Study on the performance of constructed wetlands planted with ornamental plants for on-site greywater treatment in urban areas
Authors: Στεφανάτου Αιμιλία 
Published: January 2024

Η αστικοποίηση, η αύξηση του πληθυσμού και η κλιματική αλλαγή, συμβάλουν στην αύξηση των προβλημάτων λειψυδρίας. Η αναζήτηση εναλλακτικών πηγών νερού για μη πόσιμη χρήση, όπως είναι τα γκρι νερά, αποτελεί μονόδρομο. Ανάμεσα στα διάφορα είδη συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των γκρι νερών, οι λύσεις βασισμένες στη φύση και πιο συγκεκριμένα, οι τεχνητοί υγρότοποι, παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον λόγω της χαμηλής απαίτησης σε ενέργεια και συντήρηση. Μεταξύ αυτών, οι τεχνητοί υγρότοποι κάθετης ροής που ανήκουν στη κατηγορία των υποεπιφανειακών τεχνητών υγροτόπων, χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό λόγω της υψηλότερης παροχής οξυγόνου που συμβάλλει στο καλύτερο βαθμό βιοαποδόμησης και νιτροποίησης. Επιπλέον, οι επιπλέοντες τεχνητοί υγρότοποι που ανήκουν στη κατηγορία των τεχνητών υγροτόπων ελεύθερης επιφάνειας, έχουν κάνει την εμφάνιση τους τα τελευταία 20 χρόνια και προσελκύουν το ενδιαφέρον, λόγω του χαρακτηρισμού τους ως μια οικονομική μέθοδο καθαρισμού των υδάτων, ειδικότερα σε ευτροφικές λίμνες. Ανάμεσα στα χαρακτηριστικά που συμβάλλουν στη σωστή λειτουργία των τεχνητών υγροτόπων είναι τα υποστρώματα και η βλάστηση. Όσον αφορά την επιλογή υποστρώματος, στους κάθετης ροής τεχνητούς υγροτόπους, η άμμος και το χαλίκι είναι τα πιο συχνά υλικά που επιλέγονται λόγω της διαθεσιμότητάς και του χαμηλού τους κόστους. Μεγάλο είναι το εύρος των υλικών των νησίδων στους επιπλέοντες τεχνητούς υγροτόπους, η επιλογή των οποίων καθορίζει τη διάρκεια και αποτελεσματικότητα των συστημάτων, καθώς και την ενίσχυση της καθίζησης. Τα φυτικά είδη που συνήθως επιλέγονται στους τεχνητούς υγροτόπους είναι είδη τους γένους Phragmites, Scirpus, Typha, Schoenoplectus, Carex καιJuncus, που συναντώνται και σε φυσικούς υγροτόπους. Ωστόσο τα τελευταία 20 χρόνια, τα καλλωπιστικά φυτά έχουν αρχίσει να κάνουν την εμφάνισή τους στους τεχνητούς υγροτόπους, καθώς συμβάλλουν με τον ίδιο τρόπο στην επίδοση των τεχνητών υγροτόπων, όπως και τα προαναφερθέντα φυτά. Επίσης, τα άνθη τους ενισχύουν την αισθητική αξία των συστημάτων και ταυτόχρονα αυξάνουν την κοινωνική αποδοχή τους. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν: α) να αξιολογήσει την απόδοση τεχνητών υγροτόπων κάθετης ροής φυτεμένων με καλλωπιστικά και αναρριχώμενα φυτά για την επεξεργασία γκρι νερών, εστιάζοντας στο ρόλο του υποστρώματος και του είδους βλάστησης, β) να εκτιμήσει την επίδοση των επιπλεόντων τεχνητών υγροτόπων με καλλωπιστικά φυτά στην επεξεργασία γκρι νερών, εστιάζοντας στο ρόλο του τύπου της νησίδας και του είδους της βλάστησης, γ) η εκτίμηση του επιπέδου απομάκρυνσης ρύπων και μικρορύπων από τεχνητούς υγροτόπους κάθετης ροής κατά την επεξεργασία γκρι νερών από πλυντήρια ρούχων, δ) η εκτίμηση του επιπέδου απομάκρυνσης μικροϊνών από τεχνητό υγρότοπο κάθετηςροής κατά την επεξεργασία γκρι νερών από πλυντήρια ρούχων. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, ερευνήθηκε η χρήση αναρριχώμενων και μη,καλλωπιστικών φυτών για την επεξεργασία γκρι νερών με τη χρήση τεχνητών υγροτόπων κάθετης ροής. Αξιολογήθηκαν διάφορες σχεδιαστικές παράμετροι όπως είδος υποστρωμάτος (άμμος ή βερμικουλίτης), παρουσία ή απουσία ζώνης κορεσμούκαι είδος φυτού (Trachelospermumjasminoides, Lonicerajaponica, Callistemonlaevis) για την εύρεση της βέλτιστης επίδοσης των συστημάτων ως προς την απομάκρυνση των εξετασθέντων ρύπων. Από τα αποτελέσματα, προέκυψε ότι όσον αφορά τα υποστρώματα, τα συστήματα με άμμο με ή χωρίς ζώνη κορεσμού, παρουσίασαν στατιστικά σημαντικά υψηλότερα ποσοστά απομάκρυνσης ως προς τη θολότητα (94 ± 5 %) και το COD(96 ± 7 %), συγκριτικά με τα συστήματα με το βερμικουλίτη (Θολότητα: 54 ± 23 %; COD: 73 ± 29 %). Επιπλέον, λίγο υψηλότερες ήταν οιαπομακρύνσεις των ρύπων στα συστήματα με φυτά συγκριτικά με αυτά χωρίς. Όλα ταυπό εξέταση φυτά, επιβίωσαν και αναπτύχθηκαν στους τεχνητούς υγροτόπους, λαμβάνοντας έως 204 mm γκρι νερού την ημέρα. Ωστόσο παρατηρήθηκε ότι τα φυτά L. japonicaκαιC. laevis προσαρμόστηκαν καλύτερα στους τεχνητούς υγροτόπους συγκριτικά με το φυτό T. jasminoides. Συνολικά, ηχρήση αναρριχώμενων και μη, καλλωπιστικών φυτών σε τεχνητούς υγροτόπους κάθετης ροής σε κτήρια για την επεξεργασία γκρι νερών, αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη επιλογή για την αναβάθμιση της αισθητικής αξίας των συστημάτων αυτών και την ενίσχυση της κοινωνικής τους αποδοχής. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, ερευνήθηκε η επίδοση και η πιθανότητα έμφραξης των προαναφερθέντων τεχνητών υγροτόπων κάθετης ροής, έπειτα από δύο χρόνια λειτουργίας τους σε πιλοτικό επίπεδο. Έγινε αξιολόγηση της παρουσίας διαφορετικών ειδών υποστρώματος (άμμος, βερμικουλίτης) καθώς και φυτικών ειδών (Trachelospermumjasminoides, Lonicerajaponica, Callistemonlaevis) για το προσδιορισμό του βέλτιστου βαθμού απομάκρυνσης των εξετασθέντων ρύπων. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι, κατά τη διάρκεια του δεύτερου χρόνου λειτουργίας τωνσυστημάτων, σημειώθηκαν στατιστικά σημαντικά υψηλότερες ποσοστιαίες απομακρύνσεις ως προς τη θολότητα και το COD (1ος χρόνος: 54–94 %; 71–89 %, 2ος χρόνος: 82–98 %; 86–95 %, αντίστοιχα) και για τα δύο υπό εξέταση υποστρώματα, συγκριτικά με τη πρώτη χρονιά. Επιπλέον, προέκυψε ότι τα συστήματα με άμμο όλωντων υπό εξέταση φυτικών ειδών καθώς και αυτού χωρίς, ήταν στατιστικά σημαντικά πιο αποτελεσματικά στην απομάκρυνση της πλειονότητας των υπό εξέταση ρύπων (θολότητα, TSS, COD, ανιονικές τασιενεργές ουσίες, παθογόνοι μικροοργανισμοί), συγκριτικά με τα συστήματα με βερμικουλίτη. Τα συστήματα με άμμο, ήταν αποτελεσματικά στην απομάκρυνση των ολικών κολοβακτηριδίων (μείωση 5 δεκαδικών λογάριθμων) καθώς και στο Escherichiacoli (μείωση 4 δεκαδικών λογάριθμων). Στο τέλος της λειτουργίας των συστημάτων, όλα τα συστήματα με φυτά και άμμο είχαν στατιστικά σημαντικά υψηλότερη υδραυλική αγωγιμότητα συγκριτικά με τα συστήματα χωρίς φυτά και άμμο. Όσον αφορά την εξατμισοδιαπνοή, αν καισημειώθηκαν υψηλότερες τιμές στα συστήματα με φυτά, τα συστήματα με το φυτό C. laevis είχαν τις χαμηλότερες τιμές συγκριτικά με τα υπόλοιπα φυτικά είδη. Τα φυτά κατάφεραν να συνεχίσουν να αναπτύσσονται σε αυτά τα συστήματα καθ’ όλη τη διάρκεια λειτουργίας τους, χωρίς να εμφανίσουν ενδείξεις στρες. Επομένως, ηεφαρμογή αναρριχώμενων και μη, καλλωπιστικών φυτών σε τεχνητούς υγροτόπους κάθετης ροής σε κτήρια για την επεξεργασία γκρι νερών, αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για την ανάπτυξη πράσινων υποδομών σε αστικές περιοχές και την ενίσχυση της επίδοσής τους στην απομάκρυνση ρύπων. Στο τρίτο μέρος της διατριβής, ερευνήθηκε η χρήση διαφόρων ειδών καλλωπιστικών φυτών (μονοκαλλιέργειες: Cannasp., Irissp., πολυκαλλιέργεια: Irisorientalis, Cyperussp., Acorusgramineus), τα οποία αναπτύχθηκαν σε δύο διαφορετικά είδη επιπλεόντων νησίδων (επιπλέουσα νησίδα με μέσω στήριξης, επιπλέουσα νησίδα από πλαστικό πλέγμα), για την επεξεργασία γκρι νερών. Από τα αποτελέσματα, προέκυψε ότι τα συστήματα με φυτά που αναπτύσσονταν στη νησίδα με μέσω στήριξης, παρουσίασαν στατιστικά σημαντικά υψηλότερες απομακρύνσεις (έως 90%) ρύπων, συγκριτικά με τα φυτά που αναπτύχθηκαν στα πλαστικά πλέγματα (έως 80%). Επιπλέον, στατιστικά σημαντικά υψηλότερες ήταν οι απομακρύνσεις των συστημάτων με φυτά (συστήματα με νησίδα με μέσω στήριξης: θολότητα: 82 – 90 %;COD: 74 – 84 %; BOD5: 76 – 85 %,συστήματα με πλαστικό πλέγμα: θολότητα: 64 – 78 %;COD: 43 – 75 %;74 – 84 %) συγκριτικά με το σύστημα χωρίς (θολότητα: 44%;COD: 32 %; BOD5: 51 %) όσον αφορά τις παραμέτρους της θολότητας, του COD και του BOD5. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας των συστημάτων (7 μήνες), όλα τα φυτά επιβίωσαν και άντεξαν τις καιρικές διακυμάνσεις. Τα φυτά που χαρακτηρίστηκαν ως πιο καλά προσαρμοσμένα, όπως προέκυψε από το δείκτη μέγιστης αποτελεσματικότητας του φωτοσυστήματος ΙΙ όσο και το δείκτη περιεχόμενης χλωροφύλλης, ήταν τα φυτά της πολυκαλλιέργειας (Irisorientalis, Acorusgramineus, Cyperussp.) ακολουθούμενα απότα φυτά Irissp., που αναπτύχθηκαν στα πλαστικά πλέγματα. Επιπλέον προέκυψε, ότι όλα τα φυτά που αναπτύχθηκαν στα συστήματα με τη νησίδα με μέσο στήριξης ήταν καλά προσαρμοσμένα. Συνολικά, η χρήση επιπλεόντων τεχνητών υγροτόπων με καλλωπιστικά φυτά για την επεξεργασία γκρι νερών σε αστικές περιοχές, αποτελεί μια αειφορική και αποτελεσματική προσέγγιση. Στο τέταρτο μέρος της διατριβής, ερευνήθηκε το επίπεδο της βέλτιστης απομάκρυνσης συμβατικών ρύπων (θολότητα, TSS, COD, TP), καθώς και μικρορύπων (βενζοτριαζόλες: CBTR (5-chlorobenzotriazole), XTR (xylytriazole)) με τη χρήση τεχνητών υγροτόπων κάθετης ροής για την επεξεργασία αποβλήτων πλυντηρίου, συναρτήσει της παρουσίας ή απουσίας ενός αναρριχώμενου καλλωπιστικού φυτού (Trachelospermumjasminoides). Παρουσιάστηκε ότι τόσο το σύστημα με το φυτό όσο και αυτό χωρίς, σημείωσαν υψηλές ποσοστιαίες απομακρύνσεις όσον αφορά τη θολότητα (σύστημα με φυτό: 97 ± 2 %, σύστημα χωρίς: 98 ± 4 %), τα TSS (σύστημα με φυτό: 92 ± 9 %, σύστημα χωρίς: 97 ± 2 %) και το COD (σύστημα με φυτό: 98 ± 2 %, σύστημα χωρίς: 98 ± 1 %). Από τα προαναφερθέντα αποτελέσματα, προέκυψε ότι το φυτό T. jasminoides, δεν συνέβαλλε σε μεγάλο βαθμό στην απομάκρυνση των ρύπων, ενώ η άμμος φαίνεται να αποτέλεσε το κύριο λειτουργικό χαρακτηριστικό που συνέβαλλε στην απομάκρυνση των εξετασμένων ρύπων. Επιπλέον, παρουσιάστηκε ότι παρόλο που στην αρχή της λειτουργίας των συστημάτων η ποσοστιαία απομάκρυνση του TP ήταν περίπου 20%, έπειτα από τη πάροδο ορισμένων εβδομάδων σταμάτησε να υπάρχει απομάκρυνση. Όσον αφορά την ποσοστιαία απομάκρυνση των βενζοτριαζόλων CBTRκαι XTR, σημειώθηκαν υψηλές απομακρύνσεις και στα δύο συστήματα (σύστημα με φυτό: CBTR: 99.7%, XTR:94%; σύστημα χωρίς φυτό: CBTR: 87%, XTR: 92%) παρόλο που δεν βρέθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά, υποδεικνύοντας και για αυτούς τους ρύπους ότι κυρίως το υπόστρωμα συνέβαλλε στην απομάκρυνσή τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η χρήση τεχνητών υγροτόπων κάθετης ροής για την επεξεργασία αποβλήτων πλυντηρίου, όχι μόνο συμβάλλει στην παροχή υψηλής ποιότητας εκροής εν συσχετίσει με τους συμβατούς ρύπους, αλλά και στην ικανοποιητική απομάκρυνση αναδυόμενων οργανικών ρύπων, όπως οι βενζοτριαζόλες. Το φυτό T. Jasminoides αναπτύχθηκε κάτω από τις δύσκολες συνθήκες των αποβλήτων πλυντηρίου, χωρίς την εμφάνιση στρες, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη πράσινης πρόσοψης σε κτήρια.Στο πέμπτο μέρος της διατριβής, ερευνήθηκε η απομάκρυνση μικροϊνών από γκρι νερά πλυντηρίου με τη χρήση τεχνητού υγροτόπου κάθετης ροής. Ο τεχνητός υγρότοπος πουκατασκευάστηκε, πληρώθηκε με άμμο και χονδρόκοκκο χαλίκι και φυτεύτηκε με το είδος Zantedeschia aethiopica. Πραγματοποιήθηκε παρακολούθηση του συστήματοςγια πέντε μήνες. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν, διαπιστώθηκε υψηλήποσοστιαία απομάκρυνση των μικροϊνών (> 95 %). Επιπλέον, η ικανότητα τουσυστήματος στην απομάκρυνση των μικροϊνών, δεν επηρεάστηκε από τις διαφορετικές υδραυλικές φορτίσεις που εφαρμόστηκαν στο σύστημα. Κατά τη περίοδο πουεφαρμόστηκε η υδραυλική φόρτιση των 63.7 mm/d, η συγκέντρωση των μικροϊνώνμειώθηκε από 71 ± 25 μικροϊνες/L στην είσοδο σε 1 ± 1 μικροϊνες/L στην έξοδο.Υψηλές ήταν και οι ποσοστιαίες απομακρύνσεις που σημειώθηκαν για τις παραμέτρους COD και θολότητα (93 % και 94 %, αντίστοιχα). Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν τη σημαντική βελτίωση της συνολικής ποιότητας των γκρι νερών πλυντηρίου, με τη χρήση του τεχνητού υγροτόπου κάθετης ροής.