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Optimierung der Stickstoffentfernung in verschiedenen vertikalen Strömungspflanzenkläranlage-Designs und Anwendung von gereinigtem Abwasser zur Wiederverwendung in Bewässerung in Jordanien

By Ghaida Abdallat

Abstract

In arid countries, reclaimed water in irrigation is a widespread practice. Therefore, robust treatment designs are prerequisite to obtain effluent quality that conforms to the legal requirements for reuse and health standards. Vertical flow constructed wetlands (VFCWs) are attractive decentralized treatment plants in many countries and communities. VFCWs are capable of providing adequate treatment for organic and solids removal, even though there are limitations on nutrient and pathogen removal. Within this study, various VFCW systems were investigated, in Germany and Jordan, to optimize nitrogen removal using sustainable and low cost options to guarantee the safe reuse in Jordan.\ud In Germany at Langenreichenbach research facility, two-stage VFCWs planted (Phragmites australis) and unplanted were evaluated and modified to compare the role of plants over two years. Generally, there was no significant role of plants on the treatment performance. Both systems showed high removal efficiency for TOC, BOD5, and TSS over the study period. During the first year of the study, effluent TN concentrations ranged from 60 - 61 mg/L in both systems as a result of high effluent NO3--N concentrations (50 - 52 mg/L). In the second year, the systems were modified, adopting a saturated layer in the 1st stage to enhance denitrification. Average effluent TN concentrations were reduced to 45 mg/L in both systems. In addition, during modifications, the E.coli removal was enhanced in both systems achieving 4 log reduction instead of 2 log reduction during the first year of the study.\ud In Jordan at the Fuhais research facility, two VFCW systems were studied considering category-A (TN: 45 mg/L and NO3-N: 30 mg/L) in the Jordanian Standards for reuse in irrigation (JS 893/2006). Recirculating (ECO-1) and Multi-stage (ECO-2) VFCW designs have shown high removal efficiency of COD, TSS, and BOD5 over three years of monitoring. ECO-1 system combines simultaneous nitrification and denitrification by recycling portion of nitrified effluent into the recirculation tank. However, effluent TN and NO3--N concentrations were 55 and 44 mg/L, respectively, that the system conformed to the JS category-B (TN: 70 mg/L and NO3-N: 45 mg/L) during monitoring phase. Therefore, ECO-1 was modified by installing plastic media in the recirculation tank that attached growth increases the abundance and activity of microorganisms. TN concentration was reduced effectively of 40 mg/L, conforming to the JS category-A, whereas, NO3--N concentration was reduced to 37 mg/L, conforming to the JS category-B. However, over the study period, E.coli concentrations were conformed to the JS category-C (more than 1000 MPN/100 mL). \ud ECO-2 consists of two unsaturated VFCWs in series; single-pass unplanted filter followed by planted filter (Phragmites australis). E.coli removal was relatively high before modification that the effluent conformed to the JS (category-B: 1000 MPN/100 mL), achieving 4.4 log reduction. The effluent TN and NO3--N concentrations did not conform to the JS of 77 and 76 mg/L, respectively, due to insufficiency of carbon source to promote denitrification (high BOD5 removal) during monitoring phase of the study. Thus, ECO-2 was modified adopting raw wastewater step-feeding strategy that a specific volume of raw wastewater was mixed with 1st stage effluent in the mixing tank. TN and NO3--N concentrations were reduced to 52 and 50 mg/L, respectively; conforming to the JS category-B. Whereas, E.coli removal was influenced by E.coli ingress from raw step-feeding, achieving 3.5 log reduction, conforming to the JS category-C.\ud The short-term impact of irrigation with different water quality and quantity was investigated at the Fuhais site. Soil physicochemical and biological properties in three parallel experimental reuse plots were investigated. The plots were cultivated with lemon trees and were irrigated via a subsurface irrigation system. Moreover, each plot was divided into two subparts (A and B) whereby one part received 11 mm/day of irrigation water and the other received 6 mm/day. Using treated effluent and tap water showed the same trend of increased soli salinity (ECs). Significant difference in ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, and Na+ were observed at 0-20 cm as a result of high evaporation and capillary rise that increased salts accumulation in the topsoil. However, using more water reduced the salts accumulation in sub soil layers due to continuous leaching. Whereas, results showed no significant variation in soil texture, structure, moisture, and infiltration rate among reuse plots and subparts. Additionally, results revealed an absence of total coliform, fecal coliform, and E.coli in the irrigated soils, indicating the effectiveness of using subsurface irrigation as a disinfection step for reuse.In ariden Ländern ist die Verwendung von wiederaufbereitetem Wasser zur Bewässerung eine weit verbreitete Praxis. Daher sind widerstandsfähige Wasseraufbereitungsanlagen Voraussetzung für das Erreichen einer Wasserqualität, die den gesetzlichen Anforderungen für die Wiederverwendung und Gesundheitsnormen entspricht. Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlagen (VFCW) stellen für viele Länder und Gemeinden attraktive dezentrale Abwasserreinigungstechnologien dar. VFCWs sind in der Lage, eine ausreichende Entfernung organischer Stoffe und Feststoffe zu gewährleisten, obgleich Einschränkungen bei der Entfernung von Nährstoffen und Krankheitserregern bestehen. Verschiedene VFCW-Systeme in Deutschland und Jordanien wurden hinsichtlich ihres Leistungsvermögens zur Stickstoffentfernung untersucht und optimiert, um nachhaltige und kostengünstige Lösungen für die sichere Wiederverwendung gereinigten Abwassers in Jordanien zu entwickeln.\ud In der Forschungseinrichtung Langenreichenbach (Deutschland) wurden zwei zweistufige VFCWs (einmal mit Phragmites australis bepflanzt und einmal unbepflanzt) beprobt und modifiziert, um die Rolle der Pflanzen in einem Zeitraum von zwei Jahren zu vergleichen. Dabei wurde festgestellt, dass in den untersuchten Systemen die Bepflanzung keine signifikante Rolle bei der Reinigungsleistung spielt. Beide Systeme zeigten im Verlauf der Studie eine hohe Reinigungsleistung für TOC, BSB5 und TSS. Während des ersten Untersuchungsjahres lag die Konzentration an Gesamtstickstoff (TN) im Ablauf der VFCW´s im Bereich von 60 und 61 mg/L, da die NO3--N-Konzentrationen (50 und 52 mg/L) relativ hoch waren. Durch den Einbau einer Staustufe in der ersten Stufe zur Verbesserung der Nitrifikation konnte die Stickstoffkonzentration auf 45 mg/L reduziert werden. Darüber hinaus wurde durch diese Modifikation eine Reduzierung von E.coli von 4 log Stufen erreicht, im Vergleich zu 2 log Stufen im ersten Jahr.\ud In der Forschungseinrichtung Fuhais (Jordanien) wurden zwei VFCW-Systeme untersucht und mit dem Ziel modifiziert Kategorie A (TN: 45 mg/L und NO3-N: 30 mg/L) des jordanischen Standards zur Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser zur Bewässerung (JS 893/2006) zu erreichen. Das einstufige VFCW mit Rezirkulation (ECO-1) und das mehrstufige VFCW (ECO-2) zeigten in einem Untersuchungszeitraum von drei Jahren hohe Reinigungsleistungen in Bezug auf COD, TSS und BSB5. \ud Das ECO-1-System kombiniert gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation durch ein anteiliges Rückführen des nitrifizierten Ablaufs in den Rezirkulationstank. Während der Beobachtungsphase betrugen die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf des Systems 55 und 44 mg/L, dh. diese entsprachen der Kategorie-B (TN: 70 mg/L und NO3-N: 45 mg/L) des JS. Um die Menge und Aktivität der Mikroorganismen zu erhöhen, wurden Plastikteile in den Rezirkulationstank von ECO-1 eingebaut. Auf diese Weise wurde die TN-Konzentration effektiv auf 40 mg/L reduziert (entspricht Kategorie-A des JS), während die NO3--N-Konzentration nur auf 37 mg/L (entspricht Kategorie-B der JS) reduziert werden konnte. Im Verlauf der Studie entsprachen die E.coli-Konzentrationen der JS Kategorie-C (mehr als 1000 MPN/100 mL).\ud ECO-2 besteht aus zwei geschalteten ungesättigten VFCWs. Die erste Stufe des Systems besteht aus einem unbepflanzten Filter, die zweite Stufe aus einem mit Phragmites bepflanzten. Im Ablauf der Anlage wurde eine Reduktion der E.coli um 4,4 log Stufen erreicht, was der JS Kategorie-B (1000 MPN/100 mL) entsprach. Die TN und NO3--N-Konzentrationen im Ablauf der Anlage genügten nicht dem JS von 77 und 76 mg/L, da nur unzureichend Kohlenstoffquellen zur Förderung der Denitrifikation in der zweiten Stufe zur Verfügung standen. Durch die Installation eines Mischbehälters im Ablauf der 1. Stufe, dem eine bestimmte Menge an Rohabwasser zugemischt wurde, konnten die Konzentrationen von TN und NO3--N auf 52 mg/L beziehungsweise 50 mg/L reduziert werden (JS-Kategorie B). Wurde durch die Mischung mit Rohwasser die Entfernung von E.coli auf 3,5 log Stufen verschlechtert (JS Kategorie-C).\ud Die kurzfristigen Auswirkungen der Bewässerung mit gereinigtem Abwasser wurden auf dem Forschungsgelände in Fuhais untersucht. Physikalische, chemische und biologische Bodeneigenschaften wurden in drei parallelen Versuchsparzellen untersucht. Die Parzellen wurden mit Zitronenbäumen bepflanzt. Das Bewässerungswasser wurde über ein unterirdisches Bewässerungssystem verteilt. Behandeltem Abwasser und Leitungswasser zeigte sich die gleiche Tendenz einer erhöhten Bodenversalzung (ECs, SAR). Ein signifikanter Unterschied von ECs, SAR, Mg+2, Ca+2, und Na+ wurde bei 0-20 cm auf Grund hoher Verdunstung beobachtet, welche die Salzanreicherung im Oberboden erhöhten. Mehr Wasser bei der Bewässerung die Salzanreicherung durch kontinuierliche Auslaugung reduzieren. Keine E.coli in den bewässerten Böden vorhanden waren

Topics: Jordanien, Pflanzenkläranlage, Abwasserreinigung, Denitrifikation, Wiederverwendung, Bewässerung, ddc:577
Year: 2016
OAI identifier: oai:kobv.de-opus4-btu:3798

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