Phytoremediation of surface waters using the constructed floating wetlands technology

Παυλινέρη, Ναταλία; Pavlineri, Natalia

dc.contributor.author	Παυλινέρη, Ναταλία	el
dc.contributor.author	Pavlineri, Natalia	en
dc.date.accessioned	2017-03-01T08:38:01Z
dc.date.issued	2017-03-01
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44463
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.6240
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Περιβάλλον και Ανάπτυξη"	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Φυτοεξυγίανση	el
dc.subject	Τεχνητοί υγρότοποι	el
dc.subject	Υδροπονία	el
dc.subject	Αφαίρεση ολικού αζώτου	el
dc.subject	Αφαίρεση ολικού φωσφόρου	el
dc.subject	Constructed floating wetlands	en
dc.subject	Scirpus mauritimus	el
dc.subject	Juncus effuses	el
dc.subject	Nutrient removal efficiency	el
dc.subject	Planted floating platforms	el
dc.title	Phytoremediation of surface waters using the constructed floating wetlands technology	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Ecological engineering	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh95010508
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unescothes/C01618
heal.classificationURI	http://lod.nal.usda.gov/17229
heal.dateAvailable	2018-02-28T22:00:00Z
heal.language	en
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-10-26
heal.abstract	This thesis consists both of a state-of-the-art literature review on Constructed Floating Wetlands (CFWs) and an experimental study. The state-of-the-art review is an attempt to collect and organize current literature. From this comprehensive literature search, raw data were extracted from studies that fulfilled homogeneity standards; data were imposed to statistical analysis in order to reveal correlations (Spearman’s r coefficient) between total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and ammonium nitrogen (NH4+-N) concentration reduction and several operational or design parameters, e.g., vegetation aerial coverage, water depth, initial loading, Hydraulic Loading Rate (HLR) and Hydraulic Retention Time (HRT). TN concentration reduction correlated well with initial loading (r=0.841; p=0.000; n=28) and showed a lower correlation with HRT (r=0.443; p=0.013; n=28) and a negative correlation with depth (r=-0.690; p=0.000; n=28) and HLR (r=-0.528; p=0.002; n=28). NH4+-N and TP concentration reductions correlated positively with initial loading (r=0.869; p=0.000; n=19 and r=0.840; p=0.000; n=21) and negatively with depth (r=-0.812; p=0.000; n=19 and r=-0.773; p=0.000; n=21). As the depth factor relates to the percent of root coverage in the water column, the aforementioned negative correlation for TP, TN and NH4+-N with depth could be interpreted as the rhizosphere effect. Multi-linear regression analysis has also been carried out for TN and TP removal, in an attempt to describe quantitatively TN and TP concentration reduction as function of design and operation parameters. Experimental study has been conducted for three months, from June to August 2016 in Anavyssos, Eastern Attica. Four parallel tanks were batch-loaded with a fertilizer solution in order to stimulate polluted water. HRT was 7 days, working depth was 0.75 m and surface coverage was 60% Scirpus mauritimus and Juncus effuses were planted in the CFWs in order to investigate their comparative TN, TP and NH4-N removal efficiency, to quantify growth characteristics, and TN, TP and NH4-N removal efficiency of Scirpus mauritimus at a high and a low nutrient loading rate. All three units achieved a survival percent greater than 50% and also managed to increase their biomass ten-fold. All units performed better than the control (Unit 1) regarding TN (p=0.000) and TP (p=0.000) removal. TN removal averaged at 69.49%. Average TP removal was 62.64% and average NH4-N removal was 92.31%. Juncus effuses outperformed Scirpus mauritimus regarding both TN (p= 0.003) and TP (p=0.05) removal. Scirpus mauritimus performed better regarding TN (p=0.001) and TP (p=0.064) removal at a high loading. CFWs seem to be an efficient technique either for water quality enhancement; however, further research is needed in order to better interpret system’s behavior and optimize its efficiency.	en
heal.abstract	Αυτή η Μεταπτυχιακή Διπλωματική εργασία αποτελείται από ένα βιβλιογραφικό κομμάτι και ένα πειραματικό μέρος. Σκοπός της είναι, να μελετήσει την πλέον πρόσφατη παραλλαγή των Τεχνητών Υγροτόπων, τους Τεχνητούς Επιπλέοντες Υγροτόπους (ΤΕΥ). Οι ΤΕΥ αποτελούνται από μια πλωτή κατασκευή, πάνω στην οποία συμβαίνει η φύτευση και ανάπτυξη της βλάστησης, με υδροπονικό τρόπο. Με άλλα λόγια, το ριζικό σύστημα του φυτού μεγαλώνει μέσα στο νερό. Αυτό εξαναγκάζει το φυτό να προσροφά άμεσα τα θρεπτικά από τo υγρό στοιχείο. Η πλευστότητα των ΤΕΥ αποτελεί ένα πολύ ισχυρό τους πλεονέκτημα, καθώς μπορούν να προσαρμόζονται στις διακυμάνσεις του βάθους της υδάτινης στήλης. Αυτό αποτελεί και το βασικό λόγο, που έχουν μελετηθεί εκτεταμένα ως προς της εφαρμογή τους σε λίμνες συλλογής βρόχινου νερού. Το κομμάτι της βιβλιογραφικής ανασκόπησης αποτελεί μια προσπάθεια για συλλογή και οργάνωση όλης της διαθέσιμης βιβλιογραφίας. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση έγινε διαδικτυακά σε μηχανές αναζήτησης όπως το Google Scholar και το Scopus. Οι λέξεις κλειδιά που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: constructed floating wetlands, floating islands, planted platforms και floated treatment wetlands. Ο πινάκας 1 αποτελεί ίσως την πιο ολοκληρωμένη προσπάθεια οργάνωσης της σχετικής βιβλιογραφίας, εμπεριέχει 43 μελέτες. Το σύνολο αυτών των μελετών χρησιμοποιήθηκαν/μελετήθηκαν για να εξαχθούν τα αποτελέσματα και η συζήτηση του Κεφαλαίου 2.2. Από αυτές τις 43 μελέτες, επιλέξαμε 15 μελέτες που χρησιμοποιήθηκαν για ανάλυση των πρωτογενών τους δεδομένων. Τα κριτήρια της επιλογής των μελετών για τη μετά-ανάλυση ήταν: (1) να εμπεριέχουν όλη την απαραίτητη πληροφορία, (2) να μελετούν επεξεργασία υγρών αποβλήτων ή εμπλουτισμένου φυσικού νερού, (3) να είναι δημοσιευμένες σε επιστημονικά περιοδικά με συντελεστή βαρύτητας> 0.5 και (4) να είναι γραμμένες στην Αγγλική γλώσσα. Έτσι δημιουργήθηκε ο πίνακας 2, που περιέχει το σύνολο δεδομένων, για το οποίο πραγματοποιήθηκε η στατιστική ανάλυση. Αρχικά εξάχθηκαν οι συσχετίσεις (συντελεστής r του Spearman) μεταξύ της μείωσης συγκέντρωσης (ΔC) του ολικού αζώτου (ΤΝ), του ολικού φωσφόρου (TP) και του αμμωνιακού αζώτου (NH4-N) και διάφορων λειτουργικών ή σχεδιαστικών παραμέτρων, π.χ., ποσοστό φυτοκάλυψης, βάθος νερού, αρχική συγκέντρωση, ρυθμός υδραυλικής φόρτισης και υδραυλικός χρόνος παραμονής. Η μείωσης συγκέντρωσης ολικού αζώτου έδειξε να συσχετίζεται καλά με την αρχική συγκέντρωση (r = 0.841; p = 0.000; n = 28) και εμφάνισε μια χαμηλότερη συσχέτιση με τον υδραυλικό χρόνο παραμονής (r = 0.443; p = 0.013; n = 28), ενώ αρνητικές συσχετίσεις πρόεκυψαν για το βάθος (r = -0.690; p= 0.000; n = 28) και τον υδραυλικό ρυθμό φόρτισης (r = -0.528; ρ = 0.002; n = 28). Η μείωση της συγκέντρωσης του αμμωνιακού αζώτου (NH4+-N) και ολικού φωσφόρου (TP) συσχετίστηκαν θετικά με την αρχική συγκέντρωση (r = 0.869; p = 0.000; n = 19 και r = 0,840; p = 0.000; n = 21), και αρνητικά με το βάθος (r = -0.812; p = 0,000 ; n = 19 και r = -0.773; ρ = 0.000; n = 21). Καθώς ο παράγοντας του βάθος αναφέρεται στο ποσοστό της κάλυψης της υδάτινης στήλης με ριζικό σύστημα, η προαναφερθείσα αρνητική συσχέτιση της μείωσης της συγκέντρωσης του ολικού αζώτου, του ολικού φωσφόρου και του αμμωνιακού αζώτου με το βάθος θα μπορούσε να ερμηνευθεί ως το αποτέλεσμα της δράσης της ριζόσφαιρας. 14 Επίσης πραγματοποιήθηκε πολλαπλή γραμμική παλινδρόμηση ως μία προσπάθεια να περιγράφει ποσοτικά η μείωση συγκέντρωσης ολικού αζώτου και φωσφόρου ως συνάρτηση των παραπάνω σχεδιαστικών και λειτουργικών παραμέτρων. Η πειραματική μελέτη έλαβε χώρα για τρεις μήνες, από τον Ιούνιο μέχρι και τον Αύγουστο 2016 στην Ανάβυσσο της Ανατολικής Αττικής. Τέσσερις πλαστικές δεξαμενές λειτουργούσαν παράλληλα με σκοπό να εξετάσουν την ικανότητα των ΤΕΥ ως προς την αφαίρεση ολικού αζώτου, ολικού φωσφόρου και αμμωνιακού αζώτου. Σε αυτήν τη μελέτη εξετάσαμε την συγκριτική ικανότητα δύο φυτών: του Scirpus mauritimus και του Juncus effuses ως προς την αφαίρεση θρεπτικών. Επίσης μελετήθηκε η ικανότητα του Scirpus mauritimus για ανάπτυξη και αφαίρεση θρεπτικών σε δύο συγκεντρώσεις (χαμηλή και υψηλή). Τα φυτά προμηθεύτηκαν από φυτώριο της περιοχής. Αφού πλύθηκαν καλά με νερό βρύσης για να φύγει όλο το χώμα και οι πέτρες, φυτεύτηκαν πάνω στην αυτοσχέδια πλωτή κατασκευή. PVC σωλήνες χρησιμοποιηθήκαν, για να δημιουργηθεί το πλαίσιο που πρόσφερε άνωση και πλευστότητα. Πάνω στο πλαίσιο στερεώθηκε πλαστική σήτα. Λινάτσα, τοποθετήθηκε πάνω από τη σήτα. Αφού δημιουργήθηκαν τρύπες στη λινάτσα, τοποθετήθηκαν τα φυτά στις τρύπες. Για να στερεωθεί η βλάστηση χρησιμοποιήθηκε ως υπόστρωμα, διογκωμένη άργιλος και ελαφρόπετρα. Το διάλυμα θρεπτικών παρασκευαζόταν με προσθήκη υδατο-διαλυτού λιπάσματος σε νερό βρύσης. Ο υδραυλικός χρόνος παραμονής επιλέχθηκε στις 7 ημέρες. Το βάθος της στήλης νερού ήταν 0.75 m. Τα φυτά κάλυπταν περί το 60% της επιφάνειας της δεξαμενής. Μια δεξαμενή δε φυτεύτηκε καθόλου και λειτούργησε ως μονάδα ελέγχου σε χαμηλή φόρτιση. Μια δεξαμενή φυτεύτηκε με Scirpus mauritimus σε χαμηλή φόρτιση. Μια άλλη φυτεύτηκε με Juncus effuses σε χαμηλή φόρτιση. Τέλος η τέταρτη δεξαμενή φυτεύτηκε πάλι με Scirpus mauritimus αλλά λειτουργούσε σε υψηλό ρυθμό φόρτισης. Και οι τρεις μονάδες σημείωσαν ποσοστό επιβίωσης βιομάζας μεγαλύτερο από 50% και αύξησαν τη βιομάζα τους περίπου 1,000%. Όλες οι μονάδες που περιείχαν βλάστηση σημείωσαν καλύτερες επιδόσεις από την μονάδα έλεγχου σχετικά με την αφαίρεση ολικού αζώτου (p = 0.000) και ολικού φωσφόρου (p = 0.000). Η μέση αφαίρεση ολικού αζώτου ήταν 69.49%. Η μέση αφαίρεση ολικού φωσφόρου ήταν 62.64% και η μέση αφαίρεση αμμωνιακού αζώτου ήταν 92.31%. Το Juncus effuses έδειξε να είναι πιο αποτελεσματικό από το Scirpus mauritimus όσον αφορά την αφαίρεση ολικού αζώτου (p = 0.003) και ολικού φωσφόρου (p = 0.05). Το Scirpus mauritimus σημείωσε καλύτερες επιδόσεις όσον αφορά την αφαίρεση ολικού αζώτου (p = 0.001) και ολικού φωσφόρου (p = 0,064) όταν αναπτύχθηκε στην υψηλή φόρτιση. Οι ΕΤΥ φαίνεται να είναι μια αποτελεσματική τεχνική για τη βελτίωση της ποιότητας του νερού. Ωστόσο, απαιτείται περαιτέρω έρευνα προκειμένου να ερμηνεύσει καλύτερα τη συμπεριφορά του συστήματος και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του.	el
heal.sponsor	Globaqua (EC FP7 Project, under Grant Agreement No. 603629ENV-296 2013-6.2.1-Globaqua).	en
heal.advisorName	Τσιχριντζής, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Σκουλικίδης, Νικόλάος	el
heal.committeeMemberName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	72 σ.	en
heal.fullTextAvailability	true