύος ικανοποιεί όλα τα όρια ως το περιεχόμενο βαρέων μετάλλων, ολικών κολοβακτηριδίων, σταθερότητας και ωριμότητας, ώστε να είναι κατάλληλο για περαιτέρω αξιοποίηση, π.χ. διάθεση σε αγροτική γη.