Βελτιστοποίηση παραμέτρων σχεδιασμού τεχνητών υγροβιότοπων υπόγειας ροής με χρήση πιλοτικών μονάδων

Abstract

Για την εξέταση της επίδρασης της θερμοκρασίας, του υδραυλικού χρόνου παραμονής, του είδους φύτευσης και του μεγέθους και είδους του πληρωτικού υλικού στην απόδοση εγκαταστάσεων τεχνητών υγροβιοτόπων υπόγειας ροής για την επεξεργασία υγρών αποβλήτων, λειτούργησαν συνεχώς από τον Ιανουάριο του 2004 έως των Ιανουάριο του 2006, σε παράλληλα πειράματα, πέντε πιλοτικές μονάδες διαστάσεων 3 m σε μήκος και 0.75 m σε πλάτος. Τρεις πιλοτικές μονάδες περιείχαν μέσο χαλίκι από λατομείο. Οι άλλες δύο περιείχαν η μια λεπτό χαλίκι και η άλλη κροκάλες από ποτάμιες αποθέσεις. Οι τρεις πιλοτικές μονάδες, που περιείχαν μέσο χαλίκι, ήταν η μία φυτεμένη με καλάμι, η άλλη με ψαθί και η τρίτη ήταν αφύτευτη. Οι άλλες δύο πιλοτικές μονάδες ήταν φυτεμένες με καλάμι. Οι συνδυασμοί είδους φύτευσης και πληρωτικού υλικού ήταν κατάλληλοι ώστε να γίνει σύγκριση της επίδρασης του είδους φύτευσης και του πληρωτικού υλικού στην λειτουργία του συστήματος. Στις πιλοτικές μονάδες διοχετευόταν συνθετικό υγρό απόβλητο. Κατά την διάρκεια λειτουργίας εφαρμόστηκαν τέσσερις υδραυλικοί χρόνοι παραμονής (6, 8, 14 και 20 ημέρες), ενώ οι θερμοκρασίες του υγρού αποβλήτου κυμάνθηκαν από περίπου 2 έως 26oC. Η απόδοση σε αφαίρεση ρύπων των τεχνητών υγροβιότοπων ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητική, αφού έφθασε κατά μέσο όρο το 89, 65 και 60% για BOD, TKN και ορθό-φωσφορικά, αντίστοιχα. Όλες οι αποδόσεις αφαίρεσης ρύπων επηρεάστηκαν από την θερμοκρασία. Φαίνεται ότι ο χρόνος παραμονής των 8 ημερών ήταν αρκετός για μια αποδεκτή αφαίρεση οργανικής ύλης, TKN και ορθο-φωσφορικών για θερμοκρασίες άνω των 15oC. Επιπλέον, βάσει στατιστικών ελέγχων το ψαθί και το λεπτόκοκκο υλικό ποτάμιας προέλευσης έδειξαν καλύτερες αποδόσεις στην αφαίρεση TKN και ορθο-φωσφορικών. Με βάση τα πειραματικά δεδομένα αναπτύχθηκαν και παρουσιάζονται επίσης τρία μοντέλα χρήσιμα για τον σχεδιασμό τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Τα μοντέλα αυτά αναπτύχθηκαν με την βοήθεια τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Για την κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων εισόδου των νευρωνικών δικτύων, πραγματοποιήθηκε αρχικά ανάλυση σημαντικών παραμέτρων (PCA). Από τα αποτελέσματα της PCA και των νευρωνικών δικτύων παρατηρήθηκε ότι οι παράγοντες, που επηρεάζουν κυρίως την απόδοση αφαίρεσης BOD, TN και φωσφόρου ήταν το πορώδες, η θερμοκρασία του υγρού αποβλήτου και ο υδραυλικός χρόνος παραμονής. Συνολικά εξετάστηκαν δύο νευρωνικά δίκτυα για κάθε ρύπο. Το πρώτο περιελάμβανε τρεις μεταβλητές εισόδου επιλεγμένες από την PCA, και το δεύτερο, εκτός από τις αρχικές τρεις, περιελάμβανε και μετεωρολογικά δεδομένα (βαρομετρική πίεση, ύψος βροχής, ένταση ανέμου, ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και σχετική υγρασία). Το πρώτο νευρωνικό δίκτυο προέβλεψε αρκετά ικανοποιητικά τις πειραματικές τιμές και το δεύτερο έκανε ακόμα καλύτερες προβλέψεις. Από τα αποτελέσματα των νευρωνικών δικτύων παρήχθησαν τρεις υπερβολικές εξισώσεις, οι οποίες θυμίζουν εξισώσεις Monod και συνδυάζουν κινητική μηδενική και πρώτης τάξης, για την πρόβλεψη αφαίρεσης BOD, TN και φωσφόρου. Τα αποτελέσματα των νευρωνικών δικτύων και των εξισώσεων σχεδιασμού πιστοποιήθηκαν με την χρήση δεδομένων άλλων εργασιών από την διεθνή βιβλιογραφία και έδειξαν ικανοποιητική σύγκριση. Η απόδοση αφαίρεσης του COD βρέθηκε να έχει ισχυρή συσχέτιση με την απόδοση του BOD, και με βάση την εξίσωση σχεδιασμού του BOD προέκυψε αντίστοιχη εξίσωση για την αφαίρεση του COD. Το ίδιο συνέβη και για την απόδοση αφαίρεση της αμμωνίας σε σχέση με την απόδοση αφαίρεσης του TN και του ολικού φωσφόρου σε σχέση με την απόδοση των ορθο-φωσφορικών.

In order to investigate the effect of temperature, hydraulic residence time (HRT), vegetation type, and porous media material and grain size on the performance of horizontal subsurface flow (HSF) constructed wetlands treating municipal wastewater, 5 pilot-scale units of dimensions 3 m in length and 0.75 m in width were operated continuously from January 2004 until January 2006 in parallel experiments. Three units contained medium gravel obtained from a quarry. The other two contained one fine gravel and one cobbles, both obtained from a river bed. The three units with medium gravel were planted one with common reeds and one with cattails, and one was kept unplanted. The other two units were planted with common reeds. Planting and porous media combinations were appropriate for comparison of the effect of vegetation and media type on the function of the system. Synthetic wastewater was introduced in the units. During the operation period four HRTs (i.e., 6, 8, 14 and 20 days) were used, while wastewater temperatures varied from about 2 to 26oC. The removal performance of the constructed wetland units was very good, since it reached on the average 89, 65 and 60% for BOD, TKN and ortho-phosphate (OP), respectively. All pollutant removal efficiencies showed dependence on temperature. It seems that the 8-day HRT was adequate for acceptable removal of organic matter, TKN and OP for temperatures above 15oC. Furthermore, based on statistical testing, cattails, finer media and media from a river showed higher removal efficiencies of TKN and OP. Three models are also presented, which can be used in the design of a horizontal subsurface flow (HSF) constructed wetland. These models were developed based on the experimental data from five pilot-scale CW units, used in conjunction with artificial neural networks. For the proper selection of the components entering the neural network, a principal component analysis (PCA) was performed first. From the PCA and model results it seems that the factors effecting BOD, TN and phosphorus removal are porous media porosity, wastewater temperature and hydraulic residence time. Two artificial neural networks for each pollutant (ANNs) were examined: the first, included only the three factors selected from the PCA, and the second included, in addition, meteorological data (i.e., barometric pressure, rainfall depth, wind speed, intensity of solar radiation and relative humidity). The first ANN can predict the removal rather satisfactorily and the second one examined resulted in even better predictions. From the predictions of the ANNs three hyperbolic design equations, which are Monod like equation and combine zero nad first order kinetics, were produced to predict BOD, TN and phosphorus removal. The results of the ANNs and of the model design equations were validated against available data from the literature, and showed a rather satisfactory correlation. COD removal was found to be strongly correlated to BOD removal. An equation for COD removal prediction was also produced. The same was done for ammonia with correlation to TN removal, and total phosphorus with correlation to ortho-phosphate removal.