Πειραματική μελέτη τεχνητών υγροβιοτόπων επιφανειακής ροής με χρήση πιλοτικών μονάδων

Abstract

In order to investigate the effect of temperature, hydraulic residence time (HRT), vegetation type, substrate material and wetland shape on the performance of free-water surface (FWS) constructed wetlands treating wastewater, 5 pilot- scale units were constructed and operated continuously from December 2004 until March 2007 in parallel experiments. Four of the units (A, B, C, D) were rectangular in plain view with dimensions 3.40 m in length and 0.85 m in width, and contained substrate material at a thickness of 0.45 m. The fifth unit (E) had a trapezoidal plan view shape, with a width at the inlet of 1.15 m and at the outlet of 0.55 m, while the length and the thickness of the substrate were the same as in the other four. All units operated at a water depth of 0.10 m. Units B, C, D, E contained clay substrate and unit A contained sand. The four units with clay were planted as follows: two with cattails (B, E), one with common reeds (C), and one with giant reeds (D). Unit A, containing sand, was planted with cattails. Planting and substrate material combinations were appropriate for comparison of the effect of vegetation and material 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 0.0 to 29.1°C. The removal performance of the five constructed wetland units was good, since it reached on the average 77.5%, 67.9%, 60.4%, 53.9, 56.0% and 51.7% for BOD₅, COD, TKN, ammonia (NH₄-N), ortho-phosphate (PO₄-P) and total phosphorus (TP), respectively. BOD₅ and phosphorus removal efficiencies showed dependence on temperature in most units. The 14-day HRT was found adequate for acceptable removal of organic matter, nitrogen and phosphorus for most temperatures. A 20-day HRT is recommended for acceptable removal of BOD₅ and PO₄-P in the cold season. The unit with the trapezoidal plan view shape showed the best performance, with mean removals of 80.1%, 73.5%, 70.4%, 68.6%, 64.7% and 63.5% for BOD₅, COD, TKN, NH4-N, PO₄-P and TP, respectively. The cattail was found statistically more efficient than the other two plants in COD and PO₄-P removal. The unit that contained the clay substrate was found statistically more efficient in phosphorus removal than the unit containing sand. HSF CW units operating nearby were found more efficient than FWS units in removal of most pollutants. A principal component analysis (PCA) was performed on the experimental data. From the PCA it seems that the main factors affecting organic matter removal are the hydraulic residence time and temperature, for nitrogen the hydraulic residence time, temperature and shape and for phosphorus the hydraulic residence time, temperature, shape and material. Four polyparametric equations were developed using multiple linear regression for BOD₅, COD, TKN and TP removal prediction. Finally, four fuzzy models were developed which resulted in even better removal predictions.

Προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση των λειτουργικών και σχεδιαστικών παραμέτρων (θερμοκρασία, χρόνος παραμονής, είδος φυτού και πληρωτικού υλικού και σχήμα κάτοψης) τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής στην αφαίρεση ρύπων (οργανικής ύλης, αζώτου και φωσφόρου), 5 πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής κατασκευάστηκαν και λειτούργησαν από τον Δεκέμβριο του 2004 έως τον Μάρτιο του 2007 σε παράλληλα πειράματα. Τέσσερις από τις μονάδες (A, B, C, D) ήταν ορθογωνικής κάτοψης μήκους 3.40 m και πλάτους 0.85 m και περιείχαν πληρωτικό υλικό πάχους 0.45 m. Η πέμπτη μονάδα (Ε) ήταν τραπεζοειδούς κάτοψης με πλάτος εισόδου 1.15 m και πλάτος εξόδου 0.55 m, ενώ το μήκος της και το πάχος του πληρωτικού υλικού ήταν τα ίδια με τις προηγούμενες. Όλες οι μονάδες ήταν φυτεμένες. Το βάθος νερού διατηρούταν περίπου στα 10 cm. Τέσσερις μονάδες (B, C, D, Ε) περιείχαν άργιλο, ενώ η μία (Α) περιείχε άμμο. Η μονάδα A φυτεύτηκε με ψαθί. Οι άλλες τέσσερις που περιείχαν άργιλο φυτεύτηκαν ως ακολούθως: δύο με ψαθί (B, Ε), μία με κοινό καλάμι (C) και μια με χονδρό καλάμι (D). Έτσι, με την αλλαγή μόνο μιας σχεδιαστικής παραμέτρου μεταξύ δύο ή τριών μονάδων, μπορούσε να ορισθεί η επίδραση του πληρωτικού υλικού (σύγκριση των μονάδων Α και Β), του σχήματος της κάτοψης (σύγκριση των μονάδων Β και Ε) και του φυτού (σύγκριση των μονάδων Β, C και D) στην απομάκρυνση των ρύπων. Χρησιμοποιήθηκε συνθετικό λύμα. Κατά την περίοδο λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις χρόνοι παραμονής: 6, 8, 14 και 20 ημέρες, ενώ η θερμοκρασία του λύματος κυμάνθηκε από 0.0 έως 29.1°C. Η απόδοση σε αφαίρεση ρύπων των τεχνητών υγροβιότοπων ήταν ικανοποιητική, αφού έφθασε κατά μέσο όρο το 77.5%, 67.9%, 60.4%, 53.9, 56.0% και 51.7% για BOD₅, COD, ΤΚΝ, αμμωνία (ΝΗ₄-Ν), ορθοφωσφορικά (ΡO₄-Ρ) και ολικό φώσφορο (TP), αντίστοιχα. Οι αποδόσεις των BOD5 και φωσφόρου έδειξαν θερμοκρασιακή εξάρτηση για τις περισσότερες μονάδες. Ένας υδραυλικός χρόνος παραμονής 14 ημερών βρέθηκε να είναι επαρκής για ικανοποιητική απομάκρυνση οργανικού φορτίου, αζώτου και φωσφόρου για τις περισσότερες θερμοκρασίες, ενώ για χαμηλές θερμοκρασίες προτείνεται ένας υδραυλικός χρόνος παραμονής 20 ημερών για ικανοποιητική απομάκρυνση του BODs και των ΡO₄-Ρ. Η μονάδα τραπεζοειδούς κάτοψης έδωσε τις καλύτερες αποδόσεις, με μέσες απομακρύνσεις 80.1%, 73.5%, 70.4%, 68.6%, 64.7% και 63.5% για BOD₅, COD, ΤΚΝ, ΝΗ₄-Ν, ΡO₄-Ρ και TP, αντίστοιχα. Το ψαθί βρέθηκε να είναι στατιστικά σημαντικά αποδοτικότερο από τα άλλα δύο φυτά στην απομάκρυνση του COD και των ΡO₄-Ρ. Η μονάδα που περιείχε άργιλο βρέθηκε να είναι στατιστικά σημαντικά αποδοτικότερη στην αφαίρεση φωσφόρου σε σχέση με τη μονάδα που περιείχε άμμο. Σύγκριση με μονάδες ΤΥ οριζόντιας υπόγειας ροής που λειτούργησαν δίπλα στις μονάδες επιφανειακής ροής έδειξε ότι οι πρώτες είναι αποδοτικότερες από αυτές της επιφανειακής ροής στην αφαίρεση των περισσοτέρων ρύπων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ανάλυση σημαντικών παραμέτρων (PCA) στα πειραματικά δεδομένα. Από τα αποτελέσματα της PCA παρατηρήθηκε ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν κυρίως την απόδοση αφαίρεσης του οργανικού φορτίου είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής και η θερμοκρασία, του αζώτου ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, η θερμοκρασία και το σχήμα, ενώ του φωσφόρου ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, η θερμοκρασία, το σχήμα και το υλικό. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν τέσσερις πολυπαραμετρικές εξισώσεις με πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση για την πρόβλεψη αφαίρεσης BOD₅, COD, ΤΚΝ, TP. Τέλος, προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερος συντελεστής R₂, καταφύγαμε στην ασαφή λογική και στην ανάπτυξη τεσσάρων μοντέλων για την πρόβλεψη απόδοσης BOD₅, COD, ΤΚΝ, TP. Τα μοντέλα αυτά είχαν πολύ ικανοποιητική απόκριση.