Πειραματική μελέτη απομάκρυνσης ειδικών ρύπων σε πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιοτόπων

Abstract

For the conduction of the current doctoral dissertation eight pilot-scale constructed wetlands of two types (horizontal and vertical flow) operated treating university campus wastewater (Xanthi), wastewater enriched with chromium and agricultural wastewater. In specific, 5 horizontal subsurface flow CWs and 3 vertical flow CWs were used. From the HSF-CWs, three units contained medium gravel (MG-R, MG-C, MG-Z) and the other two contained one fine gravel (FG-R) and one cobbles (CO-R). The three units with medium gravel were planted one with common reeds (MG-R) and one with cattails (MG-C), and one was kept unplanted (MG-Z). The other two units were planted with common reeds (FG-R, CO-R). The stratification of the VF-CWs included (from bottom to top): cobbles, medium gravel, fine gravel and sand. One unit was planted with common reeds (W1), one with cattails (W2), while one was left unplanted (W3). During the operation at HSF-CWs four HRTs were applied (6, 8, 14 and 20 days), while at VF-CWs three loading/resting schedules were applied (2 days of feeding, followed by 4, 6 and 8 days of resting). The doctoral dissertation focused on the following pollutants:1.Common pollutants (Organic matter (BOD5, COD), Nitrogen (NH4-N, NΟ2-N, NΟ3-N, TKN), Phosporus (ΤΡ, ΟΡ), Total suspended solids (TSS), Total coliforms (TC)), 2.Endocrine Disrupting Chemicals ((EDCs) Νonylphenol (NP), NP1EO, NP2EO, Βisphenol A (BPA), Triclosan (TCS)), 3. Fungicide Boscalid, 4.Chromium (total and dissolved)Common Pollutants: The objective of this experimental part was the evaluation of the overall performance of the pilot-scale CWs, both horizontal (MG-R, MG-C, MG-Z) and vertical flow (W1, W2, W3) regarding the removal of these pollutants and the influence of several design and operation conditions such as: temperature and seasonal variation, presence and type of vegetation, feeding strategy (HRT for HSF-Ws and parallel cells for VF-CWs). The results were also compared with those from previous studies that were conducted on the same pilot-scale units and under similar conditions (hydraulic and climatic), where synthetic wastewater was used. The produced results indicated a good overall performance of the pilot-scale CWs. The performance was influenced by the vegetation, temperature (seasonal variation) and the feeding schedule. The planted units produced better results in comparison to the unplanted units, while all the units operated optimally during warmer months. In the HSF-CWs the removals were noted higher in the previous study (syntetic wastewater) regarding organic matter, while for the rest pollutants, the removals were higher in the present study in most cases and especially in the planted untis. In the VF-CWs the overall performance was better in the previous study (synthetic wastewater) in comparison to the present one. Finally, the results of the present study highlighted their long-term sustainable operation but also their high treatment capacity, since they have been in operation many years. Endocrine Disrupting Chemicals: The current experimental part targeted to the investigation of the removal of 5 EDCs present in municipal wastewater with the use of an alternative and environmental friendly technology, the CWs, both HSF (MG-R, MG-C, MG-Z) and VF (W1, W2, W3). The investegated substances were: Bisphenol A (BPA), Nonylphenol (NP), Nonylphenol monoethoxylate (NP1EO), Nonylphenol diethoxylate (NP2EO) and Triclosan (TCS). Results showed that the median removal performance in MG-R was 49.6%, 51.4% and 48.4%, in MG-C was 50.0%, 99.0% and 66.0%, and in MG-Z was 55.4%, 98.9% and 80.3% for BPA, NP1EO and NP2EO, respectively. NP was not removed but its concentration increased by 48.0%, 43.7% and 51.9% in the MG-R, MG-C and MG-Z, respectively. TCS was not detected in influent wastewater. In the VF-CWs, the median removal efficiencies were: 45.6%, -12.5%, 41.5% and 72.2% in W1, 60.0%, 96.2%, 99.0% and 99.8% in W2, and 59.0%, 95.6%, 98.7% and 99.8% in W3 for BPA, NP, NP1EO, NP2EO, respectively. The study indicates that the main removal pathways of the target EDCs is their biodegradation under aerobic or/and anaerobic conditions and adsorption onto the organic matter retained in the substrate.Fungicide Boscalid: The specific part focused on the investigation of the HSF-CWs (FG-R, CO-R) performance regarding the treatment of agricultural equipment rinsing water containing boscalid (point-source pollution). The results showed that the removal in both systems ranged from 49 to 100%. Mean removal rates were 76.3% and 72.4% in units. Results indicated thet HSF CWs are efficient systems in treating boscalid-polluted water.Chromium: This part included the investigation of chromium removal with the use of HSF-CWs (MG-C, MG-Z) and VF-CWs (W2, W3) and the chromium fate-distribution within a wetland environment. Apart from the continuous experiment (parallel operation and monitoring of pilot-scale CWs), batch experiments (kinetics and isotherm) were conducted in order to investigate the chromium adsorption capacity of the substrate material. According to the findings, HSF-CWs demonstrated higher removal capacities in comparison to VF-CWs, while in both types the planted units indicated better performance compared to the unplanted ones. The distribution of chromium in the various wetland compartments (substrate, plant, pore water) and annual mass balance calculation highlighted the exceptional contribution of substrate to chromium retention, while Cr accumulation in plant was not so high. Finally, experimental data fitted better to the pseudo-second-order and Langmuir models regarding kinetics and isotherm simulation.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής χρησιμοποιήθηκαν πιλοτικά συστήματα τεχνητών υγροβιότοπων οριζόντιας υπόγειας ροής (ΤΥΟΥΡ) και κατακόρυφης ροής (ΤΥΚΡ) για την επεξεργασία λύματος των φοιτητικών εστιών Ξάνθης, λύματος εμπλουτισμένο με χρώμιο, καθώς και νερού εμπλουτισμένου με φυτοφάρμακο. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν 5 πιλοτικές μονάδες οριζόντιας υπόγειας ροής και 3 πιλοτικές μονάδες κατακόρυφης ροής. Από τις πιλοτικές μονάδες ΤΥΟΥΡ τρεις περιείχαν μέσο χαλίκι (MG-R, MG-C, MG-Z), μια περιείχε λεπτό χαλίκι (FG-R) και μια κροκάλες (CO-R). Από τις τρεις πιλοτικές μονάδες, που περιείχαν μέσο χαλίκι, η μία ήταν φυτεμένη με καλάμι (MG-R), η άλλη με ψαθί (MG-C) και η τρίτη ήταν αφύτευτη (MG-Z). Οι άλλες δύο πιλοτικές μονάδες ήταν φυτεμένες με καλάμι (FG-R, CO-R). Το πληρωτικό υλικό των μονάδων ΤΥΚΡ ήταν σε τέσσερες στρώσεις και αποτελούνταν, από τον πυθμένα προς την επιφάνεια, από: κροκάλα, μέσο χαλίκι, λεπτό χαλίκι και άμμο. Μία μονάδα ήταν φυτεμένη με κοινό καλάμι (W1), μία με ψαθί (W2), ενώ η τρίτη ήταν αφύτευτη (W3). Στους ΤΥΟΥΡ εφαρμόστηκαν τέσσερις υδραυλικοί χρόνοι παραμονής (6, 8, 14 και 20 ημέρες). Στους ΤΥΚΡ εφαρμόστηκαν τρεις διαφορετικές στρατηγικές τροφοδοσίας του αποβλήτου: 2 ημέρες φορτίσεων ακολουθούμενες από 4, 6 και 8 ημέρες ανάπαυσης, αντίστοιχα. Η διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη των εξής ρύπων: Κοινοί ρύποι (Οργανική ύλη (BOD5, COD), Άζωτο (NH4-N, NΟ2-N, NΟ3-N, TKN), Φώσφορος (ΤΡ, ΟΡ), Αιωρούμενα στερεά (TSS),Ολικά κολοβακτηριοειδή (TC)), Ενδοκρινικοί Διαταράκτες ((EDCs), Νonylphenol (NP) και τα αιθοξυλιωμένα παράγωγά της: NP1EO, NP2EO, Βisphenol A (BPA), Τriclosan (TCS)), Μυκητοκτόνο Boscalid, Χρώμιο (ολικό και διαλυμένο)Κοινοί ρύποι: Στόχος ήταν η αξιολόγηση της ολικής απόδοσης των πιλοτικών μονάδων ΤΥΟΥΡ (MG-R, MG-C, MG-Z) και ΤΥΚΡ (W1, W2, W3) στην απομάκρυνση των ρύπων αυτών και η επίδραση διαφόρων λειτουργικών και σχεδιαστικών παραμέτρων όπως είναι: η θερμοκρασία και η εποχιακή διακύμανση, η παρουσία και το είδος της βλάστησης, το καθεστώς τροφοδοσίας (HRT για τους ΤΥΟΥΡ και παράλληλα κελιά για τους ΤΥΚΡ). Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν επίσης με τα αποτελέσματα από προηγούμενες διατριβές οι οποίες διεξήχθησαν στα ίδια πιλοτικά συστήματα και κάτω από παρόμοιες λειτουργικές συνθήκες αλλά αντί για φυσικό λύμα χρησιμοποιήθηκε συνθετικό λύμα. Τα αποτελέσματα απέδειξαν την καλή συνολική απόδοση των συστημάτων αυτών. Η απόδοση των πιλοτικών μονάδων επηρεάζεται από την βλάστηση, τη θερμοκρασία (εποχιακή διακύμανση) και από το καθεστώς τροφοδοσίας. Πιο συγκεκριμένα, οι φυτεμένες μονάδες εμφάνισαν καλύτερα αποτελέσματα σε σύγκριση με την αφύτευτη, ενώ τα συστήματα έδειχναν να λειτουργούν καλύτερα τους πιο θερμούς μήνες. Στα συστήματα ΤΥΟΥΡ τα ποσοστά απομάκρυνσης ήταν υψηλότερα στην προηγούμενη διατριβή (συνθετικό λύμα) όσον αφορά την οργανική ύλη, ενώ όσον αφορά τους υπόλοιπους ρύπους, τα ποσοστά ήταν υψηλότερα στην παρούσα μελέτη στις περισσότερες περιπτώσεις και κυρίως στις φυτεμένες μονάδες. Στα συστήματα ΤΥΚΡ τα ποσοστά απομάκρυνσης ήταν καλύτερα στην προηγούμενη διατριβή (συνθετικό λύμα) σε σύγκριση με την παρούσα μελέτη. Τέλος, τα αποτελέσματα υπογράμμισαν την μακροπρόθεσμη και αποτελεσματική λειτουργία των συστημάτων αυτών, καθώς έχουν κατασκευαστεί και βρίσκονται σε λειτουργία πολλά χρόνια.Ενδοκρινικοί Διαταράκτες (EDCs): Στόχος του συγκεκριμένου τμήματος της διατριβής ήταν η διερεύνηση της απομάκρυνσης των EDCs από αστικά λύματα με μια εναλλακτική και φιλοπεριβαλλοντική τεχνολογία, τους ΤΥΟΥΡ (MG-R, MG-C, MGZ) και τους ΤΥΚΡ (W1, W2, W3). Οι ενώσεις που διερευνήθηκαν ήταν: Bisphenol A (BPA), Nonylphenol (NP), Nonylphenol monoethoxylate (NP1EO), Nonylphenol diethoxylate (NP2EO) και Triclosan (TCS). Στα συστήματα ΤΥΟΥΡ, τα αποτελέσματα έδειξαν μέσες απομακρύνσεις 49,6%, 51,4% και 48,4% στην MG-R, 50,0%, 99,0% και 66,0% στην MG-C και 55,4%, 98,9% και 80,3% στην MG-Z για τις BPA, NP1EO and NP2EO, αντίστοιχα. Η ένωση NP δεν έδειξε να απομακρύνεται αλλά αντιθέτως η συγκέντρωσή της αυξήθηκε κατά 48,0%, 43,7% και 51,9% στις μονάδες MG-R, MG-C και MG-Z, αντίστοιχα. Η ένωση TCS δεν ανιχνεύθηκε στο εισερχόμενο λύμα. Στα συστήματα ΤΥΚΡ οι μέσες απομακρύνσεις ήταν 45,6%, -12,5%, 41,5% και 72,2% στην W1, 60,0%, 96,2%, 99,0% και 99,8% στην W2, και 59,0%, 95,6%, 98,7% και 99,8% στην W3 για τις BPA, NP, NP1EO, NP2EO, αντίστοιχα. Η μελέτη έδειξε ότι οι κύριοι μηχανισμοί απομάκρυνσης των EDCs είναι η βιοαποδόμηση κάτω από αερόβιες ή/και αναερόβιες συνθήκες και η προσρόφηση στην οργανική ύλη που συσωρεύτηκε στο πληρωτικό υλικό.Μυκητοκτόνο Boscalid: Στόχος του συγκεκριμένου μέρους της διατριβής ήταν η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας των πιλοτικών συστημάτων ΤΥΟΥΡ (FG-R, CO-R) όσον αφορά την επεξεργασία επιρρυπασμένων με boscalid νερών, τα οποία προέρχονται από το ξέπλυμα αγροτικών ψεκαστικών μηχανημάτων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η απομάκρυνσή του κυμάνθηκε από 49 - 100%. Οι μέσες τιμές απομάκρυνσης ήταν 76,3 % και 72,4 % στις πιλοτικές μονάδες FG-R και CO-R, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, τα συστήματα ΤΥΟΥΡ φαίνονται αποτελεσματικά στην επεξεργασία ρυπασμένων νερών με το συγκεκριμένο μυκητοκτόνο (boscalid). Χρώμιο: Στο συγκεκριμένο σκέλος στόχος ήταν η διερεύνηση της απομάκρυνσης χρωμίου (ολικού και διαλυμένου) με την χρήση ΤΥΟΥΡ (MG-C, MG-Z) και TYΚΡ (W2, W3) καθώς και η πορεία και κατανομή του μέσα στο περιβάλλον του υγροβιότοπου. Εκτός από συνεχή παράλληλα πειράματα εκτελέστηκαν και batch πειράματα (κινητική και ισόθερμες προσρόφησης) για να διερευνηθεί η προσροφητική ικανότητα του υλικού πλήρωσης. Τα συστήματα ΤΥΟΥΡ εμφάνισαν καλύτερη απόδοση στην απομάκρυνση του χρωμίου σε σύγκριση με τα συστήματα ΤΥΚΡ, ενώ και στους δύο τύπους οι φυτεμένες μονάδες επέδειξαν καλύτερη απόδοση σε σχέση με τις αφύτευτες μονάδες. Η κατανομή του χρωμίου στα διάφορα μέρη του ΤΥ (πληρωτικό υλικό, φυτό, νερό πόρων) καθώς και το ισοζύγιο μάζας τόνισε την μεγάλη συμβολή του υποστρώματος στην κατακράτηση του χρωμίου, ενώ η συσσώρευσή του στο φυτό δεν ήταν τόσο υψηλή. Τέλος, τα πειραματικά αποτελέσματα ανταποκρίθηκαν καλύτερα στα μοντέλα ψευδο-πρώτης τάξης (κινητική προσρόφησης) και Langmuir (ισόθερμες προσρόφησης).