Μελέτη σχεδιαστικών προσομοιώσεων λιμνών σταθεροποίησης και συνδυασμένης επεξεργασίας λυμάτων με χρήση λιμνών σταθεροποίησης και υγροτόπων

Abstract

There is an ever growing interest in small capacity wastewater treatment plants due to the 91/271/EEC Directive which states that all agglomerations in sensitive areas with population equivalent (EP) ≥ 2,000 were required to connect to sewerage networks and municipal wastewater treatment plants by the end of 2005. On site sanitation technologies seem to be the most suitable solution for the case of Greece and natural systems such as waste stabilization ponds and constructed wetlands are appealing options not only because of their well-published advantages but also due to favourable climatic local conditions. For the PhD Thesis experiment the focus is on the treatment of septage by a natural system configuration (i.e. a waste stabilization pond-constructed wetland combination). Septage is very typical of Greek small communities and agglomerations; therefore its treatment is quite interesting from a practical point of view. Eight vertical flow small-scale constructed wetlands are introduced in a pre-existing wastewater treatment pilot plant consisting of three interconnected waste stabilization ponds -a facultative pond followed by two maturation/aerobic ones- and located in Sindos near Thessalonica. The wetlands are identical in couples but differ in substrate and plant presence (common reed) and are fed from the outflow of the first maturation pond. The system is monitored for two-years in order to study its operation and efficiency for the treatment of real effluent in an open air experiment. Meteorological data are collected from a station near the plant. Samples are collected twice a month and TSS, BOD₅, pH, EC, TP, N-NO⁻₃ and N-NH⁺₄ are monitored. The unplanted wetlands are more efficient in TSS and BOD5 concentrations removal. BOD₅ removal is greater in the summer months. On the other hand, when estimating the BOD₅ mass in the constructed wetlands effluents using Thornthwaite model to adjust the results, it is found that the mass in the of unplanted wetlands effluents is greater than that found in planted ones. This means a different solution can be selected according to the receivers’ restrictions (i.e. pollutants mass or concentration). The system does not remove TP successfully possibly due to substrate origin and stratification. N-NO⁻₃ concentrations in all wetlands’ effluents are elevated due to nitrification. Nutrients removal is higher in the planted wetlands. The results from the wetlands compare favourably to those from the waste stabilization pond treats the same influent. The results are promising and could improve with the selection of different porous media and a longer sand layer. The introduction of a horizontal subsurface flow wetland to treat the effluent of the vertical flow wetland could improve the system performance and probably remove through N-NO⁻₃ denitrification. TP removal could improve by using filter media rich in Al and Fe content. The two different types of substrate chosen for the experiments do not significantly affect the results for pollutants removal in contrast to plant presence which does affect the results. Pollutants removal seems to be affected by the height of the sand layer in the substrate of the vertical flow constructed wetlands. Therefore, a series of equations describing the removal of TSS, BOD₅, TP, N-NH⁺₄ as a function of sand layer height is produced. The BOD₅, concentrations in the constructed wetlands influent and effluents are correlated and equations are produced with R² always lower than 0.40. As it is, the effluent from the wetlands is not suitable for reuse because on occasions the effluent does not meet the standards.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη μελέτη των σχεδιαστικών προσομοιώσεων των λιμνών σταθεροποίησης (ΛΣ) και της συνδυασμένης επεξεργασίας λυμάτων με χρήση ΛΣ και τεχνητών υγροτόπων (ΤΥ). Για την πραγματοποίηση αυτού του στόχου επιλέγεται έπειτα από μελέτη της βιβλιογραφίας η συστηματική παρακολούθηση επί δύο χρόνια ενός ήδη υπάρχοντος συστήματος ΛΣ (τρεις διασυνδεδεμένες ΛΣ σε σειρά – μια επαμφοτερίζουσα και δύο ωρίμανσης) καθώς και η κατασκευή, εγκατάσταση και παρακολούθηση ενός συνδυασμένου συστήματος επεξεργασίας που προέκυψε με την τροφοδοσία ΤΥ κατακόρυφης ροής (οκτώ στο σύνολο και ανά δύο όμοιων μεταξύ τους που διαφέρουν ως προς το υπόστρωμα και την παρουσία βλάστησης) από την εκροή της δεύτερης από τις προαναφερθείσες ΛΣ. Στα συστήματα που τροφοδοτούνταν με βοθρολύματα (κοινή τροφοδοσία), μετρήθηκαν το BOD₅, το pH, η αγωγιμότητα, τα TSS, ο TP, το N-NH⁺₄ και το N-NO⁻₃. Τα αποτελέσματα για την επεξεργασία των βοθρολυμάτων ήταν ενθαρρυντικά αλλά απαιτούν βελτιώσεις. Από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψαν εξισώσεις συσχέτισης της συγκέντρωσης του BOD₅ στην εισροή και την εκροή των ΤΥ. Επίσης υπολογίστηκε η σταθερά κινητικής πρώτης τάξης τους ΤΥ για το BOD₅. Συνδυάζοντας τα δημοσιευμένα αποτελέσματα της διεθνούς βιβλιογραφίας με τις μετρήσεις της διατριβής προέκυψαν για του ΤΥ (με και δίχως καλάμι) εξισώσεις συσχέτισης του ύψους του στρώματος άμμου με την απομάκρυνση του BOD₅, των TSS, του TP και του N-NH⁺₄. Από τη στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων προέκυψαν τα ακόλουθα: Οι εκροές στα συνδυασμένα συστήματα είχαν χαμηλότερες συγκεντρώσεις BOD₅ και TSS σε σχέση με τις ΛΣ. Εξαίρεση αποτελεί για το BOD₅ το συνδυασμένο σύστημα όπου ο ΤΥ φέρει βλάστηση και υπόστρωμα Α (αναφορά στη διηθημένη εκροή). Οι ΤΥ δίχως βλάστηση απομάκρυναν πιο αποτελεσματικά τις συγκεντρώσεις BOD₅ και TSS συγκριτικά με ΤΥ με βλάστηση. Τα υποστρώματα που επιλέχθηκαν στους ΤΥ δεν επηρέασαν στατιστικά σημαντικά την απομάκρυνση της συγκέντρωσης BOD₅ και TSS. Η αγωγιμότητα ήταν μικρότερη στους ΤΥ δίχως καλάμια, το pH ήταν υψηλότερο στους ΤΥ με καλάμια. Οι ΛΣ είχαν υψηλότερο pH από τους ΤΥ. Η αγωγιμότητα ήταν υψηλότερη το καλοκαίρι βάσει της διόρθωσης κατά Thornthwaite. Διαπιστώθηκε ότι ενώ η συγκέντρωση του BOD₅ στην εκροή των ΤΥ με καλάμι ήταν υψηλότερη σε σχέση με των ΤΥ δίχως φυτά, η μάζα του BOD₅ ήταν μικρότερη στην εκροή των ΤΥ με βλάστηση από την αντίστοιχη των ΤΥ δίχως φυτά. Οι ΤΥ δεν απομάκρυναν καθόλου το N-NO⁻₃, ενώ οι ΛΣ το απομάκρυναν μερικώς αν και οι ΛΣ δεν απομάκρυναν ικανοποιητικά τον TP, εντούτοις τον απομάκρυναν περισσότερο από τους ΤΥ. Η απομάκρυνση του N-NH⁺₄ ήταν υψηλότερη στου ΤΥ από τις ΛΣ και ιδίως σε αυτούς με καλάμια. Για την απομάκρυνση του N-NO⁻₃ η εκροή του ΤΥ θα μπορούσε να υποστεί περαιτέρω επεξεργασία σε ΤΥ οριζόντιας υπο-επιφανειακής ροής. Ο επανασχεδιασμός των ΤΥ με στρώμα άμμου μεγαλύτερου ύψους, πιθανότατα θα βελτίωνε την επίδοση του συστήματος.