Βελτιστοποίηση φυσικών συστημάτων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων

Abstract

The study at pilot-scale of two parallel systems with shallow basins (heighth=0.35m), one planted with Typha Latiofolia and the other without vegetation, wasconducted for the modeling of free water surface (FWS) constructed wetland systems.The basins were fed with real sewage at retention times ranging from 27.6 to 38.0 days.The variation of the volume in each basin was monitored for two consecutive years andsimultaneously, rainfall and evaporation rates were calculated. The difference of thevolume between the basins was due to the water absorption by the plants and wascompared with the predictions of evapotranspiration rates of similar plants using theREF-ET calculation software. The harvesting of the plants was performed three timesduring the first year, in order to estimate the nitrogen uptake by the plants. The maindifference in the two systems was the water removal through plant evapotranspiration.The pilot unit was operated so as to achieve the removal of both organic matter(BOD5) and total nitrogen (TN) from the sewage. Its design enabled the development ofa mathematical model, following the framework of the activated sludge model (ASM).The simulation and the parameter estimation were achieved using the AQUASIMframework. The mathematical model describes the microbial processes, which dominated within the basins describing satisfactorily their behavior. The key processesaccounted for in the modeling were ammonification, aerobic heterotrophic growth,nitrification and algal growth. A strong seasonal dependence was observed for eachbasin. The model was satisfactorily validated with the data of the second year. Anobserved average annual removal efficiency of BOD5 and TN were 60% and 69%,respectively for the basin without plants and 83% and 75%, respectively for the basinwith plants. The model predicted average annual removal efficiency 82% for BOD5 and65% for TN in the basin with plants, satisfying the design criteria of a full-scaleconstructed wetland.The ability of the model to predict not only the removal of organic matter but alsototal nitrogen removal, was considered sufficient as tested with a real free water surface constructed wetland of 400 population equivalent, with the sole modification being theinclusion of oxygen limitation in the nitrification rate. The dynamic model was amendedwith the direct incorporation of the plant evapotranspiration rate and it was used todesign a full-scale constructed wetland. The required elements for this design includedthe inflow rate and climatic data (temperature and rainfall) for the design region, as wellas the effluent quality requirements. In the case study of 4000 population equivalent, theeffluent quality requirement was: average annual values for BOD5=25mg/L and forTN=15mg/L. The model was used to determine a total wetland surface requirement of11ha. If two sequential basins are used, the first with plants and the second without,then the total wetland surface could be reduced by approximately 27%, controlling onlythe maximum initial vegetation in the first wetland basin.

Η μελέτη ενός πειράματος μικρής πιλοτικής κλίμακας, με δύο παράλληλασυστήματα ρηχών λεκανών (ύψους 0.35m), η μία λεκάνη με φύτευση του είδους TyphaLatifolia και η άλλη χωρίς φύτευση, διεξάχθηκε για τον σχεδιασμό ελεύθερηςεπιφανειακής ροής (FWS) τεχνητού υγροτόπου. Οι δύο λεκάνες τροφοδοτήθηκαν μεπραγματικά αστικά λύματα όπου οι χρόνοι παραμονής κυμάνθηκαν από 27,6 έως 38,0ημέρες. Η μεταβολή του όγκου κάθε λεκάνης παρακολουθήθηκε για 2 συνεχή έτη καιταυτόχρονα υπολογίστηκαν οι ρυθμοί βροχόπτωσης και εξάτμισης. Η διαφορά τουόγκου μεταξύ των δύο λεκανών οφειλόταν στην πρόσληψη νερού από τα φυτά, η οποίασυγκρίθηκε με τις προβλέψεις της εξατμισοδιαπνοής παρόμοιων φυτών με την χρήσητου υπολογιστικού προγράμματος REF-ET. Η συγκομιδή των φυτών πραγματοποιήθηκετρείς φορές στην διάρκεια του 1ου έτους του πειράματος, ώστε να εκτιμηθεί ο ρυθμόςπρόσληψης αζώτου από τα φυτά. Η σημαντικότερη διαφορά των δύο συστημάτων ήτανη αφαίρεση νερού μέσω της εξατμισοδιαπνοής των φυτών.Η πιλοτική μονάδα λειτούργησε έτσι ώστε να επιτευχθεί και απομάκρυνση τηςοργανικής ύλης (BOD5) και του ολικού αζώτου (TN) από τα λύματα. Ο σχεδιασμός τηςδιευκόλυνε την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου, ακολουθώντας το πλαίσιο τουμοντέλου της ενεργής ιλύος (ASM). Αρχικά το μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε για τιςδύο λεκάνες με τις μικροβιακές διεργασίες που επικράτησαν στο εσωτερικό τους, ώστενα περιγραφεί πλήρως η συμπεριφορά τους. Η προσομοίωση και η εκτίμηση τωνπαραμέτρων του μοντέλου επιτεύχθηκε με την χρήση του υπολογιστικού περιβάλλοντοςτου AQUASIM. Οι κύριες διεργασίες που ελήφθησαν υπόψη για την μοντελοποίησηήταν η αμμωνιοποίηση, η αερόβια ετεροτροφική ανάπτυξη, η νιτροποίηση και ηανάπτυξη φυκών. Μια ισχυρή εποχική εξάρτηση παρατηρήθηκε για την συμπεριφοράκάθε λεκάνης όταν το μοντέλο εφαρμόστηκε για το 1ο έτος του πειράματος. Αυτό τομοντέλο επαληθεύτηκε ικανοποιητικά με τα πειραματικά δεδομένα του 2ου έτους. Ηπαρατηρούμενη μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης του BOD5 και του TN ήταν 60%και 69%, αντίστοιχα για την λεκάνη χωρίς φυτά και 83% και 75%, αντίστοιχα για την λεκάνη με φυτά. Το μοντέλο προέβλεψε μέση ετήσια απόδοση απομάκρυνσης 82% γιατο BOD5 και 65% για το TN στην λεκάνη με φυτά, ικανοποιώντας τα κριτήρια για τονσχεδιασμό πλήρους κλίμακας τεχνητού υγροτόπου .Η ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει όχι μόνο την απομάκρυνση τηςοργανικής ύλης αλλά και του ολικού αζώτου, θεωρήθηκε επαρκής όταν δοκιμάστηκε μεέναν ελεύθερης επιφανειακής ροής τεχνητό υγρότοπο με 400 ισοδύναμο πληθυσμό, μεμοναδική τροποποίηση τον συνυπολογισμό του περιορισμού του οξυγόνου στον ρυθμότης διεργασίας της νιτροποίησης. Επομένως, το δυναμικό μοντέλο διαμορφώθηκε μετην ενσωμάτωση της πρόβλεψης του ρυθμού της εξατμισοδιαπνοής των φυτών καιχρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό περίπτωσης μελέτης τεχνητού υγροτόπου πλήρουςκλίμακας. Τα στοιχεία που απαιτούνται για αυτό τον σχεδιασμό περιλάμβαναν τηνπαροχή εισόδου και κλιματολογικά στοιχεία (θερμοκρασίας και βροχόπτωσης) για τηνπεριοχή του σχεδιασμού, καθώς και οι απαιτήσεις της ποιότητας εκροής. Η περίπτωσημελέτης για 4000 ισοδύναμο πληθυσμό όπου η ποιότητα εκροής ήταν σε μέσες ετήσιεςτιμές BOD5=25mg/L και TN=15mg/L, χρειάστηκε μία συνολική επιφάνεια υγροτόπου 11εκταρίων. Εάν χρησιμοποιηθούν δύο λεκάνες σε σειρά, η 1η με φυτά και η 2η χωρίς, τότεη συνολική επιφάνεια μειώνεται κατά περίπου 27%, ελέγχοντας μόνο την αρχική μέγιστη φύτευση της πρώτης λεκάνης του υγροτόπου.