Σύγκριση της απόδοσης εναλλακτικών μεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων

Abstract

Two Free Water Surface (FWS) and two Subsurface Flow (SSF) pilot-size constructed wetlands treating highway runoff (HRO) were monitored over a period of two years (September 2005 to August 2007). One FWS and one SSF were designed with a hydraulic retention time (HRT) of 12 h, named FWS12 and SSF12 respectively, with each one capable of treating a maximum HRO of 12.6 m3 d -1. The other couple, named FWS24 and SSF24 respectively, was designed with an HRT of 24 h, with each receiving a maximum HRO of 6.3 m3 d -1. The influent flowed from a highway section with a total surface 2,752 m2 on the island of Crete, Greece, in the heart of the South-Central Mediterranean region. Influent and effluent were monitored for COD, TSS, Total N (TN), NO3- and Total P (TP) concentrations. Furthermore, removal efficiencies were examined for heavy metals (Cu, Ni, Pb, Zn) for both years, while polycyclic aromatic compounds (PAHs) were examined for the period between September 2006 and August 2007. The influent had a two-year average COD value of 101 mg L-1, whereas the mean values for TSS, TN, N-NO3- and TP were 203, 4.30, 1.25 and 4.17 mg L-1 respectively. For Cu, Ni, Pb and Zn the respective two-year mean influent concentrations were 56, 114, 49 and 250 μg L-1. Mean concentration of total PAHs in runoff (ΣPAHs, 16 compounds) were 12.01 μg L-1. The performance among the four beds was not significantly different according to ANOVA analysis followed by Tukey test (at p < 0.05) for almost all the above physicochemical parameters, suggesting that all systems performed in a similar way. All studied systems, achieved a mean of two-year removal efficiencies of 47% for COD, 89% for TSS, 49% for TN, 58% for N-NO3-, 60% for TP, 47% for Cu , 23% for Ni, 33% for Pb, 61% for Zn and 59% for ΣPAHs (16 compounds). Five different pilot-scale treatment units were constructed to compare the feasibility of treating domestic wastewater (high organic strength) in the City of Heraklion, Crete, Greece: (a) a free water surface (FWS) wetland system, (b) a horizontal subsurface flow (HSF) wetland system, (c) a rotating biological contactor (RBC), (d) a packed bed filter (PBF) and (e) a gravel filter (GF). All units operated in parallel at various hydraulic loading rates (HLR) ranging from 50% to 175% of designed operating HLR. The study was conducted during a 8 month period and showed that COD removal efficiency of HSF was comparable (>75%) to that of RBC and PBF, whereas that of the FWS system was only 57%. Average nutrient removal efficiencies for FWS, HSF, RBC and PBF were 6%, 21%, 40% and 43%, respectively for total nitrogen and 21%, 39%, 41% and 42%, respectively for total phosphorus. Applying molecular biology techniques, it was found that the rate determining step in the biological removal of nitrogen is nitrification in the two constructed wetlands (low number and abundance of AOB based on FISH results and qPCR targeting the amoA gene), and denitrification in the case of the two biofilm reactors (low nosZ copy numbers detected in qPCR). Removals of total coliforms were lowest in FWS and PBF (1.3 log units) and higher in HSF and RBC (2.3 to 2.6 log units). HSF showed slightly lower but comparable effluent quality to that of RBC and PBF systems, but the construction cost and energy requirements for this system are significantly lower. Removal efficiencies of polycyclic aromatic compounds (PAHs), linear alkyl benzene sulfonates (LAS), COD, TSS, total nitrogen and total phosphorus were evaluated in a pilot scale constructed wetland (CW) system combining a free water surface wetland, a subsurface wetland and a gravel filter in series. The effect of parameters such as temperature and mass loading rate was also examined. The subsurface constructed wetland system was found to have the best performance on pollutants removal. Specifically, for PAHs and LAS the average removal percentage was 79.2 and 55.5% for SSF (Subsurface Flow), 68.2 and 30.0% for FWS (Free Water Surface) and 73.3 and 40.9% for gravel filter, respectively. Removal efficiency and the first-order volumetric removal rate constant (kV) for both PAHs and LAS decreased with water temperature, yielding a low temperature coefficient (θ). This observation indicates that the absorption in solid media is the main mechanism for xenobiotics removal in constructed wetlands. The significantly better treatment performance in the SSF wetland system compared to that in FWS and gravel filter makes SSF the best low cost wastewater treatment option. Overall the final decision for the best non-conventional wastewater treatment system depends on the construction and operation cost, the area demand and the required quality of effluent.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν να εξεταστεί η απόδοση εναλλακτικών μεθόδων επεξεργασίας υγρών αποβλήτων, να υπολογιστούν κινητικοί παράμετροι απομάκρυνσης ρύπων και θρεπτικών και να συγκριθούν οι μικροβιακές κοινότητες που εγκαθίστανται σε αυτά. Κατασκευάστηκαν και παρακολουθήθηκαν για δυο χρόνια, δυο πιλοτικού μεγέθους ελεύθερης επιφανείας και δυο υποεπιφανειακής ροής, τεχνητοί υγροβιότοποι (TY), οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν στην επεξεργασία των απορροών αυτοκινητοδρόμων (χαμηλής ισχύος υγρά απόβλητα). Οι ΤΥ κάθε τύπου σχεδιάστηκαν ούτως ώστε να έχουν υδραυλικό χρόνο παραμονής τόσο 12h με μέγιστη ικανότητα επεξεργασίας 12.6 m3d-1. όσο και υδραυλικό χρόνο παραμονής 24 h και δυνατότητα επεξεργασίας 6.3 m3d-1 απορροών. Η απόδοση της επεξεργασίας για τις τέσσερις κλίνες δε διέφερε στατιστικά για σχεδόν όλες τις παραπάνω φυσικοχημικές παραμέτρους που κυμαινόταν από 47% για το COD, 89% για τα TSS, 49% για το TN, 58% για τα N-NO3-, 60% για τον TP, 47% για το Cu, 23% για το Ni, 33% για το Pb, 61% για το Zn και 59% για το άθροισμα των 16 PAHs. Κατασκευάστηκαν πέντε διαφορετικές πιλοτικού μεγέθους μονάδες, ώστε να εξεταστεί η καταλληλότητα της καθεμίας να επεξεργάζεται αστικά υγρά απόβλητα (υψηλής ισχύος υγρά απόβλητα). (α) Ένας ελεύθερης επιφάνειας τεχνητός υγροβιότοπος (FWS), (β) ένας οριζόντιας και υποεπιφανειακής ροής τεχνητός υγροβιότοπος (HSF), (γ) ένας περιστρεφόμενος βιολογικός δίσκος (RBC), (δ) ένα βιολογικό φίλτρο διαβρέχουσας ροής συμπτυγμένης κλίνης (PBF). (ε) Ένα χαλικόφιλτρο (GF). Όλες οι μονάδες λειτούργησαν παράλληλα σε διάφορες υδραυλικές φορτίσεις που κυμαινόταν από το 50 έως το 175% του σχεδιασμένου ορίου υδραυλικής τους φόρτισης. Η μελέτη διήρκεσε 8 μήνες και έδειξε ότι η απομάκρυνση του οργανικού φορτίου (COD) για τον υγροβιότοπο υποεπιφανειακής ροής ήταν συγκρίσιμη (>75%) σε σχέση με αυτό των βιοδίσκων και του φίλτρου διαβρέχουσας ροής, ενώ του υγροβιότοπου ελεύθερης επιφανείας ήταν μόνο 57%. Οι μέσες απομακρύνσεις σε θρεπτικά στοιχεία για τις μονάδες FWS, HSF, RBC και PBF ήταν 6%, 21%, 40% και 43%, αντίστοιχα για ολικό άζωτο και 21%, 39%, 41% και 42% αντίστοιχα για ολικό φώσφορο. Με τη βοήθεια τεχνικών μοριακής βιολογίας (FISH, real time PCR) βρέθηκε ότι το καθορίζον την ταχύτητα βιολογικής απομάκρυνσης αζώτου στάδιο, είναι η νιτροποίηση, στην περίπτωση των δυο τεχνητών υγροβιοτόπων και η απονιτροποίηση στην περίπτωση των δυο αντιδραστήρων βιοφίλμ. Οι απομακρύνσεις των ολικών κολοβακτηριδίων ήταν χαμηλότερες στον FWS και το PBF (1.3 log ) και υψηλότερες στον HSF και RBC (2.3 και 2.6 log). H μέση απομάκρυνση σε PAHs και LAS ήταν 79.2% και 55.5% για τον υποεπιφανειακής ροής ΤΥ ενώ ήταν 68.2 και 30.0% για τον ελεύθερης επιφάνειας νερού. Οι επιδόσεις στην απομάκρυνση ρύπων και η κινητική σταθερά αποδόμησης πρώτης τάξης kv και για τους PAHs και για τα LAS μειώθηκαν με αυξανόμενη τη θερμοκρασία του νερού. Παραπλήσια απόδοση στην απομάκρυνση ξενοβιοτικών ουσιών της τάξεως του 70% είχε και το σύστημα RBC, ενώ συγκριτικά ελαφρά καλύτερό ήταν το σύστημα PBF με απομακρύνσεις μεγαλύτερες από 85%. Γενικά ο τεχνητός υγροβιότοπος HSF έδειξε ελαφρώς χαμηλότερη ποιότητα εκροής από τα συστήματα RBC και PBF, αλλά το κόστος κατασκευής και οι ενεργειακές απαιτήσεις αυτού του συστήματος είναι χαμηλότερες. Έτσι η τελική απόφαση για πιο είναι το πιο κατάλληλο εναλλακτικό σύστημα επεξεργασίας εξαρτάται από τα κατασκευαστικά λειτουργικά έξοδα τις απαιτήσεις σε έκταση εδάφους και της ποιότητα της εκροής που θέλουμε να επιτύχουμε.