Investigating the integrated process of upflow anaerobic sludge blanket coupled with subsurface flow constructed wetlands for the treatment of domestic wastewater

Abstract

The treatment of domestic wastewater in rural, peri-urban, and decentralized settings remains a significant global challenge. Conventional centralized treatment plants are often impractical for these areas due to high capital costs, energy-intensive operations, and the logistical burden of extensive piping networks. Consequently, there is a pressing need for decentralized, low-maintenance, and energy-efficient alternatives that support the circular economy by transforming wastewater into a reusable resource. The technological combination of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactors and Constructed Wetlands (CWs) has emerged as a promising paradigm. However, several critical research gaps hinder their optimized implementation in the context of Mediterranean region. UASB reactors typically rely on ambient temperatures. In Mediterranean climates, this often means operating under sub-mesophilic or psychrophilic conditions, which can slow microbial kinetics and reduce treatment efficiency. UASB reactors are usually implemented for industrial wastewater with increased content in organic matter and, as such, the operation with diluted streams like domestic wastewater remains a challenge. Traditionally, subsurface flow CWs rely on sand and gravel of specific composition as a filling material, which may not be locally available (especially in island regions). As such, the investigation of alternative materials that could replace sand and/or gravel is under investigation and depends on the treatment requirements. CWs are also prone to "bioclogging," reducing the system's lifespan, when the pre-treatment stage is not sufficient. As such, the investigation of integrated processes with enhanced pre-treatment processes such as the UASB process allows the long-term sustainability of the configuration. While CWs are "low energy," they are known sources of greenhouse gases (GHG) like methane (CH₄) and nitrous oxide (N₂O). Current GHG emissions assessment methodologies for CWs are numerous and in some cases controversial, making it difficult to replicate the carbon footprint assessment in similar systems and ensure that measurements taken are representative for the operation throughout a specific timeframe. The primary objective of this Ph.D. thesis is to experimentally investigate and optimize an integrated UASB-CW system for treating domestic wastewater in remote areas, focusing on low operational costs and high-quality treated effluent that is suitable for unrestricted agricultural reuse. The research is structured around three main pillars. The first pillar includes monitoring of a full-scale UASB-CW system for approximately 1,000 days to evaluate treatment efficiency under fluctuating Mediterranean temperatures and organic loading conditions. This includes assessing organic matter removal, nutrient transformation, biogas production and the evaluation of the final effluent quality reuse potential. The second pillar includes the implementation of pilot-scale Vertical Subsurface Flow (VSSF) CWs to compare conventional sand with novel engineered or recycled filling materials for the treatment of the UASB reactor effluent. The assessment is complemented by investigating the materials’ properties such as granulometry, porosity, hydraulic conductivity and adsorption capacity for pollutants like ammonium and phosphate. The third pillar includes the implementation of a robust monitoring approach to measure direct CH₄ and N₂O emissions from both full-scale and pilot-scale CWs. This pillar seeks to understand how loading rates, temperature, and configuration influence GHG emissions, ultimately assessing the system's climate impact. The primary investigation involved a full-scale system located in Antissa, Greece, which was operated for 1,009 days across ten distinct operational phases. The first stage of the system’s configuration consisted of two parallel square-base UASB reactors with a combined working volume of 41 m³, operating under ambient temperature conditions to treat domestic wastewater that had undergone preliminary screening and grit removal. These reactors had at the bottom a flow distribution system and at the top a Gas-Liquid-Solid (GLS) separator at the top for biogas collection. The anaerobic effluent was then directed towards a two-stage CW system: the first stage was a continuously fed, saturated (SAT) VSSF CW (250 m²) filled with gravel and planted with Phragmites australis, while the second stage was an intermittently fed, unsaturated (UNSAT) VSSF CW (600 m²) featuring a sand layer and four different aquatic plant species (Schoenoplectus lacustris; formerly Scirpus lacustris, Iris Pseudacorus, Typha latifolia and Juncus inflexus). This unsaturated stage was managed via batch feeding to ensure a resting period longer than 3 hours, facilitating oxygen transfer and nitrification. The integrated UASB–CW system had a maximum treatment capacity of ~100 m³/d and was monitored to remove conventional pollutants (Total suspended solids - TSS, Chemical Oxygen Demand - COD, Biochemical Oxygen Demand – BOD5, total nitrogen – TN, ammonium nitrogen - NH4-N, total phosphorus - TP, orthophosphate-P - PO4-P) as well as in terms of biogas production and the potential to reuse the reclaimed water according to the EU Regulation 2020/741. Additionally, this research included a series of Biomethane Potential (BMP) tests to evaluate the performance of the UASB biomass under controlled conditions, simulating the temperature ranges and loading regimes of the full-scale reactor. To characterize the biological health and functional distribution of the reactor, microbial diversity was assessed through 16S rRNA gene sequencing, with samples collected from different reactor zones and time points. The methodological framework was supported by comprehensive mass balance calculations for COD and long-term hydraulic monitoring of CW drain patterns to evaluate the system’s stability and the risk of media clogging.Complementing the full-scale system, a pilot-scale system was developed using four plexiglass simulation columns (0.25 m diameter) each one having different filling materials. This comparative research evaluated biochar, recycled glass, and gel beads against a control sand media for 487 days under increasing load to determine their long-term efficiency in removing conventional pollutants and their potential for reclaimed water reuse according to the EU Regulation 2020/741. The properties of these materials, including granulometry, porosity, and hydraulic conductivity, were characterized, and their adsorption capacities for ammonium and orthophosphate ions were modelled using Langmuir and Freundlich isotherms. A dedicated experimental series focused on monitoring greenhouse gas (GHG) emissions (carbon dioxide – CO₂, CH₄, and N₂O) from both the full-scale and pilot-scale CWs. Using a Fourier Transform InfraRed (FTIR) multi-gas analyzer (GASMET DX4015) and a closed-loop soil chamber system, mass fluxes were estimated to be correlated with the influent loading. The monitoring of the full-scale CWs in multiple surface points enabled the estimation of the spatial variability, while the intermittent feeding of both the full-scale and pilot-scale unsaturated VSSF CWs enabled the assessment of the temporal variability of emissions during the resting period. The estimation of the CO₂ equivalent per cubic meter of treated wastewater enabled the evaluation of the treatment footprint and the comparison with other wastewater treatment technologies. These measurements were conducted under varying operational loads and temperature. The long-term (3 year) operation of the UASB process showed that in order to sustain average TSS and COD removal efficiencies within the ranges of 57–69% and 59–76%, respectively, the organic loading rate (OLR) should be maintained between 1.16–1.50 kg COD/m³-d when the average reactor temperature is 22.7–26.4 °C. Under these conditions, high removals can be achieved through proper microbial adaptation. However, the OLR value should be reduced to 0.19–0.7 kg COD/m³-d when the temperature averages 13.5–15.5 °C, allowing the reactor to provide moderate removal (59–64%) alongside process stability. The lower performance observed under sudden OLR increases show that such abrupt changes should be avoided – even at moderately high temperatures – to ensure gradual adaptation and sufficient hydraulic retention time (HRT). Ther temperature correction factor of θ = 1.092 that was obtained suggests that temperature significantly influences the substrate utilization rate within the sub-mesophilic range of operation. Moderate total nitrogen (TN) removal, ranging approximately from 13% to 24% on average, was observed in the UASB reactor. However, some cases showed zero or negative removal values dipping below -10%. This suggests potential nitrogen release or conversion to other nitrogenous forms, likely due to biological transformations under anaerobic conditions. Given that UASB systems are not specifically designed for nitrogen removal, this modest and variable performance aligns with expectations. Similarly, total phosphorus (TP) removal exhibited variability and generally moderate values, with some periods displaying negative values that indicate phosphorus release rather than removal. Average removal efficiencies peaked between 14–25%. The overall trend suggests the UASB reactor struggles with consistent phosphorus removal, likely due to the absence of the aerobic conditions or chemical precipitation processes typically required for effective phosphorus reduction. The sludge pH in the UASB reactor remained stable within a range of 6.8 to 7.4. Soluble COD within the reactors did not significantly exceed that of the UASB effluent, and the neutral pH maintained throughout suggests that substantial volatile fatty acid (VFA) accumulation did not occur. Alkalinity was found to be higher in the UASB effluent than in the influent, an increase that suggests effective buffering due to bicarbonate formation during methanogenesis. During stable operation under low temperatures and a low OLR (13.5 ± 0.7 °C and 0.19 ± 0.07 kg COD/m³-d), methane production was 1.9 ± 0.6 Nm³/d. In contrast, under higher temperature and loading conditions (22.7 ± 3.8 °C and 1.32 ± 0.31 kg COD/m³-d), methane production rose to 12.2 ± 2.7 Nm³/d. A high CH₄ content was observed at 84.6 ± 5.0 %, while CO₂ ranged from 7–10% and oxygen O₂ remained below 1%. Other gases, such as H₂S, were below 3%. The annual average methane yield was 0.36 Nm³/kg CODrem, with a range of 0.13 to 0.92 Nm³/kg CODrem depending on influent quality and temperature variations. More specifically, the methane yield was very close to the theoretically expected value (0.35 Nm³/d), under almost mesophilic conditions (e.g., during summer period operation). On the other hand, it was much lower at low temperature and lower organic loading due to the lower activity of methanogens. When temperature and loading increased, methanogenesis recovered and, as such, the methane yield was higher than the theoretical value due to the biodegradation of previously entrapped organic matter. The BMP test results revealed that methane yields generally increased with temperature, with the highest values observed at 28.1 °C and 38.0 °C. These peaks were associated with higher food-to-microorganisms (F/M) ratios (0.74 and 0.82), indicating that the combination of sufficient substrate and elevated temperature supports optimal biomethane production. At lower temperatures – especially below 12 °C – yields remained consistently low across all F/M values, suggesting that metabolic limitations under cold conditions suppressed methane generation regardless of substrate availability. The F/M ratio was found to play a secondary role, as its influence on yield only becomes pronounced when temperatures permit active microbial conversion. Together, these results underscore the interdependence of temperature and organic loading in determining methane yield efficiency. The observed biomass yield ranged from 0.03 to 0.08 kg VS/kg CODrem. During certain periods (i.e. winter periods), an accumulation of organic matter occurred that was not degraded within the reactor. Conversely, in other periods, previously entrapped particulate COD was degraded without being registered as "removed," which explains the variation in biomass yield. At the phylum level, the microbial community was predominantly composed of Synergistota (31.8–46.1%), Bacillota (16.4–21.8%), Pseudomonadota (6.4–9.9%), and Chloroflexota (5.0–9.1%) across all samples, with Synergistota being the dominant group. Notably, differences between the top and bottom reactor sections were minimal at each time point, suggesting that temperature conditions, rather than reactor stratification, were the primary factors shaping microbial community dynamics. One specific cluster of microorganisms thrived temporarily under colder conditions: Trichococcus sp. was nearly absent at warm temperatures but increased markedly during the colder phase, reaching 2.3% in the upper zone and 1.04% in the lower zone. Trichococcus spp. are known psychrotolerant bacteria frequently detected in anaerobic digesters processing sludge. The monitoring of the CW operation shows that in order to sustain removal rates of 92–98% for TSS, 77–91% for COD, and 88–99% for ammonium nitrogen (NH₄-N), the OLR of the VSSF SAT CW and VSSF UNSAT CW should be maintained at 69.1–89.5 g COD/m²-d and 10.9–19.9 g COD/m²-d, respectively, when the average wastewater temperature is 22.7–26.4 °C. The NLR in the VSSF UNSAT CW should be 6.8–10.7 g NH₄-N/m²-d. These values should be reduced to 10.1–23.3 g COD/m²-d, 2.0–6.5 g COD/m²-d, and 1.4–3.1 g NH₄-N/m²-d, respectively, when wastewater temperatures average 13.5–15.5 °C. A low to moderate temperature dependence (θ= 1.138) was found for NH₄-N nitrification based on the simplified Arrhenius equation. A small drop in pH was observed across the treatment stages, particularly in the VSSF UNSAT CW, where biological oxidation and CO₂ production increased acidity. This trend is consistent with nitrification and the formation of organic acids. Decreased alkalinity was also observed in the VSSF UNSAT CW, with values dropping as low as 61 mg CaCO₃/L, indicating significant consumption of alkalinity during nitrification. This continuous decline in alkalinity, accompanied by a gradual reduction in the pH of the final effluent, suggests that the filter media may have contained limited buffering minerals, such as limestone, which were progressively depleted during operation, thereby reducing long-term buffering capacity.A progressive decline in the drainage performance of the VSSF UNSAT CW was observed over time (i.e., peak flowrate decrease from 0.13 to 0.10 m³/min over a two-year period which indicates lower drainage intensity and greater drainage time). The reduction in peak flow rates and total drained volume points to aging effects such as clogging, which could reduce long-term treatment efficacy if left unaddressed. Regarding the integrated UASB–CW system, overall TSS removal efficiency was very high (97–99%), achieving final effluent TSS concentrations of 2–5 mg/L. Overall COD and BOD₅ removal efficiencies were also very high, reaching 91–96% and 94–99%, respectively. The final effluent COD was mostly soluble, averaging 19–40 mg/L, while BOD₅ ranged from 3–12 mg/L during steady-state operation and 7–20 mg/L during transitional phases. The TN and TP removal never exceeded 45%, demonstrating the system's capacity to produce effluent suitable for fertigation. This work proves the feasibility of the integrated UASB–CW decentralized scheme to meet BOD₅ (10 mg/L), TSS (10 mg/L), and turbidity (5 NTU) limits for unrestricted agricultural irrigation according to EU Regulation 2020/741 Class A. The treated effluent consistently met local legislation limits for discharge into non-sensitive water bodies, with treatment and reuse costs ranging from 0.056–0.34 €/m³, considering the variable treated wastewater volume and the potential energy recovery from the UASB reactor, which also varies in different seasons.In the pilot-scale VSSF CWs, variations in the granulometric curves and porosity among the filling materials of sand, biochar, recycled glass, and hydrogels resulted in comparable hydraulic conductivity for sand and glass, while that of biochar was lower and that of hydrogels was higher. In nearly all cases, the Freundlich equation yielded higher R^2values than the Langmuir model for ammonium and orthophosphate ions, indicating that adsorption followed a heterogeneous pattern. TSS removal across sand, biochar, and glass was consistently very high (96–97%), validating the sustainability of these materials under peak SLR (14.5 ± 4.7 g TSS/m²-d). Under the highest OLR (34.1 ± 4.5 g COD/m²-d), sand and glass -filled pilots achieved 83–84% COD removal, while the biochar column performed significantly better (p < 0.05) at 91 ± 3 %. Biochar’s higher porosity (0.66) compared to sand and glass (0.38) likely allowed for greater biofilm growth and enhanced biodegradation. Regardless of the NLR or temperature, ammonium removal across all three materials was very high (96–100%). During the initial start-up phase, while ammonium removal was nearly complete, nitrate was not detected for the first 9–10 days in sand, glass, and gel beads, and for over 100 days in biochar, indicating a delay in nitrification and that ammonium was removed through adsorption. Overall, biochar and recycled glass are effective for treating UASB effluent for Class A reuse.The final effluent pH of the pilot VSSF CWs ranged from 7.3 to 8.4 across all materials. The high turbidity of the UASB effluent (62–171 NTU) was significantly reduced by all pilots, reaching 0.8–4.9 NTU for sand, biochar, and glass, and 2.9–17.6 NTU for hydrogels. Based on current market prices, recycled glass can be 3–30 times less expensive than sand, whereas biochar costs 8–60 times more. However, biochar warrants further investigation for the removal of contaminants of emerging concern (CECs), where its higher adsorption capacity may excel in long-term operation. Regarding GHG emissions from the VSSF SAT CW, higher CH₄ emissions were observed in winter period; this can be attributed to lower temperatures (14 °C) and the associated increase in CH₄ solubility in the UASB effluent. The influence of temperature is further evident when comparing summer periods, as the warmer conditions coincided with the lowest CH₄ emission values. N₂O emissions were markedly lower during winter and peaked during the warmest periods, suggesting that elevated temperatures and increased loading are associated with higher N₂O release. Observed spatial and temporal variability underscores the dynamic nature of biochemical processes in VSSF CWs, reflecting the interaction between microbial activity and hydraulics that is influenced by biofilm development, solids accumulation, and root growth. In the VSSF UNSAT CW, low CH₄ emissions across all periods support the presence of effective re-aeration and aerobic conditions. N₂O emissions varied, with longer resting periods – where the bottom 30 cm remained saturated – potentially favoring denitrification and increasing N₂O release under higher nitrogen loads. The increased oxygen availability in the unsaturated CW appears to enhance nitrification and aerobic respiration. Flow pattern variations within the filter media likely impact GHG emissions by creating new zones of microbial activity. CO₂ emissions tended to remain stable under higher loading and temperature conditions during resting periods, whereas a reduction was more likely under lower loading or temperatures. CH₄ emissions were minimal and closely tied to influent type, declining significantly during resting phases, while N₂O emissions showed a notable reduction under lower loading and longer resting periods. The CO₂,e interquartile ranges were 0.14–0.61, 0.21–0.41, and 0.30–0.78 kg CO₂,e/m³ for different reporting periods – values comparable to activated sludge systems with anaerobic stage for enhanced biological phosphorus removal. Higher CO₂,e values were linked to shifts in dominant contributors: CH₄ from the saturated CW accounted for 61.8% of CO₂,e in the summer, while N₂O from the unsaturated CW dominated during a late spring transition (62%). The unsaturated CW's contribution to the total emissions from the CWs increased across the periods ranged between 29.6% to 63.7%. When grouped by gas, N₂O accounted for 23.9% to 86.4% of total CO₂,e, indicating a shift from CH₄-dominated emissions at steady state to N₂O dominance under increasing loading and temperature conditions.In the pilot-scale VSSF CWs, CO₂ and CH₄ emissions did not show statistically significant differences among materials or conditions. However, N₂O emissions differed significantly between the two operational phases across all materials. Normalized N₂O emissions were 0.34–0.50 kg N₂O-N/kg NH₄-Nin×100% for the 3-hour resting phase and 0.07–0.15 kg N₂O-N/kg NH₄-Nin×100% for the 6-hour phase, indicating that lower loading and temperature significantly reduced emissions. During resting conditions, CO₂ emissions decreased by 32–49% after 1.5 hours in the 3-hour phase, and by up to 85% after 5 hours in the 6-hour phase. Since CH₄ emissions primarily resulted from the stripping of dissolved methane in the influent (i.e. UASB effluent), no significant differences were observed between materials over time. In the 3-hour resting period phase, N₂O emissions increased by 51–61% for biochar and glass 1 hour after the feeding, while in the 6-hour resting period phase, substantial increases (up to 148%) were observed after 1.5 hours before decreasing by the 5-hour mark. This consistent increase between 1.5 and 3 hours suggests a "lag time" for nitrogen-related biochemical processes that appears independent of the filling material.Regarding the pilot VSSF CWs, CO₂,e interquartile ranges during the 3-hour resting phase were 0.04–0.19 kg CO₂,e/m³ across materials, with medians decreasing in the 6-hour phase. Biochar reduced median CO₂,e emissions by 21–48% relative to sand, likely due to the adsorption of gaseous emissions, and showed narrower interquartile ranges. CO₂,e values from the 3-hour phase were comparable to the full-scale unsaturated CW. During the 3-hour resting phase, N₂O was the dominant contributor to CO₂,e (65–89.5%), whereas CH₄ became more significant during the 6-hour phase, ranging from 61.2% to 63.9% for biochar and sand. To conclude, this Ph.D. thesis demonstrated the long-term feasibility (over 1,000 days) of a full-scale, integrated UASB reactor and CW system for decentralized wastewater treatment in temperate climates. Despite fluctuations in UASB performance caused by seasonal temperature changes and variable influent quality, the CWs ensured stable treated effluent quality that consistently met the EU discharge standards and, under most operating conditions, the requirements for unrestricted agricultural irrigation (EU Regulation 2020/741, Class A). The system achieved high removal efficiencies for suspended solids, organic matter, and ammonium, while also producing recoverable methane, highlighting its energy recovery potential. In addition, biochar and recycled glass proved to be effective and sustainable alternatives to sand as wetland media, with comparable pollutant removal performance, lower costs (for recycled glass), and enhanced biofilm development (for biochar). Finally, greenhouse gas emissions varied with season and operating conditions, but could be significantly reduced through optimized design and operation, supporting the environmental sustainability of nature-based wastewater treatment systems.

Η επεξεργασία των αστικών λυμάτων σε αγροτικές και αποκεντρωμένες περιοχές παραμένει μια σημαντική παγκόσμια πρόκληση. Οι συμβατικές κεντρικές εγκαταστάσεις επεξεργασίας είναι συχνά μη πρακτικές για αυτές τις περιοχές λόγω του υψηλού κόστους κεφαλαίου, των ενεργοβόρων λειτουργιών και του εφοδιαστικού βάρους των εκτεταμένων δικτύων σωληνώσεων. Κατά συνέπεια, υπάρχει επιτακτική ανάγκη για αποκεντρωμένες, χαμηλής συντήρησης και ενεργειακά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις, οι οποίες υποστηρίζουν την κυκλική οικονομία μετατρέποντας τα λύματα σε επαναχρησιμοποιήσιμο πόρο. Ο τεχνολογικός συνδυασμός των αντιδραστήρων αναερόβιας αιωρούμενης ιλύος ανοδικής ροής (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) και των Τεχνητών Υγροβιότοπων (Constructed Wetlands - CWs) έχει αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο μοντέλο. Ωστόσο, αρκετά κρίσιμα ερευνητικά κενά εμποδίζουν τη βελτιστοποιημένη εφαρμογή τους στο πλαίσιο της περιοχής της Μεσογείου. Οι αντιδραστήρες UASB βασίζονται συνήθως στις θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Στα μεσογειακά κλίματα, αυτό συχνά σημαίνει λειτουργία κάτω από υπο-μεσόφιλες ή ψυχρόφιλες συνθήκες, γεγονός που μπορεί να επιβραδύνει την κινητική των μικροοργανισμών και να μειώσει την απόδοση της επεξεργασίας. Οι αντιδραστήρες UASB εφαρμόζονται συνήθως για βιομηχανικά λύματα με αυξημένη περιεκτικότητα σε οργανική ουσία και, ως εκ τούτου, η λειτουργία με αραιωμένα ρεύματα όπως τα αστικά λύματα παραμένει μια πρόκληση. Παραδοσιακά, οι τεχνητοί υγροβιότοποι (ΤΥ) υποεπιφανειακής ροής βασίζονται σε άμμο και χαλίκι συγκεκριμένης σύστασης ως υλικό πλήρωσης, τα οποία ενδέχεται να μην είναι διαθέσιμα τοπικά (ειδικά σε νησιωτικές περιοχές). Συνεπώς, η μελέτη εναλλακτικών υλικών που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν την άμμο ή/και το χαλίκι βρίσκεται υπό διερεύνηση και εξαρτάται από τις απαιτήσεις της επεξεργασίας. Οι ΤΥ είναι επίσης επιρρεπείς στη «βιολογική έμφραξη» (bioclogging), η οποία μειώνει τη διάρκεια ζωής του συστήματος όταν το στάδιο της προεπεξεργασίας δεν είναι επαρκές. Ως εκ τούτου, η διερεύνηση ολοκληρωμένων συστημάτων με ενισχυμένες διεργασίες προεπεξεργασίας, όπως η διεργασία UASB, επιτρέπει τη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα της διάταξης. Αν και οι ΤΥ χαρακτηρίζονται από «χαμηλή κατανάλωση ενέργειας», αποτελούν γνωστές πηγές εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) όπως το μεθάνιο (CH₄) και το υποξείδιο του αζώτου (N₂O). Οι τρέχουσες μεθοδολογίες αξιολόγησης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου για τους ΤΥ είναι πολυάριθμες και σε ορισμένες περιπτώσεις αμφιλεγόμενες, καθιστώντας δύσκολη την αναπαραγωγή της εκτίμησης του αποτυπώματος άνθρακα σε παρόμοια συστήματα και τη διασφάλιση ότι οι μετρήσεις που λαμβάνονται είναι αντιπροσωπευτικές για τη λειτουργία καθ' όλη τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου χρονικού πλαισίου. Ο πρωταρχικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η πειραματική διερεύνηση και βελτιστοποίηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος UASB-CW για την επεξεργασία αστικών λυμάτων σε απομακρυσμένες περιοχές, με έμφαση στο χαμηλό λειτουργικό κόστος και στην υψηλή ποιότητα της επεξεργασμένης εκροής, η οποία να είναι κατάλληλη για απεριόριστη γεωργική επαναχρησιμοποίηση. Η έρευνα διαρθρώνεται γύρω από τρεις βασικούς πυλώνες. Ο πρώτος πυλώνας περιλαμβάνει την παρακολούθηση ενός συστήματος UASB-CW πλήρους κλίμακας για περίπου 1.000 ημέρες, προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση της επεξεργασίας υπό κυμαινόμενες μεσογειακές θερμοκρασίες και συνθήκες οργανικής φόρτισης. Αυτό περιλαμβάνει την αξιολόγηση της απομάκρυνσης της οργανικής ουσίας, του μετασχηματισμού των θρεπτικών συστατικών, της παραγωγής βιοαερίου και την εκτίμηση του δυναμικού επαναχρησιμοποίησης της τελικής εκροής. Ο δεύτερος πυλώνας περιλαμβάνει την εγκατάσταση ΤΥ Κατακόρυφης Υποεπιφανειακής Ροής (Vertical Subsurface Flow - VSSF) πιλοτικής κλίμακας για τη σύγκριση της συμβατικής άμμου με νέα τεχνητά ή ανακυκλωμένα υλικά πλήρωσης για την επεξεργασία της εκροής του αντιδραστήρα UASB. Η αξιολόγηση συμπληρώνεται με τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των υλικών, όπως η κοκκομετρία, το πορώδες, η υδραυλική αγωγιμότητα και η ικανότητα προσρόφησης ρύπων όπως το αμμώνιο και τα φωσφορικά άλατα. Ο τρίτος πυλώνας περιλαμβάνει την εφαρμογή μιας αξιόπιστης προσέγγισης παρακολούθησης για τη μέτρηση των άμεσων εκπομπών CH₄ και N₂O τόσο από τους ΤΥ πλήρους όσο και από τους πιλοτικής κλίμακας. Αυτός ο πυλώνας επιδιώκει να διερευνήσει πώς οι ρυθμοί φόρτισης, η θερμοκρασία και η διάταξη του συστήματος επηρεάζουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, αξιολογώντας τελικά τις κλιματικές επιπτώσεις του συστήματος. Η κύρια έρευνα αφορούσε ένα σύστημα πλήρους κλίμακας που βρίσκεται στην Άντισσα της Ελλάδας, το οποίο λειτούργησε για 1.009 ημέρες σε δέκα διακριτές φάσεις λειτουργίας. Το πρώτο στάδιο της διάταξης του συστήματος αποτελούνταν από δύο παράλληλους αντιδραστήρες UASB τετράγωνης βάσης με συνολικό ωφέλιμο όγκο 41 m³, οι οποίοι λειτουργούσαν σε συνθήκες θερμοκρασίας περιβάλλοντος για την επεξεργασία αστικών λυμάτων που είχαν υποστεί προκαταρκτική εσχάρωση και εξάμμωση. Αυτοί οι αντιδραστήρες διέθεταν στο κάτω μέρος ένα σύστημα διανομής ροής και στο πάνω μέρος έναν διαχωριστή Αερίου-Υγρού-Στερεού (Gas-Liquid-Solid - GLS) για τη συλλογή του βιοαερίου. Στη συνέχεια, η αναερόβια εκροή κατευθυνόταν σε ένα σύστημα ΤΥ δύο σταδίων: το πρώτο στάδιο ήταν ένας συνεχώς τροφοδοτούμενος, κορεσμένος (SAT) VSSF ΤΥ (250 m²) γεμάτος με χαλίκι και φυτεμένος με Phragmites australis, ενώ το δεύτερο στάδιο ήταν ένας διαλειπόμενα τροφοδοτούμενος, ακόρεστος (UNSAT) VSSF ΤΥ (600 m²) που διέθετε ένα στρώμα άμμου και τέσσερα διαφορετικά είδη υδρόβιων φυτών (Schoenoplectus lacustris, πρώην Scirpus lacustris, Iris pseudacorus, Typha latifolia και Juncus inflexus). Η λειτουργία αυτού του ακόρεστου ΤΥ γινόταν μέσω διαλείπουσας τροφοδοσίας (batch) για να διασφαλιστεί μια περίοδος ανάπαυσης μεγαλύτερη από 3 ώρες, διευκολύνοντας τη μεταφορά οξυγόνου και τη νιτροποίηση. Το ολοκληρωμένο σύστημα UASB–CW είχε μέγιστη δυναμικότητα επεξεργασίας ~100 m³/d και παρακολουθούνταν ως προς την απομάκρυνση συμβατικών ρύπων (Ολικά Αιωρούμενα Στερεά - TSS, Χημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο - COD, Βιοχημικά Απαιτούμενο Οξυγόνο - BOD₅, Ολικό Άζωτο - TN, Αμμωνιακό Άζωτο - NH₄-N, Ολικός Φώσφορος - TP, Ορθοφωσφορικά - PO₄-P), καθώς και όσον αφορά την παραγωγή βιοαερίου και τη δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης του ανακτημένου νερού σύμφωνα με τον Κανονισμό (ΕΕ) 2020/741. Επιπλέον, η έρευνα αυτή περιλάμβανε μια σειρά δοκιμών Βιοχημικού Δυναμικού Μεθανίου (Biomethane Potential - BMP) για την αξιολόγηση της απόδοσης της βιομάζας του UASB υπό ελεγχόμενες συνθήκες, προσομοιώνοντας τα εύρη θερμοκρασιών και τα καθεστώτα φόρτισης του αντιδραστήρα πλήρους κλίμακας. Για τον χαρακτηρισμό της βιολογικής υγείας και της λειτουργικής κατανομής του αντιδραστήρα, η μικροβιακή ποικιλότητα αξιολογήθηκε μέσω αλληλούχισης του γονιδίου 16S rRNA, με δείγματα που συλλέχθηκαν από διαφορετικές ζώνες του αντιδραστήρα και σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Το μεθοδολογικό πλαίσιο υποστηρίχθηκε από ολοκληρωμένους υπολογισμούς ισοζυγίου μάζας για το COD και μακροχρόνια υδραυλική παρακολούθηση των μοτίβων αποστράγγισης των ΤΥ, προκειμένου να αξιολογηθεί η σταθερότητα του συστήματος και ο κίνδυνος έμφραξης του υλικού πλήρωσης. Συμπληρώνοντας το σύστημα πλήρους κλίμακας, αναπτύχθηκε ένα πιλοτικό σύστημα χρησιμοποιώντας τέσσερις στήλες προσομοίωσης από πλεξιγκλάς (διαμέτρου 0,25 m), η καθεμία με διαφορετικά υλικά πλήρωσης. Αυτή η συγκριτική έρευνα αξιολόγησε το βιοεξανθράκωμα (biochar), το ανακυκλωμένο γυαλί και τα σφαιρίδια γέλης (gel beads) έναντι της άμμου ως βάση της σύγκρισης για 487 ημέρες υπό αυξανόμενη φόρτιση, για να προσδιοριστεί η μακροπρόθεσμη απόδοσή τους στην απομάκρυνση των συμβατικών ρύπων και η δυνατότητά τους για επαναχρησιμοποίηση του ανακτημένου νερού σύμφωνα με τον Κανονισμό της ΕΕ 2020/741. Χαρακτηρίστηκαν οι ιδιότητες αυτών των υλικών, συμπεριλαμβανομένης της κοκκομετρίας, του πορώδους και της υδραυλικής αγωγιμότητας, και μοντελοποιήθηκαν οι ικανότητες προσρόφησής τους για ιόντα αμμωνίου και ορθοφωσφορικών χρησιμοποιώντας ισόθερμες Langmuir και Freundlich. Μια ειδική πειραματική σειρά επικεντρώθηκε στην παρακολούθηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (διοξείδιο του άνθρακα – CO₂, CH₄ και N₂O) τόσο από τους ΤΥ πλήρους όσο και από τους πιλοτικής κλίμακας. Χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή πολλαπλών αερίων υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) (GASMET DX4015) και ένα σύστημα εδαφικού θαλάμου κλειστού βρόχου, εκτιμήθηκαν οι ροές μάζας ώστε να συσχετιστούν με τη φόρτιση της εισροής. Η παρακολούθηση των ΤΥ πλήρους κλίμακας σε πολλαπλά επιφανειακά σημεία επέτρεψε την εκτίμηση της χωρικής μεταβλητότητας, ενώ η διαλείπουσα τροφοδοσία τόσο των πλήρους όσο και των πιλοτικής κλίμακας ακόρεστων VSSF ΤΥ επέτρεψε την αξιολόγηση της χρονικής μεταβλητότητας των εκπομπών κατά τη διάρκεια της περιόδου ανάπαυσης. Η εκτίμηση του ισοδύναμου CO₂ ανά κυβικό μέτρο επεξεργασμένων λυμάτων κατέστησε δυνατή την αξιολόγηση του αποτυπώματος της επεξεργασίας και τη σύγκριση με άλλες τεχνολογίες επεξεργασίας λυμάτων. Οι μετρήσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν υπό ποικίλα λειτουργικά φορτία και θερμοκρασίες. Η μακροχρόνια (3ετής) λειτουργία της διεργασίας UASB έδειξε ότι, προκειμένου να διατηρηθούν οι μέσες αποδόσεις απομάκρυνσης TSS και COD εντός του εύρους 57–69% και 59–76% αντίστοιχα, ο ρυθμός οργανικής φόρτισης (OLR) θα πρέπει να διατηρείται μεταξύ 1,16–1,50 kg COD/m³-d όταν η μέση θερμοκρασία του αντιδραστήρα είναι 22,7–26,4 °C. Υπό αυτές τις συνθήκες, μπορούν να επιτευχθούν υψηλές απομακρύνσεις μέσω κατάλληλης μικροβιακής προσαρμογής. Ωστόσο, η τιμή του OLR θα πρέπει να μειωθεί σε 0,19–0,7 kg COD/m³-d όταν η θερμοκρασία κυμαίνεται κατά μέσο όρο στους 13,5–15,5 °C, επιτρέποντας στον αντιδραστήρα να παρέχει μέτρια απομάκρυνση (59–64%) παράλληλα με τη σταθερότητα της διεργασίας. Η χαμηλότερη απόδοση που παρατηρήθηκε υπό ξαφνικές αυξήσεις του OLR δείχνει ότι τέτοιες απότομες αλλαγές θα πρέπει να αποφεύγονται – ακόμη και σε μέτρια υψηλές θερμοκρασίες – για να εξασφαλιστεί η σταδιακή προσαρμογή και ο επαρκής υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT). Ο συντελεστής θερμοκρασίας θ = 1,092 που προέκυψε υποδηλώνει ότι η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά τον ρυθμό κατανάλωσης υποστρώματος εντός του υπο-μεσόφιλου εύρους λειτουργίας. Στον αντιδραστήρα UASB παρατηρήθηκε μέτρια απομάκρυνση του ολικού αζώτου (TN), η οποία κυμαινόταν περίπου από 13% έως 24% κατά μέσο όρο. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις εμφανίστηκαν μηδενικές ή αρνητικές τιμές απομάκρυνσης που έπεσαν κάτω από -10%. Αυτό υποδηλώνει πιθανή απελευθέρωση αζώτου ή μετατροπή του σε άλλες αζωτούχες μορφές, πιθανότατα λόγω βιολογικών μετασχηματισμών υπό αναερόβιες συνθήκες. Δεδομένου ότι τα συστήματα UASB δεν είναι ειδικά σχεδιασμένα για απομάκρυνση αζώτου, αυτή η μέτρια και μεταβλητή απόδοση ευθυγραμμίζεται με τις προσδοκίες. Ομοίως, η απομάκρυνση του ολικού φωσφόρου (TP) παρουσίασε μεταβλητότητα και γενικά μέτριες τιμές, με ορισμένες περιόδους να εμφανίζουν αρνητικές τιμές που υποδηλώνουν απελευθέρωση φωσφόρου αντί για απομάκρυνση. Οι μέσες αποδόσεις απομάκρυνσης κορυφώθηκαν μεταξύ 14–25%. Η συνολική τάση υποδηλώνει ότι ο αντιδραστήρας UASB δυσκολεύεται στη σταθερή απομάκρυνση του φωσφόρου, πιθανότατα λόγω της απουσίας των αερόβιων συνθηκών ή των διεργασιών χημικής καταβύθισης που συνήθως απαιτούνται για την αποτελεσματική μείωση του φωσφόρου.Το pH της ιλύος στον αντιδραστήρα UASB παρέμεινε σταθερό σε ένα εύρος από 6,8 έως 7,4. Το διαλυτό COD εντός των αντιδραστήρων δεν ξεπέρασε σημαντικά εκείνο της εκροής του UASB, και το ουδέτερο pH που διατηρήθηκε καθ' όλη τη διάρκεια υποδηλώνει ότι δεν σημειώθηκε σημαντική συσσώρευση πτητικών λιπαρών οξέων (VFA). Η αλκαλικότητα βρέθηκε να είναι υψηλότερη στην εκροή του UASB σε σχέση με την εισροή, μια αύξηση που υποδηλώνει αποτελεσματική ρυθμιστική ικανότητα λόγω του σχηματισμού διττανθρακικών κατά τη διάρκεια της μεθανογένεσης. Κατά τη διάρκεια σταθερής λειτουργίας υπό χαμηλές θερμοκρασίες και χαμηλό OLR (13,5 ± 0,7 °C και 0,19 ± 0,07 kg COD/m³-d), η παραγωγή μεθανίου ήταν 1,9 ± 0,6 Nm³/d. Αντίθετα, σε συνθήκες υψηλότερης θερμοκρασίας και φόρτισης (22,7 ± 3,8 °C και 1,32 ± 0,31 kg COD/m³-d), η παραγωγή μεθανίου αυξήθηκε στα 12,2 ± 2,7 Nm³/d. Παρατηρήθηκε υψηλή περιεκτικότητα σε CH₄ στο 84,6 ± 5,0%, ενώ το CO₂ κυμάνθηκε στο 7–10% και το οξυγόνο (O₂) παρέμεινε κάτω από 1%. Άλλα αέρια, όπως το H₂S, ήταν κάτω από 3%. Η μέση ετήσια απόδοση μεθανίου ήταν 0,36 Nm³/kg CODrem, με εύρος από 0,13 έως 0,92 Nm³/kg CODrem ανάλογα με την ποιότητα της εισροής και τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Πιο συγκεκριμένα, η απόδοση μεθανίου ήταν πολύ κοντά στη θεωρητικά αναμενόμενη τιμή (0,35 Nm³/d), υπό σχεδόν μεσόφιλες συνθήκες (π.χ. κατά τη λειτουργία της θερινής περιόδου). Από την άλλη πλευρά, ήταν πολύ χαμηλότερη σε χαμηλή θερμοκρασία και χαμηλότερη οργανική φόρτιση λόγω της μειωμένης δραστηριότητας των μεθανογόνων. Όταν η θερμοκρασία και η φόρτιση αυξήθηκαν, η μεθανογένεση ανέκαμψε και, ως εκ τούτου, η απόδοση μεθανίου ήταν υψηλότερη από τη θεωρητική τιμή λόγω της βιοαποικοδόμησης της προηγουμένως εγκλωβισμένης οργανικής ουσίας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών BMP αποκάλυψαν ότι οι αποδόσεις μεθανίου αυξάνονταν γενικά με τη θερμοκρασία, με τις υψηλότερες τιμές να παρατηρούνται στους 28,1 °C και στους 38,0 °C. Αυτές οι κορυφές συσχετίστηκαν με υψηλότερους λόγους τροφής προς μικροοργανισμούς (F/M) (0,74 και 0,82), γεγονός που υποδηλώνει ότι ο συνδυασμός επαρκούς υποστρώματος και αυξημένης θερμοκρασίας υποστηρίζει τη βέλτιστη παραγωγή βιομεθανίου. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες –ειδικά κάτω από τους 12 °C– οι αποδόσεις παρέμειναν σταθερά χαμηλές σε όλες τις τιμές του F/M, υποδηλώντας ότι οι μεταβολικοί περιορισμοί υπό ψυχρές συνθήκες καταστέλλουν την παραγωγή μεθανίου ανεξάρτητα από τη διαθεσιμότητα του υποστρώματος. Διαπιστώθηκε ότι ο λόγος F/M παίζει δευτερεύοντα ρόλο, καθώς η επιρροή του στην απόδοση γίνεται έντονη μόνο όταν οι θερμοκρασίες επιτρέπουν την ενεργή μικροβιακή μετατροπή. Συνολικά, τα αποτελέσματα αυτά υπογραμμίζουν την αλληλεξάρτηση της θερμοκρασίας και της οργανικής φόρτισης στον καθορισμό της απόδοσης παραγωγής μεθανίου. Η παρατηρούμενη απόδοση βιομάζας κυμάνθηκε από 0,03 έως 0,08 kg VS/kg CODrem. Κατά τη διάρκεια ορισμένων περιόδων (π.χ. χειμερινές περίοδοι), σημειώθηκε συσσώρευση οργανικής ουσίας η οποία δεν υποβαθμίστηκε εντός του αντιδραστήρα. Αντίθετα, σε άλλες περιόδους, το προηγουμένως εγκλωβισμένο σωματιδιακό COD διασπάστηκε χωρίς να καταγραφεί ως «απομακρυσμένο», γεγονός που εξηγεί τη διακύμανση στην απόδοση της βιομάζας. Σε επίπεδο φύλου (phylum), η μικροβιακή κοινότητα αποτελούνταν κυρίως από Synergistota (31,8–46,1%), Bacillota (16,4–21,8%), Pseudomonadota (6,4–9,9%) και Chloroflexota (5,0–9,1%) σε όλα τα δείγματα, με τα Synergistota να αποτελούν την κυρίαρχη ομάδα. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι διαφορές μεταξύ των άνω και κάτω τμημάτων του αντιδραστήρα ήταν ελάχιστες σε κάθε χρονική στιγμή, υποδηλώνοντας ότι οι συνθήκες θερμοκρασίας, παρά η διαστρωμάτωση του αντιδραστήρα, ήταν οι πρωταρχικοί παράγοντες που διαμόρφωσαν τη δυναμική της μικροβιακής κοινότητας. Ένα συγκεκριμένο σύμπλεγμα μικροοργανισμών ευδοκίμησε προσωρινά σε ψυχρότερες συνθήκες: το Trichococcus sp. απουσίαζε σχεδόν εντελώς σε θερμές θερμοκρασίες αλλά αυξήθηκε σημαντικά κατά τη διάρκεια της ψυχρότερης φάσης, φτάνοντας το 2,3% στην άνω ζώνη και το 1,04% στην κάτω ζώνη. Τα Trichococcus spp. είναι γνωστά ψυχροανθεκτικά βακτήρια που ανιχνεύονται συχνά σε αναερόβιους χωνευτές επεξεργασίας ιλύος. Η παρακολούθηση της λειτουργίας των ΤΥ δείχνει ότι προκειμένου να διατηρηθούν ποσοστά απομάκρυνσης 92–98% για τα TSS, 77–91% για το COD και 88–99% για το αμμωνιακό άζωτο (NH₄-N), ο OLR του VSSF SAT ΤΥ και του VSSF UNSAT ΤΥ θα πρέπει να διατηρείται στα 69,1–89,5 g COD/m²-d και 10,9–19,9 g COD/m²-d αντίστοιχα, όταν η μέση θερμοκρασία των λυμάτων είναι 22,7–26,4 °C. Ο ρυθμός αζωτούχας φόρτισης (NLR) στον VSSF UNSAT ΤΥ θα πρέπει να είναι 6,8–10,7 g NH₄-N/m²-d. Οι τιμές αυτές θα πρέπει να μειωθούν σε 10,1–23,3 g COD/m²-d, 2,0–6,5 g COD/m²-d και 1,4–3,1 g NH₄-N/m²-d αντίστοιχα, όταν η θερμοκρασία των λυμάτων κυμαίνεται κατά μέσο όρο στους 13,5–15,5 °C. Βρέθηκε μια χαμηλή έως μέτρια εξάρτηση από τη θερμοκρασία (θ = 1,138) για τη νιτροποίηση του NH₄-N, βασισμένη στην απλοποιημένη εξίσωση Arrhenius.Σημειώθηκε μια μικρή πτώση του pH στα στάδια της επεξεργασίας, ιδίως στον ακόρεστο VSSF ΤΥ (UNSAT), όπου η βιολογική οξείδωση και η παραγωγή CO₂ αύξησαν την οξύτητα. Η τάση αυτή συνάδει με τη νιτροποίηση και τον σχηματισμό οργανικών οξέων. Μειωμένη αλκαλικότητα παρατηρήθηκε επίσης στον VSSF UNSAT ΤΥ, με τιμές που έπεσαν έως και 61 mg CaCO₃/L, υποδηλώνοντας σημαντική κατανάλωση αλκαλικότητας κατά τη διάρκεια της νιτροποίησης. Αυτή η συνεχιζόμενη πτώση της αλκαλικότητας, συνοδευόμενη από τη σταδιακή μείωση του pH της τελικής εκροής, υποδηλώνει ότι το υλικό φίλτρου ενδέχεται να περιείχε περιορισμένα ρυθμιστικά ορυκτά, όπως ασβεστόλιθο, τα οποία εξαντλήθηκαν σταδιακά κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, μειώνοντας έτσι τη μακροπρόθεσμη ρυθμιστική ικανότητα. Παρατηρήθηκε μια προοδευτική μείωση στην απόδοση αποστράγγισης του VSSF UNSAT ΤΥ με την πάροδο του χρόνου (δηλαδή μείωση της μέγιστης παροχής από 0,13 σε 0,10 m³/min σε διάστημα δύο ετών, γεγονός που υποδηλώνει χαμηλότερη ένταση αποστράγγισης και μεγαλύτερο χρόνο αποστράγγισης). Η μείωση των μέγιστων ρυθμών ροής και του συνολικού στραγγιζόμενου όγκου υποδεικνύει επιπτώσεις γήρανσης, όπως η έμφραξη (clogging), η οποία θα μπορούσε να μειώσει τη μακροπρόθεσμη αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας, αν δεν αντιμετωπιστεί. Όσον αφορά το ολοκληρωμένο σύστημα UASB–CW, η συνολική απόδοση απομάκρυνσης TSS ήταν πολύ υψηλή (97–99%), επιτυγχάνοντας συγκεντρώσεις TSS στην τελική εκροή 2–5 mg/L. Οι συνολικές αποδόσεις απομάκρυνσης COD και BOD₅ ήταν επίσης πολύ υψηλές, φτάνοντας στο 91–96% και 94–99% αντίστοιχα. Το COD της τελικής εκροής ήταν ως επί το πλείστον διαλυτό, με μέσο όρο 19–40 mg/L, ενώ το BOD₅ κυμάνθηκε από 3–12 mg/L κατά τη λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση και 7–20 mg/L κατά τη διάρκεια μεταβατικών φάσεων. Η απομάκρυνση του TN και του TP δεν ξεπέρασε ποτέ το 45%, αποδεικνύοντας την ικανότητα του συστήματος να παράγει εκροή κατάλληλη για υδρολίπανση. Η εργασία αυτή αποδεικνύει τη σκοπιμότητα του ολοκληρωμένου αποκεντρωμένου σχήματος UASB–CW για την επίτευξη των ορίων του BOD₅ (10 mg/L), των TSS (10 mg/L) και της θολερότητας (5 NTU) για απεριόριστη γεωργική άρδευση σύμφωνα με την Κατηγορία Α του Κανονισμού 2020/741 της ΕΕ. Η επεξεργασμένη εκροή πληρούσε σταθερά τα όρια της τοπικής νομοθεσίας για απόρριψη σε μη ευαίσθητους υδάτινους αποδέκτες, με το κόστος επεξεργασίας και επαναχρησιμοποίησης να κυμαίνεται από 0,056–0,34 €/m³, λαμβάνοντας υπόψη τον μεταβλητό όγκο επεξεργασμένων λυμάτων και τη δυνητική ανάκτηση ενέργειας από τον αντιδραστήρα UASB, η οποία ποικίλλει επίσης σε διαφορετικές εποχές. Στους πιλοτικής κλίμακας VSSF ΤΥ, οι διαφοροποιήσεις στις κοκκομετρικές καμπύλες και στο πορώδες μεταξύ των υλικών πλήρωσης (άμμος, βιοεξανθράκωμα, ανακυκλωμένο γυαλί και υδρογέλες) είχαν ως αποτέλεσμα συγκρίσιμη υδραυλική αγωγιμότητα για την άμμο και το γυαλί, ενώ αυτή του βιοεξανθρακώματος ήταν χαμηλότερη και των υδρογελών ήταν υψηλότερη. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, η εξίσωση Freundlich απέδωσε υψηλότερες τιμές r² από το μοντέλο Langmuir για τα ιόντα αμμωνίου και ορθοφωσφορικών, υποδεικνύοντας ότι η προσρόφηση ακολούθησε ένα ετερογενές μοτίβο. Η απομάκρυνση των TSS σε όλη την άμμο, το βιοεξανθράκωμα και το γυαλί ήταν σταθερά πολύ υψηλή (96–97%), επιβεβαιώνοντας τη βιωσιμότητα αυτών των υλικών υπό τον μέγιστο ρυθμό επιφανειακής φόρτισης στερεών (SLR: 14.5 ± 4.7 g TSS/m²-d). Κάτω από τον υψηλότερο OLR (34,1 ± 4,5 g COD/m²-d), οι πιλότοι με άμμο και γυαλί επέτυχαν 83–84% απομάκρυνση του COD, ενώ η στήλη βιοεξανθρακώματος είχε σημαντικά καλύτερη απόδοση (p < 0,05) στο 91 ± 3%. Το υψηλότερο πορώδες του βιοεξανθρακώματος (0,66) σε σύγκριση με την άμμο και το γυαλί (0,38) επέτρεψε πιθανώς μεγαλύτερη ανάπτυξη βιοϋμενίου (biofilm) και ενισχυμένη βιοαποικοδόμηση. Ανεξάρτητα από τον NLR ή τη θερμοκρασία, η απομάκρυνση του αμμωνίου και στα τρία υλικά ήταν πολύ υψηλή (96–100%). Κατά την αρχική φάση εκκίνησης, ενώ η απομάκρυνση του αμμωνίου ήταν σχεδόν πλήρης, δεν ανιχνεύθηκαν νιτρικά για τις πρώτες 9–10 ημέρες σε άμμο, γυαλί και σφαιρίδια γέλης, και για πάνω από 100 ημέρες στο βιοεξανθράκωμα, γεγονός που υποδηλώνει καθυστέρηση στη νιτροποίηση και ότι το αμμώνιο απομακρύνθηκε μέσω προσρόφησης. Συνολικά, το βιοεξανθράκωμα και το ανακυκλωμένο γυαλί είναι αποτελεσματικά για την επεξεργασία της εκροής του UASB για επαναχρησιμοποίηση Κατηγορίας Α.Το pH της τελικής εκροής των πιλοτικών VSSF ΤΥ κυμάνθηκε από 7,3 έως 8,4 σε όλα τα υλικά. Η υψηλή θολερότητα της εκροής του UASB (62–171 NTU) μειώθηκε σημαντικά από όλους τους πιλότους, φτάνοντας τα 0,8–4,9 NTU για την άμμο, το βιοεξανθράκωμα και το γυαλί, και τα 2,9–17,6 NTU για τις υδρογέλες. Με βάση τις τρέχουσες τιμές της αγοράς, το ανακυκλωμένο γυαλί μπορεί να είναι 3–30 φορές φθηνότερο από την άμμο, ενώ το βιοεξανθράκωμα κοστίζει 8–60 φορές περισσότερο. Ωστόσο, το βιοεξανθράκωμα χρήζει περαιτέρω διερεύνησης για την απομάκρυνση των ρύπων αναδυόμενου ενδιαφέροντος (Contaminants of Emerging Concern - CECs), όπου η υψηλότερη ικανότητα προσρόφησής του μπορεί να υπερέχει σε μακροχρόνια λειτουργία. Όσον αφορά τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (GHG) από τον κορεσμένο (SAT) VSSF ΤΥ, παρατηρήθηκαν υψηλότερες εκπομπές CH₄ τη χειμερινή περίοδο· αυτό μπορεί να αποδοθεί στις χαμηλότερες θερμοκρασίες (14 °C) και στη σχετική αύξηση της διαλυτότητας του CH₄ στην εκροή του UASB. Η επίδραση της θερμοκρασίας είναι ακόμη πιο εμφανής όταν συγκρίνουμε τις θερινές περιόδους, καθώς οι θερμότερες συνθήκες συνέπεσαν με τις χαμηλότερες τιμές εκπομπών CH₄. Οι εκπομπές N₂O ήταν αισθητά χαμηλότερες κατά τη διάρκεια του χειμώνα και κορυφώθηκαν κατά τις θερμότερες περιόδους, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι αυξημένες θερμοκρασίες και η αυξημένη φόρτιση σχετίζονται με υψηλότερη απελευθέρωση N₂O. Η παρατηρούμενη χωρική και χρονική μεταβλητότητα υπογραμμίζει τη δυναμική φύση των βιοχημικών διεργασιών στους VSSF ΤΥ, αντανακλώντας την αλληλεπίδραση μεταξύ της μικροβιακής δραστηριότητας και των υδραυλικών συνθηκών, η οποία επηρεάζεται από την ανάπτυξη του βιοϋμενίου, τη συσσώρευση στερεών και την ανάπτυξη των ριζών.Στον ακόρεστο (UNSAT) VSSF ΤΥ, οι χαμηλές εκπομπές CH₄ σε όλες τις περιόδους υποστηρίζουν την παρουσία αποτελεσματικού επαναερισμού και αερόβιων συνθηκών. Οι εκπομπές N₂O ποίκιλλαν, με μεγαλύτερες περιόδους ανάπαυσης –όπου τα κατώτερα 30 cm παρέμεναν κορεσμένα– να ευνοούν ενδεχομένως την απονιτροποίηση και να αυξάνουν την απελευθέρωση N₂O υπό υψηλότερα φορτία αζώτου. Η αυξημένη διαθεσιμότητα οξυγόνου στον ακόρεστο ΤΥ φαίνεται να ενισχύει τη νιτροποίηση και την αερόβια αναπνοή. Οι μεταβολές του μοτίβου ροής εντός του υλικού φίλτρου πιθανώς επηρεάζουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου δημιουργώντας νέες ζώνες μικροβιακής δραστηριότητας. Οι εκπομπές CO₂ έτειναν να παραμένουν σταθερές υπό συνθήκες υψηλότερης φόρτισης και θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια των περιόδων ανάπαυσης, ενώ μια μείωση ήταν πιο πιθανή υπό χαμηλότερη φόρτιση ή θερμοκρασίες. Οι εκπομπές CH₄ ήταν ελάχιστες και στενά συνδεδεμένες με τον τύπο της εισροής, μειούμενες σημαντικά κατά τη διάρκεια των φάσεων ανάπαυσης, ενώ οι εκπομπές N₂O εμφάνισαν αξιοσημείωτη μείωση υπό χαμηλότερη φόρτιση και μεγαλύτερες περιόδους ανάπαυσης. Τα ενδοτεταρτημοριακά εύρη (interquartile ranges) του ισοδύναμου CO₂,e ήταν 0,14–0,61, 0,21–0,41 και 0,30–0,78 kg CO₂,e/m³ για διαφορετικές περιόδους αναφοράς – τιμές συγκρίσιμες με τα συστήματα ενεργού ιλύος με αναερόβιο στάδιο για ενισχυμένη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου. Οι υψηλότερες τιμές CO₂,e συνδέονταν με μετατοπίσεις στους κυρίαρχους συντελεστές: το CH₄ από τον κορεσμένο ΤΥ αντιπροσώπευε το 61,8% του CO₂,e το καλοκαίρι, ενώ το N₂O από τον ακόρεστο ΤΥ κυριάρχησε κατά τη διάρκεια μιας μετάβασης στα τέλη της άνοιξης (62%). Η συμβολή του ακόρεστου ΤΥ στις συνολικές εκπομπές από τους υγροβιότοπους αυξήθηκε κατά τη διάρκεια των περιόδων, κυμαινόμενη μεταξύ 29,6% και 63,7%. Όταν ομαδοποιούνται ανά αέριο, το N₂O αντιπροσώπευε το 23,9% έως 86,4% του συνολικού CO₂,e, υποδεικνύοντας μια στροφή από τις εκπομπές που κυριαρχούνται από CH₄ σε μόνιμη κατάσταση προς την κυριαρχία του N₂O υπό αυξανόμενες συνθήκες φόρτισης και θερμοκρασίας. Στους πιλοτικής κλίμακας VSSF ΤΥ, οι εκπομπές CO₂ και CH₄ δεν εμφάνισαν στατιστικά σημαντικές διαφορές μεταξύ των υλικών ή των συνθηκών. Ωστόσο, οι εκπομπές N₂O διέφεραν σημαντικά μεταξύ των δύο φάσεων λειτουργίας σε όλα τα υλικά. Οι κανονικοποιημένες εκπομπές N₂O ήταν 0,34–0,50 kg N₂O-N/kg NH₄-Nin×100% για τη φάση ανάπαυσης 3 ωρών και 0,07–0,15 kg N₂O-N/kg NH₄-Nin×100% για τη φάση 6 ωρών, γεγονός που υποδηλώνει ότι η χαμηλότερη φόρτιση και θερμοκρασία μείωσαν σημαντικά τις εκπομπές. Υπό συνθήκες ανάπαυσης, οι εκπομπές CO₂ μειώθηκαν κατά 32–49% μετά από 1,5 ώρα στη φάση των 3 ωρών και έως και 85% μετά από 5 ώρες στη φάση των 6 ωρών. Επειδή οι εκπομπές CH₄ προέκυπταν κυρίως από την απογύμνωση (stripping) του διαλυμένου μεθανίου στην εισροή (δηλαδή την εκροή του UASB), δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των υλικών με την πάροδο του χρόνου. Στη φάση της 3ωρης περιόδου ανάπαυσης, οι εκπομπές N₂O αυξήθηκαν κατά 51–61% για το βιοεξανθράκωμα και το γυαλί 1 ώρα μετά την τροφοδοσία, ενώ στη φάση της 6ωρης περιόδου ανάπαυσης, παρατηρήθηκαν σημαντικές αυξήσεις (έως και 148%) μετά από 1,5 ώρα προτού μειωθούν στο όριο των 5 ωρών. Αυτή η συνεχής αύξηση μεταξύ 1,5 και 3 ωρών υποδηλώνει έναν «χρόνο υστέρησης» (lag time) για τις βιοχημικές διεργασίες που σχετίζονται με το άζωτο, ο οποίος φαίνεται ανεξάρτητος από το υλικό πλήρωσης.Όσον αφορά τους πιλοτικούς VSSF ΤΥ, τα ενδοτεταρτημοριακά εύρη του CO₂,e κατά τη διάρκεια της 3ωρης φάσης ανάπαυσης ήταν 0,04–0,19 kg CO₂,e/m³ σε όλα τα υλικά, με τις διάμεσες τιμές να μειώνονται στη φάση των 6 ωρών. Το βιοεξανθράκωμα μείωσε τις διάμεσες εκπομπές CO₂,e κατά 21–48% σε σχέση με την άμμο, πιθανώς λόγω της προσρόφησης των αέριων εκπομπών, και εμφάνισε στενότερα ενδοτεταρτημοριακά εύρη. Οι τιμές του CO₂,e από τη φάση των 3 ωρών ήταν συγκρίσιμες με τον ακόρεστο ΤΥ πλήρους κλίμακας. Κατά τη διάρκεια της φάσης ανάπαυσης 3 ωρών, το N₂O ήταν ο κυρίαρχος συντελεστής στο CO₂,e (65–89,5%), ενώ το CH₄ έγινε πιο σημαντικό κατά τη διάρκεια της φάσης 6 ωρών, κυμαινόμενο από 61,2% έως 63,9% για το βιοεξανθράκωμα και την άμμο. Συμπερασματικά, η παρούσα διδακτορική διατριβή κατέδειξε τη μακροπρόθεσμη σκοπιμότητα (πάνω από 1.000 ημέρες) ενός πλήρους κλίμακας, ολοκληρωμένου συστήματος αντιδραστήρα UASB και Τεχνητού Υγροβιότοπου (CW) για την αποκεντρωμένη επεξεργασία λυμάτων σε εύκρατα κλίματα. Παρά τις διακυμάνσεις στην απόδοση του UASB που προκλήθηκαν από τις εποχιακές αλλαγές θερμοκρασίας και τη μεταβλητή ποιότητα της εισροής, οι ΤΥ εξασφάλισαν σταθερή ποιότητα επεξεργασμένης εκροής που πληρούσε σταθερά τα πρότυπα απόρριψης της ΕΕ και, υπό τις περισσότερες συνθήκες λειτουργίας, τις απαιτήσεις για απεριόριστη γεωργική άρδευση (Κανονισμός ΕΕ 2020/741, Κατηγορία Α). Το σύστημα πέτυχε υψηλές αποδόσεις απομάκρυνσης αιωρούμενων στερεών, οργανικού άνθρακα και αμμωνίου, ενώ παράλληλα παρήγαγε μεθάνιο, αναδεικνύοντας τις δυνατότητες ανάκτησης ενέργειας. Επιπλέον, το βιοεξανθράκωμα και το ανακυκλωμένο γυαλί αποδείχθηκαν αποτελεσματικές και βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις αντί της άμμου ως υλικά για τους υγροβιότοπους, με συγκρίσιμη απόδοση στην απομάκρυνση ρύπων, χαμηλότερο κόστος (για το ανακυκλωμένο γυαλί) και ενισχυμένη ανάπτυξη βιοφιλμ (για το βιοεξανθράκωμα). Τέλος, οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου διέφεραν ανάλογα με την εποχή και τις συνθήκες λειτουργίας, αλλά θα μπορούσαν να μειωθούν σημαντικά μέσω βελτιστοποιημένου σχεδιασμού και λειτουργίας, υποστηρίζοντας την περιβαλλοντική βιωσιμότητα των συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων που βασίζονται στη φύση.