Ammonia Removal in Free-Surface Constructed Wetlands Employing Synthetic Floating Islands

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 فضلا 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 فضلا 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 عكسيا مع عمق الماء إلا أنها تتناسب طرديا 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 مقترنا 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.

[1]  Ê. L. Machado,et al.  Floating treatment wetlands: A review and bibliometric analysis. , 2020, The Science of the total environment.

[2]  H. Ngo,et al.  A mini-review on shallow-bed constructed wetlands: a promising innovative green roof , 2019 .

[3]  K. Samal,et al.  Ecological floating bed (EFB) for decontamination of polluted water bodies: Design, mechanism and performance. , 2019, Journal of environmental management.

[4]  C. Tanner,et al.  Floating treatment wetlands supplemented with aeration and biofilm attachment surfaces for efficient domestic wastewater treatment , 2019, Ecological Engineering.

[5]  Shan-shan Sun,et al.  Simultaneous improving nitrogen removal and decreasing greenhouse gas emission with biofilm carriers addition in ecological floating bed. , 2019, Bioresource technology.

[6]  S. Waara,et al.  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. , 2019, Journal of environmental management.

[7]  G. Shabir,et al.  Floating treatment wetlands as a suitable option for large-scale wastewater treatment , 2019, Nature Sustainability.

[8]  Ye Deng,et al.  Enhancement of facultative anaerobic denitrifying communities by oxygen release from roots of the macrophyte in constructed wetlands. , 2019, Journal of environmental management.

[9]  Sheng-bing He,et al.  Rural domestic wastewater treatment in constructed ditch wetlands: Effects of influent flow ratio distribution , 2019, Journal of Cleaner Production.

[10]  S. Hurley,et al.  Macrophyte performance in floating treatment wetlands on a suburban stormwater pond: Implications for cold climate conditions , 2019, Ecological Engineering.

[11]  Indu Shekhar Thakur,et al.  Nitrification and denitrification processes for mitigation of nitrous oxide from waste water treatment plants for biovalorization: Challenges and opportunities. , 2019, Bioresource technology.

[12]  M. Afzal,et al.  On-site performance of floating treatment wetland macrocosms augmented with dye-degrading bacteria for the remediation of textile industry wastewater , 2019, Journal of Cleaner Production.

[13]  A. Sessitsch,et al.  A review on the plant microbiome: Ecology, functions, and emerging trends in microbial application , 2019, Journal of advanced research.

[14]  A. Toscano,et al.  Constructed wetlands combined with disinfection systems for removal of urban wastewater contaminants. , 2019, The Science of the total environment.

[15]  M. Carozzi,et al.  A flexible semi-empirical model for estimating ammonia volatilization from field-applied slurry , 2019, Atmospheric Environment.

[16]  E. Bellefroid,et al.  Shallow water redox conditions of the mid-Proterozoic Muskwa Assemblage, British Columbia, Canada , 2019, American Journal of Science.

[17]  M. Asemoloye,et al.  Synergistic plant-microbes interactions in the rhizosphere: a potential headway for the remediation of hydrocarbon polluted soils , 2019, International journal of phytoremediation.

[18]  D. Sample,et al.  Assessing nitrogen and phosphorus removal potential of five plant species in floating treatment wetlands receiving simulated nursery runoff , 2019, Environmental Science and Pollution Research.

[19]  M. Bartoli,et al.  Spatial heterogeneity and short-term oxygen dynamics in the rhizosphere ofVallisneria spiralis: Implications for nutrient cycling , 2019, Freshwater Biology.

[20]  H. Tian,et al.  Global ammonia emissions from synthetic nitrogen fertilizer applications in agricultural systems: Empirical and process‐based estimates and uncertainty , 2018, Global change biology.

[21]  G. Meon,et al.  Kinetics and simulation of nitrification at various pH values of a polluted river in the tropics , 2019, Ecohydrology & Hydrobiology.

[22]  S. Lücker,et al.  Complete nitrification: insights into the ecophysiology of comammox Nitrospira , 2018, Applied Microbiology and Biotechnology.

[23]  J. Sudarsan,et al.  Microbial population dynamics in constructed wetlands: Review of recent advancements for wastewater treatment , 2018, Environmental Engineering Research.

[24]  G. Liebsch,et al.  Dynamics of oxygen and carbon dioxide in rhizospheres of Lobelia dortmanna - a planar optode study of belowground gas exchange between plants and sediment. , 2018, The New phytologist.

[25]  J. Arnscheidt,et al.  An assessment of the performance of municipal constructed wetlands in Ireland. , 2018, Journal of environmental management.

[26]  C. Ahn,et al.  Developing an ecosystem model of a floating wetland for water quality improvement on a stormwater pond. , 2017, Journal of environmental management.

[27]  M. Scholz,et al.  Remediation of synthetic greywater in mesocosm—Scale floating treatment wetlands , 2017 .

[28]  Mohammad Shayannejad,et al.  Development of an innovative integrated model for the simulation of nitrogen dynamics in farmlands with drainage systems using the system dynamics approach , 2017 .

[29]  V. Tsihrintzis,et al.  Constructed Floating Wetlands: A review of research, design, operation and management aspects, and data meta-analysis , 2017 .

[30]  Jochen A. Müller,et al.  Role of plants in nitrogen and sulfur transformations in floating hydroponic root mats: A comparison of two helophytes. , 2016, Journal of environmental management.

[31]  D. Drapper,et al.  Performance Evaluation of a Floating Treatment Wetland in an Urban Catchment , 2016 .

[32]  N. Zaritzky,et al.  Nitrification and aerobic denitrification in anoxic-aerobic sequencing batch reactor. , 2016, Bioresource technology.

[33]  James L. Martin,et al.  Wetlands for Wastewater Treatment , 2015, Water environment research : a research publication of the Water Environment Federation.

[34]  D. Sample,et al.  Evaluation of commercial floating treatment wetland technologies for nutrient remediation of stormwater , 2015 .

[35]  Compilation of Henry’s law constants , 2015 .

[36]  Hsiao-ling Lu,et al.  Water quality improvement with artificial floating islands , 2015 .

[37]  D. Sample,et al.  Vegetation effects on floating treatment wetland nutrient removal and harvesting strategies in urban stormwater ponds. , 2014, The Science of the total environment.

[38]  N. Chang,et al.  System Dynamics Modeling for Nitrogen Removal in a Subtropical Stormwater Wet Pond , 2014 .

[39]  N. Chang,et al.  System dynamics modeling with sensitivity analysis for floating treatment wetlands in a stormwater wet pond , 2013 .

[40]  E. Fassman,et al.  Floating treatment wetland retrofit to improve stormwater pond performance for suspended solids, copper and zinc , 2013 .

[41]  K. Islam,et al.  Exploring hydrobiogeochemical processes of floating treatment wetlands in a subtropical stormwater wet detention pond , 2013 .

[42]  Prem B. Parajuli,et al.  A STELLA Model to Estimate Soil CO2 Emissions from a Short-Rotation Woody Crop , 2012, Water, Air, & Soil Pollution.

[43]  Ariadna Vilar-Sanz,et al.  Nitrogen removal efficiencies in a free water surface constructed wetland in relation to plant coverage , 2011 .

[44]  R. Villa,et al.  A mass transfer model of ammonia volatilization from anaerobic digestate. , 2010, Waste management.

[45]  Peter A. Vanrolleghem,et al.  Engineering aspects and practical application of autotrophic nitrogen removal from nitrogen rich streams , 2010 .

[46]  Y. Ouyang,et al.  A STELLA model for the estimation of atrazine runoff, leaching, adsorption, and degradation from an agricultural land , 2010 .

[47]  M. Whelan,et al.  Continuous-flow laboratory simulation of stream water quality changes downstream of an untreated wastewater discharge. , 2009, Water research.

[48]  Francisco J. Cervantes,et al.  Environmental Technologies to Treat Nitrogen Pollution , 2009 .

[49]  M. Kästner,et al.  Sulphur transformation and deposition in the rhizosphere of Juncus effusus in a laboratory-scale constructed wetland. , 2008, Environmental pollution.

[50]  R. Kadlec,et al.  Treatment Wetlands, Second Edition , 2008 .

[51]  J. Vymazal.  Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. , 2007, The Science of the total environment.

[52]  Zoe G. Cardon,et al.  The rhizosphere : an ecological perspective , 2007 .

[53]  J. Bayona,et al.  Elimination of pharmaceuticals and personal care products in subsurface flow constructed wetlands. , 2006, Environmental science & technology.

[54]  Juan A. Baeza,et al.  Respirometric estimation of the oxygen affinity constants for biological ammonium and nitrite oxidation , 2005 .

[55]  Larry C. Brown,et al.  Effects of wetland depth and flow rate on residence time distribution characteristics , 2004 .

[56]  D. Noguera,et al.  Evaluating the effect of dissolved oxygen on ammonia-oxidizing bacterial communities in activated sludge. , 2004, Water research.

[57]  S. Dyer,et al.  A comparison of stream biological responses to discharge from wastewater treatment plants in high and low population density areas , 2002, Environmental toxicology and chemistry.

[58]  Awwa,et al.  Standard Methods for the examination of water and wastewater , 1999 .

[59]  L. S. Pereira,et al.  Crop evapotranspiration : guidelines for computing crop water requirements , 1998 .

[60]  A. E. Greenberg,et al.  Standard methods for the examination of water and wastewater : supplement to the sixteenth edition , 1988 .

[61]  D. Barraclough,et al.  Fate of fertilizer nitrogen.: III. The use of single and double labelled 15N ammonium nitrate to study nitrogen uptake by ryegrass , 1985 .

[62]  P. Dekock.  The mineral nutrition of plants supplied with nitrate and ammonium nitrogen. , 1970 .