Πειραματική μελέτη τεχνητών υγροβιοτόπων επιφανειακής ροής με χρήση πιλοτικών μονάδων
Authors: Κώττη Ειρήνη 
Published: August 2021

Προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση των λειτουργικών και σχεδιαστικών παραμέτρων (θερμοκρασία, χρόνος παραμονής, είδος φυτού και πληρωτικού υλικού και σχήμα κάτοψης) τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής στην αφαίρεση ρύπων (οργανικής ύλης, αζώτου και φωσφόρου), 5 πιλοτικές μονάδες τεχνητών υγροβιότοπων επιφανειακής ροής κατασκευάστηκαν και λειτούργησαν από τον Δεκέμβριο του 2004 έως τον Μάρτιο του 2007 σε παράλληλα πειράματα. Τέσσερις από τις μονάδες (A, B, C, D) ήταν ορθογωνικής κάτοψης μήκους 3.40 m και πλάτους 0.85 m και περιείχαν πληρωτικό υλικό πάχους 0.45 m. Η πέμπτη μονάδα (Ε) ήταν τραπεζοειδούς κάτοψης με πλάτος εισόδου 1.15 m και πλάτος εξόδου 0.55 m, ενώ το μήκος της και το πάχος του πληρωτικού υλικού ήταν τα ίδια με τις προηγούμενες. Όλες οι μονάδες ήταν φυτεμένες. Το βάθος νερού διατηρούταν περίπου στα 10 cm. Τέσσερις μονάδες (B, C, D, Ε) περιείχαν άργιλο, ενώ η μία (Α) περιείχε άμμο. Η μονάδα A φυτεύτηκε με ψαθί. Οι άλλες τέσσερις που περιείχαν άργιλο φυτεύτηκαν ως ακολούθως: δύο με ψαθί (B, Ε), μία με κοινό καλάμι (C) και μια με χονδρό καλάμι (D). Έτσι, με την αλλαγή μόνο μιας σχεδιαστικής παραμέτρου μεταξύ δύο ή τριών μονάδων, μπορούσε να ορισθεί η επίδραση του πληρωτικού υλικού (σύγκριση των μονάδων Α και Β), του σχήματος της κάτοψης (σύγκριση των μονάδων Β και Ε) και του φυτού (σύγκριση των μονάδων Β, C και D) στην απομάκρυνση των ρύπων. Χρησιμοποιήθηκε συνθετικό λύμα. Κατά την περίοδο λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις χρόνοι παραμονής: 6, 8, 14 και 20 ημέρες, ενώ η θερμοκρασία του λύματος κυμάνθηκε από 0.0 έως 29.1°C. Η απόδοση σε αφαίρεση ρύπων των τεχνητών υγροβιότοπων ήταν ικανοποιητική, αφού έφθασε κατά μέσο όρο το 77.5%, 67.9%, 60.4%, 53.9, 56.0% και 51.7% για BOD₅, COD, ΤΚΝ, αμμωνία (ΝΗ₄-Ν), ορθοφωσφορικά (ΡO₄-Ρ) και ολικό φώσφορο (TP), αντίστοιχα. Οι αποδόσεις των BOD5 και φωσφόρου έδειξαν θερμοκρασιακή εξάρτηση για τις περισσότερες μονάδες. Ένας υδραυλικός χρόνος παραμονής 14 ημερών βρέθηκε να είναι επαρκής για ικανοποιητική απομάκρυνση οργανικού φορτίου, αζώτου και φωσφόρου για τις περισσότερες θερμοκρασίες, ενώ για χαμηλές θερμοκρασίες προτείνεται ένας υδραυλικός χρόνος παραμονής 20 ημερών για ικανοποιητική απομάκρυνση του BODs και των ΡO₄-Ρ. Η μονάδα τραπεζοειδούς κάτοψης έδωσε τις καλύτερες αποδόσεις, με μέσες απομακρύνσεις 80.1%, 73.5%, 70.4%, 68.6%, 64.7% και 63.5% για BOD₅, COD, ΤΚΝ, ΝΗ₄-Ν, ΡO₄-Ρ και TP, αντίστοιχα. Το ψαθί βρέθηκε να είναι στατιστικά σημαντικά αποδοτικότερο από τα άλλα δύο φυτά στην απομάκρυνση του COD και των ΡO₄-Ρ. Η μονάδα που περιείχε άργιλο βρέθηκε να είναι στατιστικά σημαντικά αποδοτικότερη στην αφαίρεση φωσφόρου σε σχέση με τη μονάδα που περιείχε άμμο. Σύγκριση με μονάδες ΤΥ οριζόντιας υπόγειας ροής που λειτούργησαν δίπλα στις μονάδες επιφανειακής ροής έδειξε ότι οι πρώτες είναι αποδοτικότερες από αυτές της επιφανειακής ροής στην αφαίρεση των περισσοτέρων ρύπων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε ανάλυση σημαντικών παραμέτρων (PCA) στα πειραματικά δεδομένα. Από τα αποτελέσματα της PCA παρατηρήθηκε ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν κυρίως την απόδοση αφαίρεσης του οργανικού φορτίου είναι ο υδραυλικός χρόνος παραμονής και η θερμοκρασία, του αζώτου ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, η θερμοκρασία και το σχήμα, ενώ του φωσφόρου ο υδραυλικός χρόνος παραμονής, η θερμοκρασία, το σχήμα και το υλικό. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν τέσσερις πολυπαραμετρικές εξισώσεις με πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση για την πρόβλεψη αφαίρεσης BOD₅, COD, ΤΚΝ, TP. Τέλος, προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερος συντελεστής R₂, καταφύγαμε στην ασαφή λογική και στην ανάπτυξη τεσσάρων μοντέλων για την πρόβλεψη απόδοσης BOD₅, COD, ΤΚΝ, TP. Τα μοντέλα αυτά είχαν πολύ ικανοποιητική απόκριση.