إزالة الأمونيا في الأنظمة ذات الجريان السطحي بإستخدام نظم المعالجة العائمة Employing synthetic floating islands

محتوى المقالة الرئيسي

Muwafaq H. M. Allami
Mick J. Whelan
Arnoud Boom
David M. Harper

الملخص

 


تعتبر أنظمة الأراضي الرطبة ذات الجريان السطحي أحد أنظمة المعالجة التقليدية المستخدمة في معالجة ملوثات المياه على الرغم من محدودية كفائتها جراء النسبة الحجمية العالية للسعة المائية الى المساحة السطحية المهيئة للنشاط الميكروبي في تحليل الملوثات البيئة. تمتاز أنظمة المعالجة العائمة (بما تتضمنه من أنظمة طافية فوق سطح الماء) بالقدرة على زيادة المساحة السطحية الضرورية لنشوء وتنامي المجتمعات الميكروبية المحللة على إختلاف أنواعها فضلاً عن إعتبارها منصة عائمة لنمو النباتات فوق سطح الماء وبالتالي زيادة معدلات العمليات البيئية المحللة للملوثات المختلفة. يهدف هذا البحث الى تقييم فاعلية أنظمة المعالجة العائمة في إزالة تراكيز الأمونيا الكلية من مياه الصرف الصحي المصنع  بإستخدام أنظمة تجريبية تعمل بطريقة الدفق المستمر-الثابت مؤلفة من 10 معاملات مكررة وبتصاميم تشغيلية مختلفة تتضمن إختبار مستويات مختلفة لعمود لماء و مساحات سطحية مختلفة للأظمة الطاقية فوق الماء و بإستخدام وفرة نباتية بكثافة مختلفة فضلاً عن معاملات اليسطرة لمقارنة النتائج). بالإضافة الى ذلك, تم إستحداث وتسخير نموذج رياضي لتطوير فهم ميكانيكي متقدم لديناميكيات النتروجين في النظام التجريبي. تمت معايرة النموذج الرياضي بإستخدام بيانات أحد المعاملات ومن ثم التحقق من دقة الموديل من خلال تطبيقه على بقية المعاملات. أستند أداء الموديل الرياضي على فرضية أن ثوابت معدلات عمليات النترتة والتطاير للأمونيا تتناسب عكسياً مع عمق الماء إلا أنها تتناسب طردياً مع المساحة السطحية. أظهر التحليل المعتمد على النموذج الرياضي إمكانية تقدير نسبة مساهمة بعض ميكانيكيات التحليل الى الأداء الكلي في إزالة الأمونيا من الوسط. أثبت الموديل الرياضي دقة عالية في وصف وتوقع ديناميكيات تراكيز الأمونيا والأطوار المؤكسدة للنتروجين في المعاملات التجريبية المختلفة (التحليل الإحصائي لإداء الموديل الخاص بسلوك الأمونيا هو RMSE = 0.88 and 0.40 mg N L-1 وللأطوار المؤكسدة هو RMSE = 0.63 and 1.75 mg N L-1 ). دلت النتائج الى أن إزالة الأمونيا بواسطة عملية النترتة كانت هي السائدة بالمقارنة مع بقية العمليات الأخرى وأن الخصائص التصميمية للنظام و المتمثلة بالعمق المنخفض لعمود الماء مقترناً مع زيادة المساحة السطحية للنظام الطافي تمثل النظام التصميم الأكفاء في إزالة الأمونيا الكلي من الوسط المائي. تؤكد النتائج التي تم الحصول عليها على قدرة الأنظمة المعالجة الطافية على تحسين كفاءة أداء أنظمة الأراضي الرطبة ذات الجريان السطحي في إزالة الأمونيا كما وتظهر أهمية إستخدام الموديلات الرياضية في بناء وتطوير المفاهيم الميكانيكية لديناميكيات النتروجين ومدى مساهمة العمليات البايوجيوكيميائية المختلفة في مصير الأمونيا في ظل تأثير عدد من الخصائص التصميمية والتشغيلية.

تفاصيل المقالة

كيفية الاقتباس
1.
إزالة الأمونيا في الأنظمة ذات الجريان السطحي بإستخدام نظم المعالجة العائمة: Employing synthetic floating islands. Baghdad Sci.J [انترنت]. 1 يونيو، 2021 [وثق 17 مايو، 2024];18(2):0253. موجود في: https://bsj.uobaghdad.edu.iq/index.php/BSJ/article/view/5842
القسم
article

كيفية الاقتباس

1.
إزالة الأمونيا في الأنظمة ذات الجريان السطحي بإستخدام نظم المعالجة العائمة: Employing synthetic floating islands. Baghdad Sci.J [انترنت]. 1 يونيو، 2021 [وثق 17 مايو، 2024];18(2):0253. موجود في: https://bsj.uobaghdad.edu.iq/index.php/BSJ/article/view/5842

المراجع

Hickey A, Arnscheidt J, Joyce E, O'Toole J, Galvin G, O'Callaghan M. An assessment of the performance of municipal constructed wetlands in Ireland. J of Env Manag. 2018;210:263-72.

Russo N, Marzo A, Randazzo C, Caggia C, Toscano A, Cirelli GL. Constructed wetlands combined with disinfection systems for removal of urban wastewater contaminants. Sci of the Tot Env. 2019;656:558-66.

Waara S, Wojciechowska E. Treatment of landfill leachate in a constructed free water surface wetland system over a decade–Identification of disturbance in process behaviour and removal of eutrophying substances and organic material. J of Env Manag. 2019;249:109319.

Ma Y, Zhai Y, Zheng X, He S, Zhao M. Rural domestic wastewater treatment in constructed ditch wetlands: Effects of influent flow ratio distribution. J of Clean Prod. 2019;225:350-8.

Rajan RJ, Sudarsan J, Nithiyanantham S. Microbial population dynamics in constructed wetlands: Review of recent advancements for wastewater treatment. Env Eng Res. 2019;24(2):181-90.

Afzal M, Arslan M, Müller JA, Shabir G, Islam E, Tahseen R. Floating treatment wetlands as a suitable option for large-scale wastewater treatment. Nat Sust. 2019;2(9):863-71.

Colares GS, Dell'Osbel N, Wiesel PG, Oliveira GA, Lemos PHZ, da Silva FP. Floating treatment wetlands: A review and bibliometric analysis. Sci of the Tot Env. 2020;714:136776.

Park JBK, Sukias JPS, Tanner CC. Floating treatment wetlands supplemented with aeration and biofilm attachment surfaces for efficient domestic wastewater treatment. Ecol Eng. 2019;139:105582.

Saad RAB, Kuschk P, Wiessner A, Kappelmeyer U, Müller JA, Köser H. Role of plants in nitrogen and sulfur transformations in floating hydroponic root mats: A comparison of two helophytes. J of Env Manag. 2016;181:333-42.

Abed SN, Almuktar SA, Scholz M. Remediation of synthetic greywater in mesocosm—Scale floating treatment wetlands. Ecol Eng. 2017;102:303-19.

Spangler JT, Sample DJ, Fox LJ, Albano JP, White SA. Assessing nitrogen and phosphorus removal potential of five plant species in floating treatment wetlands receiving simulated nursery runoff. Envi Sci and Poll Res. 2019;26(6):5751-68.

Nichols P, Lucke T, Drapper D, Walker C. Performance Evaluation of a Floating Treatment Wetland in an Urban Catchment. Wat-Sui. 2016;8(6).

Tara N, Arslan M, Hussain Z, Iqbal M, Khan QM, Afzal M. On-site performance of floating treatment wetland macrocosms augmented with dye-degrading bacteria for the remediation of textile industry wastewater. J of Clea Prod. 2019;217:541-8.

Tharp R, Westhelle K, Hurley S. Macrophyte performance in floating treatment wetlands on a suburban stormwater pond: Implications for cold climate conditions. Ecol Eng. 2019;136:152-9.

Borne KE, Fassman EA, Tanner CC. Floating treatment wetland retrofit to improve stormwater pond performance for suspended solids, copper and zinc. Ecol Eng. 2013;54:173-82.

Chang N-B, Xuan Z, Marimon Z, Islam K, Wanielista MP. Exploring hydrobiogeochemical processes of floating treatment wetlands in a subtropical stormwater wet detention pond. Ecol Eng. 2013;54:66-76.

Lu H-L, Ku C-R, Chang Y-H. Water quality improvement with artificial floating islands. Ecol Eng. 2015;74:371-5.

Ghimire U, Nandimandalam H, Martinez-Guerra E, Gude VG. Wetlands for wastewater treatment. Water Environment Research. 2019;91(10):1378-89.

Samal K, Kar S, Trivedi S. Ecological floating bed (EFB) for decontamination of polluted water bodies: Design, mechanism and performance. J of Env Manag. 2019;251:109550.

Whelan MJ, Everitt T, Villa R. A mass transfer model of ammonia volatilisation from anaerobic digestate. Was Manag. 2010;30(10):1808-12.

Cervantes FJ. Environmental Technologies to Treat Nitrogen Pollution : Principles and Engineering. London: London: IWA Publishing; 2009.

Dyer SD, Wang X. A comparison of stream biological responses to discharge from wastewater treatment plants in high and low population density areas. Environmental Toxicology and Chemistry: Inter J. 2002;21(5):1065-75.

Alabaster J, Lloyd R. Dissolved oxygen. Water quality criteria for fresh-water fish Butterworth's, London. 1980:127-43.

Holland JF, Martin JF, Granata T, Bouchard V, Quigley M, Brown L. Effects of wetland depth and flow rate on residence time distribution characteristics. Ecol Eng. 2004;23(3):189-203.

Matamoros V, Bayona JM. Elimination of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Subsurface Flow Constructed Wetlands. Env Sci & Tech. 2006;40(18):5811-6.

Vymazal J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. The Sci of the tot env. 2007;380(1-3):48-65. Epub 2006/11/03.

Kadlec RH, Wallace S. Treatment wetlands: CRC press; 2009.

Ouyang Y, Zhang JE, Lin D, Liu GD. A STELLA model for the estimation of atrazine runoff, leaching, adsorption, and degradation from an agricultural land. J of Soils and Sed. 2010;10(2):263-71.

Ouyang Y, Leininger TD, Hatten J, Parajuli PB. A STELLA Model to Estimate Soil CO2 Emissions from a Short-Rotation Woody Crop. Water, Air, & Soil Poll. 2012;224(1):1392.

Matinzadeh MM, Abedi Koupai J, Sadeghi-Lari A, Nozari H, Shayannejad M. Development of an innovative integrated model for the simulation of nitrogen dynamics in farmlands with drainage systems using the system dynamics approach. Ecol Mod. 2017;347(Supplement C):11-28.

Marimon ZA, Xuan Z, Chang N-B. System dynamics modeling with sensitivity analysis for floating treatment wetlands in a stormwater wet pond. Ecol Mod. 2013;267:66-79.

Chang NB, Marimon ZA, Xuan Z, Vannah B, Jones J. System dynamics modeling for nitrogen removal in a subtropical stormwater wet pond. Dev in Env Mod 2014. p. 469-99.

McAndrew B, Ahn C. Developing an ecosystem model of a floating wetland for water quality improvement on a stormwater pond. J of Env Manag. 2017;202(Part 1):198-207.

Allen RG, Pereira LS, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Rome. 1998;300(9):D05109.

EPA U. Methods for the determination of inorganic substances in environmental samples. US Environmental Protection Agency Cincinnati, OH, USA; 1993.

Cheeseman R, Wilson AL, Gardner MJ. A manual of analytical quality control for the water industry. WRc plc Medmenham, Report NS 30. 1989:160.

APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater. 21st ed., Centennial ed.. ed. Washington, D.C.: American Public Health Association; 2005.

Finnegan CJ, van Egmond RA, Price OR, Whelan MJ. Continuous-flow laboratory simulation of stream water quality changes downstream of an untreated wastewater discharge. Wat Res. 2009;43(7):1993-2001.

Sander R. Compilation of Henry's law constants for inorganic and organic species of potential importance in environmental chemistry. Max-Planck Institute of Chemistry, Air Chem Dep Mainz, Germany; 1999.

DeKock P. The mineral nutrition of plants supplied with nitrate and ammonium nitrogen. The mineral nutrition of plants supplied with nitrate and ammonium nitrogen. 1970:39-44.

Barraclough D, Geens E, Davies G, Maggs J. Fate of fertilizer nitrogen. III. The use of single and double labelled 15N ammonium nitrate to study nitrogen uptake by ryegrass. J of Soil Sci. 1985;36(4):593-603.

Wang CY, Sample DJ, Bell C. Vegetation effects on floating treatment wetland nutrient removal and harvesting strategies in urban stormwater ponds. Sci of the tot Env. 2014;499(1):384-93.

Lynch J, Fox LJ, Owen Jr JS, Sample DJ. Evaluation of commercial floating treatment wetland technologies for nutrient remediation of stormwater. Ecol Eng. 2015;75:61-9.

Guisasola A, Jubany I, Baeza JA, Carrera J, Lafuente J. Respirometric estimation of the oxygen affinity constants for biological ammonium and nitrite oxidation. J of Chem Tech & Biotech: International Research in Process, Env & Clean Tech. 2005;80(4):388-96.

Alzate Marin JC, Caravelli AH, Zaritzky NE. Nitrification and aerobic denitrification in anoxic–aerobic sequencing batch reactor. Biores Tech. 2016;200:380-7.

Thakur IS, Medhi K. Nitrification and denitrification processes for mitigation of nitrous oxide from waste water treatment plants for biovalorization: Challenges and opportunities. Biores Tech. 2019;282:502-13.

Lenzewski N, Mueller P, Meier RJ, Liebsch G, Jensen K, Koop-Jakobsen K. Dynamics of oxygen and carbon dioxide in rhizospheres of Lobelia dortmanna – a planar optode study of belowground gas exchange between plants and sediment. New Phyto. 2018;218(1):131-41.

Sun H, Xu S, Wu S, Wang R, Zhuang G, Bai Z. Enhancement of facultative anaerobic denitrifying communities by oxygen release from roots of the macrophyte in constructed wetlands. J of Env Manag. 2019;246:157-63.

Marzocchi U, Benelli S, Larsen M, Bartoli M, Glud RN. Spatial heterogeneity and short-term oxygen dynamics in the rhizosphere of Vallisneria spiralis: Implications for nutrient cycling. Fres Biol. 2019;64(3):532-43.

Pavlineri N, Skoulikidis NT, Tsihrintzis VA. Constructed Floating Wetlands: A review of research, design, operation and management aspects, and data meta-analysis. Chem Eng J. 2017;308:1120-32.

Hafner SD, Pacholski A, Bittman S, Carozzi M, Chantigny M, Génermont S. A flexible semi-empirical model for estimating ammonia volatilization from field-applied slurry. Atm Env. 2019;199:474-84.

Xu R, Tian H, Pan S, Prior SA, Feng Y, Batchelor WD. Global ammonia emissions from synthetic nitrogen fertilizer applications in agricultural systems: Empirical and process-based estimates and uncertainty. Glob Chan Bio. 2019;25(1):314-26.

García-Lledó A, Ruiz-Rueda O, Vilar-Sanz A, Sala L, Bañeras L. Nitrogen removal efficiencies in a free water surface constructed wetland in relation to plant coverage. Ecol Eng. 2011;37(5):678-84.

Kadlec RH, Wallace SD. Treatment wetlands, Second Edition. New York, USA.: CRC press, Taylor and Francis Group, Boca Raton New York, USA.; 2009. 1016 p.

Koch H, van Kessel MA, Lücker S. Complete nitrification: insights into the ecophysiology of comammox Nitrospira. App microbiol and biotech. 2019;103(1):177-89.

Le TTH, Fettig J, Meon G. Kinetics and simulation of nitrification at various pH values of a polluted river in the tropics. Ecohydrol & Hydrobiol. 2019;19(1):54-65.

Bellefroid EJ, Planavsky NJ, Hood AVS, Halverson GP, Spokas K. Shallow water redox conditions of the mid-Proterozoic Muskwa Assemblage, British Columbia, Canada. Amer J of Sci. 2019;319(2):122-57.

Vo T-D-H, Bui X-T, Lin C, Nguyen V-T, Hoang T-K-D, Nguyen H-H. A mini-review on shallow-bed constructed wetlands: a promising innovative green roof. Curr Opin in Env Sci & Health. 2019;12:38-47.

Park HD, Noguera DR. Evaluating the effect of dissolved oxygen on ammonia-oxidizing bacterial communities in activated sludge. Wat Res. 2004;38(14-15):3275-86.

Van Hulle SWH, Vandeweyer HJP, Meesschaert BD, Vanrolleghem PA, Dejans P, Dumoulin A. Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams. Chem Eng J. 2010;162(1):1-20.

Sun S, Liu J, Zhang M, He S. Simultaneous improving nitrogen removal and decreasing greenhouse gas emission with biofilm carriers addition in ecological floating bed. Biores Tech. 2019;292:121944.

Asemoloye MD, Jonathan SG, Ahmad R. Synergistic plant-microbes interactions in the rhizosphere: a potential headway for the remediation of hydrocarbon polluted soils. Inter J of Phytorem. 2019;21(2):71-83.

Compant S, Samad A, Faist H, Sessitsch A. A review on the plant microbiome: Ecology, functions, and emerging trends in microbial application. J of Adv Re. 2019;19:29-37.

Wiessner A, Kuschk P, Jechorek M, Seidel H, Kästner M. Sulphur transformation and deposition in the rhizosphere of Juncus effusus in a laboratory-scale constructed wetland. Env Poll. 2008;155(1):125-31.

Cardon ZG, Whitbeck JL. The Rhizosphere : An Ecological Perspective. Burlington, USA: Elsevier Science & Technology; 2007.

المؤلفات المشابهة

يمكنك أيضاً إبدأ بحثاً متقدماً عن المشابهات لهذا المؤلَّف.