En fältstudie av en pilotvåtmark för avloppsvatten med uppåtriktat flöde, flera medialager och många mätpunkter har genomförts i Florida. Resultaten har använts för att framgångsrikt modellera främst kvävedynamiken i anläggningen utgående från mjukvarukonceptet STELLA.
Av: Jörgen Hanaeus
En liten våtmark med uppåtriktad strömning byggdes upp för att behandla avloppsvatten från ett studentboende i Florida. De viktigaste behandlingsprocesserna diskuteras liksom hydrauliken i anläggningen. Störst intresse ägnas modelleringen av kvävedynamiken i upflow-anläggningen som består av flera lager plus växttäcke och är intressant i sig.
Anläggningen har fyra parallella ytor vilka samtliga har provtagits i tredjedelspunkterna, både avseende längd (3m) och djup (0,9m). Den belastas intermittent. Kvävetransformationernas ekvationer ställdes upp, och kopplades till varandra. Modellen, på STELLA-bas, kalibrerades från en av ytorna i början av en septembermånad och reaktionshastigheter bestämdes, varefter modellen kördes och validerades mot mätvärden. Mycket god överensstämmelse erhölls.
Artikeln
Bakgrund
Våtmarkens förtjänster påtalas i anslutning till en kort genomgång av de tre olika huvudtyperna: våtmark med fri vattenyta, med horisontell strömning under markytan samt våtmark med vertikal strömning. Det kan vara tid att höja ambitionsnivån från black-box-nivån (inlopps-utloppsvärden) och söka modellera delstegen i optimeringssyfte i stället.
Modellutvecklingen inklusive hydrauliska aspekter beskrivs och leder fram till detta arbetes mål som är att utveckla en förenklad dynamisk boxmodell för att simulera en våtmark med vertikal, uppåtriktad strömning. Modellen har syftet att vara ett verktyg vid design av sådana våtmarker.
Försök
För att få data till modellen utnyttjades en upflow våtmark som intermittent fick ta emot avloppsvatten från ett studentboende i Florida; i medel 454 l/d. Våtmarken byggdes med fyra parallella ytor; var och en ca 1,5 * 3 m2 och med 0,9 m djup. De bestod av en tät duk på vilken placerats fyra lager: ett fördelningslager med grus, ett 15 cm sandlager, ett 30 cm lager med ”grön adsorbent”, och ett 30 cm lager med ”växtmedium” där också insamlingsrör fanns placerade; försedda med flödesmätare. Lagrens porositet angavs; ca 40 %. I växtmediet planterades (Florida) perennerna Canna, Blue flag och Kaveldun som ansågs lokalt välanpassade och med gott rotsystem och protein(kväve)upptag.
Den gröna adsorbenten bestod till 50% av sand från citronträdsdungar, 15% gummidäckskross, 15% sågspån och 20% kalksten medan växtmediet sammansatts av 75% expanderad lera, 10% vermiculit och 15% torv. Provuttag arrangerades i lagergränserna och uttagsplatserna benämndes botten, mellan och topp. Tre sådana arrangerades i längsled; efter 1/3, 2/3 och i slutet av varje anläggning (4 st).
Prov uttogs belastnings(flödes-?) proportionellt varje vecka under en månad (september 2009). Växtprover från en slumpvis vald yta om 30*30 cm2 togs i början och slutet av mätperioden och analyserades för kväve. Löst syre, temperatur och pH mättes manuellt vid provtagning.
Modell
För att samla och systematisera försöksdata användes mjukvaran STELLA som har en användarvänlig grafik. För huvudkomponenten kväve användes fem transformationer:
Organiskt kväve till ammonium,
Ammonium till nitrat(via nitrit),
Nitrat till kvävgas (denitrifikation) (som lämnar anläggningen),
Nitrat till växtbiomassa,
Ammonium till växtbiomassa.
Långsiktigt kan även växtbiomassans nedbrytning och konvertering till organiskt kväve infogas. Man ursäktar sig för att inte ha beaktat annamoxeffekter (men med tanke på försökstiden, en månad, är säkert konsekvenserna härav försumbara).
Modellen kalibrerades med värden från alla fyra anläggningsytorna under perioden, medan tredje veckan i yta 1 valdes för validering.
Resultat
Inflödet till gruslagret i varje anläggningsyta var 113 l/d och minskade stegvis till 32 l/d i utloppet. Avdunstning och växtupptag förklarar en del (Florida), men författarna lämnar ingen förklaring i övrigt. Det kunde dock hanteras i modellen.
Vattentemperaturen var ca 32 ºC. Syrehalten låg kring 3 mgO2/l genom profilen och pH var drygt 7. Hastighetskonstanter för de olika kvävestegen redovisas. Ammonifieringen var betydligt snabbare i de övre lagren jämfört med sandlagret. Denitrifikationen var större i det gröna adsorbentmediet jämfört med sandlagret och betydligt större än i växtmediet.
Modellen lyckades simulera kväveförloppen framgångsrikt, med R2 = 0,96 i valideringen.
Författarna bedömde att anläggningsytan kunde halveras och ändå klara den aktuella belastningen.
Slutsatser
Modelleringsarbetet kunde genomföras framgångsrikt och tillgängligheten är intressant. Man simulerade flera flöden framgångsrikt. Sannolikt ignorerades partikelinnehållet fram till växt-biomassan; kan vara försvarligt vid den rådande höga vattentemperaturen. Anläggningskonstruktionen är rätt ovanlig men intrssant; upflow-anläggningar i mark tillhör inte vanligheterna i Sverige; troligen beroende på igensättningsrisken. Materialblandningen är även ovanlig.
Författarna är dock mer engagerade i modellbildningen och uppsatta ekvationer än i den praktiska mätsituationen. Således utelämnas exakt geografiskt läge, förbehandling av avloppsvattnet, partikelinnehållet, hur flödet varierade samt varför flödet minskade så kraftigt genom anläggningen.
Källa: Xuan, Zhemin; Chang, Ni-Bin; Daranpob, Ammarin; Wanielista, Marty (2010): Modeling Subsurface Upflow Wetlands Systems for Wastewater Effluent Treatment. Environmental Engineering Science, Vol 27, No 10.
Hela artikeln kan köpas här.
Författarna från: Dep of Civil, Environmental and Construction Engineering, University of Central Florida, 4000 Central Blvd Orlando, FL 32816.
Korrespondens: nchang@mail.ucf.edu
