Ανάλυση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και μεταφοράς και αποδόμησης ρύπων σε πορώδη μέσα: εφαρμογή σε τεχνητούς υγροβιότοπους οριζόντιας υπόγειας ροής

Abstract

This doctoral dissertation presents an analysis of the operation of HorizontalSubsurface Flow Constructed Wetlands (HSF CWs), regarding their hydraulic propertiesand the degradation of pollutants. For this purpose, models are developed and calibratedusing long-time experimental results in pilot-scale units, operating in the Laboratory ofEcological Engineering and Technology (L.E.E.T.), Department of EnvironmentalEngineering. Emphasis is given to the influence of climatic factors (rainfall andevapotranspiration), on HSF CWs operating under Mediterranean conditions.First, the general problem of wastewater transport and removal of pollutants inporous media is analyzed. The mathematical formulation of the problem results to a systemof partial differential equations and appropriate boundary and initial conditions. Next, thenumerical solution of flow and transport is investigated. Then, an application to pilot-scaleHSF CW units is made. The technology of Constructed Wetlands (CW) and theirusefulness and advantages are analyzed. The parameters that affect their performance areinvestigated.Particular emphasis is given to the numerical simulation of the removal ofpollutants, and especially to the selection of the appropriate type for the biogeochemicalreactions. The estimation of the optimal values for relevant removal coefficients isobtained. Concerning the application of CW in Mediterranean countries, the influence ofclimatic parameters (rainfall and evapotranspiration) on performance of HSF CWs is also quantified. Especially for evapotranspiration, it has been found that this phenomenon has asignificant effect on the performance of HSF CWs operating under Mediterraneanconditions. This effect, as the literature search has shown, has not been investigated to alarge extent internationally.For the estimation of appropriate values for the removal coefficients, experimentaldata from pilot-scale HSF CWs units are analyzed and simulated. These data werecollected after two-years experiments in five pilot-scale rectangular HSF CWs, operatingin the L.E.E.T. The dimensions of each tank were 3 m long, 0.75 m wide and 1 m deep.The thickness of the porous material was 0.45 m.The above experimental data were analyzed and simulated using the MODFLOWfamily computer code, which is one of the most advanced and well-known softwarepackages for the simulation of groundwater flow. MODFLOW was combined withMT3DMS and RT3D packages, in order to simulate the transport and removal ofpollutants, either individual or interacting with each other.The main original results of this research are, among others: The estimation ofappropriate values of the removal coefficients, either for a no-adsorbing pollutant(Biochemical Oxygen Demand - BOD) or for an adsorbing llutant (Total Phosphorus-TP). The quantification of the effect of climatic phenomena (rainfall andevapotranspiration) on the behavior and performance of HSF CWs is also simulated. Asshown, these phenomena have a significant impact on the performance of these facilities:Rainfall dilutes the wastewater and reduces the outlet concentration, whereasevapotranspiration condenses the wastewater and increases the outlet concentration.Especially the study of evapotranspiration was very significant, because it is an importantphenomenon during the hot summer weeks under Mediterranean conditions, which canresult into the temporary interruption of the HSF CWs operation. Furthermore, in order toinvestigate a possible performance improvement, alternative feeding techniques(recirculation, step-feeding) have been analyzed. In all cases, the comparison of thenumerical results to existing experimental data was very satisfactory.In conclusion, this doctoral dissertation provides a useful tool for the realisticsimulation of the operation of HSF CWs and for their optimal design. Especially the resultsof the study concerning the effects of rainfall and evapotranspiration, enable the predictionof the behavior of HSF CWs operating under Mediterranean conditions.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή γίνεται μια ανάλυση της λειτουργίας τωνΤεχνητών Υγροβιότοπων Οριζόντιας Υπόγειας Ροής (Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ.) ως προς τις υδραυλικέςτους ιδιότητες και την αποδόμηση των ρύπων. Σχετικά προτείνεται η ανάπτυξη μοντέλωντα οποία βαθμονομούνται με πολυετή χρονοσειρά μετρήσεων του ΕργαστηρίουΟικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας (Ε.Ο.Μ.Τ.) σε πιλοτικές μονάδες. Δίνεταιέμφαση στη μελέτη της επίδρασης των κλιματικών παραγόντων (εξατμισοδιαπνοή καιβροχόπτωση) σε Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. που λειτουργούν υπό Μεσογειακές συνθήκες.Αρχικά γίνεται μια τοποθέτηση και ανάλυση του προβλήματος της μεταφοράς καιαποδόμησης ρύπων σε πορώδη μέσα. Διατυπώνεται μαθηματικά το πρόβλημα σανσύστημα διαφορικών εξισώσεων με μερικές παραγώγους και αναλύεται η αριθμητική τουεπίλυση. Στη συνέχεια γίνεται εφαρμογή σε Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. Περιγράφεται συνοπτικά ητεχνική των Τεχνητών Υγροβιότοπων (Τ.Υ.) και των παραμέτρων που επηρεάζουν τηναπόδοση τους και αναλύεται η χρησιμότητα και τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής τουςστην Ελλάδα.Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αριθμητική προσομοίωση της αποδόμησης τωνρύπων, και ειδικότερα στην επιλογή του κατάλληλου τύπου βιογεωχημικών αντιδράσεων και στην εκτίμηση του βέλτιστου εύρους τιμών για τους συντελεστές αποδόμησης. Επίσης,εξετάζεται η επίδραση που έχουν οι κλιματικές παράμετροι στην απόδοση τωνΤ.Υ.Ο.Υ.Ρ., και συγκεκριμένα η βροχόπτωση και η εξατμισοδιαπνοή. Ιδιαίτερα για την εξατμισοδιαπνοή, έχει διαπιστωθεί ότι έχει σημαντική επίδραση στην λειτουργία τωνΤ.Υ.Ο.Υ.Ρ. υπό Μεσογειακές συνθήκες, κάτι που όπως προέκυψε από την αναζήτηση τηςβιβλιογραφίας δεν έχει διερευνηθεί σε μεγάλο βαθμό διεθνώς.Για την εκτίμηση των παραμέτρων αποδόμησης γίνεται ανάλυση των διαθέσιμωνπειραματικών δεδομένων για πιλοτικούς Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ., από προηγούμενη ΔιδακτορικήΔιατριβή που πραγματοποιήθηκε στο Ε.Ο.Μ.Τ. Τα δεδομένα αυτά αφορούν πειράματαδιάρκειας πάνω από δύο χρόνια σε πέντε πιλοτικές ορθογωνικές δεξαμενές Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ., μεδιαστάσεις 3 m μήκος, 0.75 m πλάτος και 1 m βάθος. Το πάχος του εκάστοτε πληρωτικούυλικού ήταν 0.45 m.Στην παρούσα Διατριβή τα πειραματικά δεδομένα αναλύθηκαν καιπροσομοιώθηκαν με τη χρήση του υπολογιστικού κώδικα MODFLOW, που είναι ένα απότα πλέον κατάλληλα πακέτα λογισμικού για προσομοίωση υπόγειας ροής. Το MODFLOWσυνδυάστηκε με τα πακέτα MT3DMS και RT3D για την προσομοίωση της μεταφοράς καιτης αποδόμησης ρύπων, τόσο των μεμονωμένων όσο και αυτών που αλληλεπιδρούνμεταξύ τους.Τα κύρια σημεία της πρωτοτυπίας της έρευνας είναι, μεταξύ άλλων, ότι εκτιμήθηκαν οι συντελεστές αποδόμησης, αφενός ενός μη προσροφούμενου ρύπου (τουΒιοχημικά Απαιτούμενου Οξυγόνου - BOD) και αφετέρου ενός προσροφούμενου ρύπου(του Ολικού Φωσφόρου - TP). Επίσης, προσομοιώθηκε η ποσοτική επίδραση κλιματικώνφαινομένων (βροχόπτωση και εξατμισοδιαπνοή) στη λειτουργία και στην απόδοση τωνΤ.Υ.Ο.Υ.Ρ. Τα φαινόμενα αυτά αποδείχθηκε ότι επιδρούν σημαντικά στην απόδοση τηςεγκατάστασης, καθώς η βροχόπτωση αραιώνει το λύμα και μειώνει την εξερχόμενησυγκέντρωση, ενώ αντιθέτως η εξατμισοδιαπνοή συμπυκνώνει το λύμα και αυξάνει τηνεξερχόμενη συγκέντρωση. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασε η μελέτη τηςεξατμισοδιαπνοής, που είναι ένα σημαντικό φαινόμενο κατά τους θερινούς μήνες στομεσογειακό κλίμα και μπορεί να προκαλέσει την προσωρινή διακοπή της εκροής τουλύματος από τους Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. Επιπλέον, για να διερευνηθεί η ενδεχόμενη βελτίωση τηςαπόδοσης των Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. σε απομάκρυνση ρύπων, αναλύθηκαν εναλλακτικές τεχνικέςτροφοδότησης του λύματος (επανακυκλοφορία, τμηματική τροφοδοσία). Σε όλες τιςπεριπτώσεις έγινε σύγκριση των αριθμητικών αποτελεσμάτων με τα υφιστάμεναπειραματικά δεδομένα, με πολύ ικανοποιητική σύγκλιση.Τα κύρια αποτελέσματα της Διατριβής είναι ότι προσφέρει ένα εργαλείο αφενός για τη ρεαλιστική προσομοίωση της λειτουργίας και αφετέρου για τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων της μελέτης σχεδιασμού των Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. Επιπλέον, με τη μελέτη τωνφαινομένων της βροχόπτωσης και εξατμισοδιαπνοής, είναι δυνατή η πρόβλεψη τηςσυμπεριφοράς των Τ.Υ.Ο.Υ.Ρ. υπό Μεσογειακές συνθήκες.