Effect of depth on nitrogen transformation in duckweed and algae- based ponds as a post-treatment stage for a UASB-septic tank

Other Title(s)

أثر العمق على إزالة النيتروجين في البرك المعتمدة على عدس الماء و الطحالب للمعالجة الثانوية للمياه الخارجة من غطاء الحمأة الللاهوائي الصاعد

Dissertant

Isayed, Ashraf Abd Allah

Thesis advisor

Zimmo, Umar

Comitee Members

Mahmud, Nidal
al-Said, Rashid Muhammad Yasir

University

Birzeit University

Faculty

Institute of Environmental and Water Studies

University Country

Palestine (West Bank)

Degree

Master

Degree Date

2005

Arabic Abstract

تعتبر أنظمة معالجة المياه العادمة المستعملة مثل نظام الحمأة المنشطة مكلفة من حيث رأس المال و التشغيل و الصيانة.

مما يحول دون استخدام هذه التقنيات في الدول الفقيرة ذات الدخل المحدود، الأمر الذي يزيد من حدة المشاكل البيئية في هذه الدول.

و على الرغم من ذلك فهناك أنظمة معالجة بديلة تعتبر بديلا مناسبا للأنظمة المذكورة أعلاه من حيث التكاليف و الكفاءة، و من الأمثلة على هذه الأنظمة، نظام غطاء الحمأة اللاهوائي الصاعد إذ يعتبر هذا النظام الأكثر شيوعا بين الأنظمة اللاهوائية و ذلك لانخفاض تكاليف البناء و التشغيل و الصيانة لهذا النظام و بالإضافة إلى ذلك فإن هذا النظام هو من أقل الأنظمة المخلفة للحمأة التي تحتاج بدورها إلى معالجة قبل طرحها للخارج.

و على الرغم من هذه المميزات لهذا النظام إلا أنه غير كفؤ في معالجة مركبات النيتروجين و الفوسفور، علما بأن مركبات النيتروجين و الفوسفور تعتبر من المواد الملوثة للبيئة بشكل خطير إذا تم طرحها دون معالجة، حيث تسبب هذه المواد مشاكل صحية مثل حالات " الطفل الأزرق " كما و تسبب هذه المواد تلوثا شديدا في المياه السطحية مثل النمو الكثيف للطحالب مما يؤدي إلى مضاعفات خطيرة على الحياة المائية في هذه الأحواض المائية، كما و تؤدي إلى تردي نوعية المياه في هذه التجمعات المائية مما يجعلها غير صالحة للشرب أو الري أو لاستعمالات أخرى.

لذا فيجب إضافة وحدة معالجة ثانية للمياه الخارجة من النظام اللاهوائي المذكور و ذلك لجعل هذه المياه صالحة لاستعمالات مختلفة أهمها الزراعة، و من الأنظمة قليلة التكلفة التي تصلح لهذه المهمة هو نظام البرك المعتمدة على الطحالب و التي بدورها قدرة على تنقية هذه المياه لتجعلها صالحة للزراعة إلا أن هذه الأنظمة تحتاج إلى مساحة كبيرة للقيام بهذا الدور.

تعتبر البرك المعقدة على عدس الماء في جوهرها هي نظام منبثق و محسن عن نظام البرك المعقدة على الطحالب، و بالإضافة إلى ذلك فإن هذا النظام يعتبر من الأنظمة المستدامة و ذلك لأن نبات عدس الماء غني بالبروتينات المفيدة فيستخدم هذا النبات كعلف للدواجن كما و يستخدم كسماد و ذلك لغناه بالنيتروجين إذ ينمو عدس الماء بشكل كثيف في هذه البرك متغذيا على المواد العضوية و مركبات النيتروجين و الفوسفر الموجودة في الماء، و بالتالي فإن بيع هذا النبات هو مصدر دخل يمكن أن يغطي جزءا كبيرا من تكاليف التشغيل و الصيانة، إلا أن هذا النظام أيضا يحتاج إلى مساحات كبيرة لكي يعمل بشكل جيد حيث يحتاج إلى 2-4م2 \ نسمة.

و بالتالي فإن تقليل المساحة المطلوبة لهذين النظامين يجعلهما من الأنظمة الواعدة.

إن المساحة المطلوبة في هذه الأنظمة يمكن تقليلها إذا تم زيادة عمق هذه البرك على أن يبقى الحجم ثابتا، و لكن لا يوجد دراسات كافية تشرح أثر زيادة العمق على كفاءة النظام في إزالة الملوثات عامة و النيتروجين بشكل خاص.

يهدف بحث هذه الرسالة إلى دراسة أثر زيادة العمق على كفاءة البرك المعقدة على عدس الماء.

و بهدف هذه الدراسة تم أنشاء محطة دراسية في محطة البيرة المياه العادمة التي تقع شمال شرق مدينة القدس.

تكونت المحطة الدراسية من نظام غطاء الحمأة اللاهوائي الصاعد يتلوه ثلاثة صفوف من البرك في كل صف ثلاثة برك حيث كان عمق البرك في الصف الأول 90 سم و في الصف الثاني 60 سم أما في الصف الثالث فكان العمق 30 سم.

تم التحكم بمعدل ضخ المياه الخارجة من نظام المعالجة اللاهوائي بحيث يكون إجمالي زمن المكوث للمياه المعالجة في الصفوف الثلاثة المذكورة 28 يوما.

تكونت هذه الدراسة من مرحلتين، المرحلة الأولى هدفت إلى دراسة أثر العمق في البرك المعقدة على عدس الماء، و لكن عندما تعذر نمو هذا النبات في المياه العادمة.

English Abstract

Up flow anaerobic sludge blanket (UASB) is one of the anaerobic systems which is known for its low construction, operation and maintenance cost, high efficiency in removal of organic material, small land requirement, low operation and maintenance cost as well as low sludge production.

Nevertheless, UASB is known for low efficiency in nitrogen (N) and phosphorus (P) removal.

However, nitrogen is a major nutrient in wastewater that must be reduced to acceptable levels because the uncontrolled release of nitrogen to the environment is known to cause serious problems such as infant meth aem oglob inaemia and eutrophication.

Therefore, an appropriate post-treatment unit has to be installed after UASB to comply with effluent guidelines for reuse.

Waste stabilization ponds (WSP) which are also considered as low cost system, are able to meet effluent standards for reuse.

However, these systems are characterized by high land requirement.

Duckweed-based ponds (DBPs) are at their core, modified type of WSP.

Furthermore, the WSP are not only a low cost and easy to build and operate, but they also produce tertiary quality effluents and offer the possibility of resource recovery by producing high quality duckweed protein, which can be of further use.

DBPs as well as WSP systems are efficient as post treatment units after UASB system.

Moreover, land requirement for WSP and DBPs systems can be considerably reduced when influent sewage is pretreated by UASB.

Nevertheless, the use of DBPs is more promising because of the aforementioned cost recovery.

Moreover, land requirement and hence cost can be further reduced by using deeper pond systems.

However, the effect of depth on ponds performance especially in nitrogen removal has so far not been investigated especially under Palestinian conditions.

The main objective of this thesis was to investigate the effect of depth variation on DBPs and ABPs performance and nitrogen removal efficiency.

In order to perform this study, a pilot-scale treatment plant was constructed at Al-Bireh Wastewater Treatment Plant site (AWWTP), 15 Km northeast of Jerusalem-Palestine.

The pilot plant consisted of a UASB-septic tank operated under hydraulic retention time (HRT) of 4 days.

It was followed by three parallel lines of stabilization ponds with three equal ponds each of similar total HRT of 28 day per line.

The depth of the ponds in the first, second and third lines were respectively 90, 60 and 30 cm.

The study was divided into two periods; the first period was conducted between May, 2, 2004 and August, 18, 2004 to investigate the effect of depth variation in DBPs.

As the growth of duckweed and hence the duckweed cover was not maintained due to unfavorable conditions of treated sewage, the same as the first period was investigated for algae based ponds (ABPs) in the period between August, 18, 2004 and November, 1, 2004.

The pilot plant was operated for six months, the average ambient temperature throughout the experimental period was 24.5 o C, while the average water temperature in the first and second periods were 23.6 and 22.9 o C, respectively.

Influent total COD to the system was 1275 ± 84 Mg / L, while average COD concentration in DBPs and ABPs period was 701.6 ± 241.5 and 330.9 ± 69 mg / L, respectively.

The corresponding volumetric loading rates were 25.0 and 11.8 g COD / m3.d, respectively.

The results of this research revealed that total COD, TP and N removal efficiencies were inversely proportioned to depth when equal total HRT was applied for the three lines.

COD removal efficiency for the shallowest and deepest DBPs were 75.4 ± 4.1 %, 62.5 ±5.7 %, while its removal efficiency in the shallowest and deepest ABPs was 54 ± 1.1 %, and 51.6 ± 3.2 %, respectively.

Moreover, total phosphorus (TP) removal in DBPs and ABPs increased by the decrease in depth.

The removal efficiencies of TP in the shallowest and deepest DBPs were 48.5 % ± 9.2 % and 38.5 ± 4 %, respectively.

While TP removal efficiencies in the shallowest and deepest ABPs were 57.6 ± 5.6 % and 37.6 ± 6.4 %, respectively.

Furthermore, total suspended solids (TSS) removal efficiency was higher for deeper DBPs ; it was 64.4 ± 11.8 %, and 58 ± 22.2 % in shallowest DBPs, however negative removal efficiency was achieved in ABPs due to algal growth.

Higher ammonium (NH4+) removal efficiencies were achieved in the shallowest compared to deepest DBPs were 46.6 ± 5.2 % , 30.9 ± 1.6 %, while, in the shallowest and deepest ABPs, they were 64.5 ± 2.8 % and 51.2 ± 1.9 %, respectively.

Furthermore, the removal efficiencies of total Kjeldahl nitrogen (TKN) in the shallowest and deepest DBPs were 44.5 6.3 % and 29.4 ± 6.8 %, respectively.

While they were in the shallowest and deepest ABPs 45.4 ± 3.1 % and 61.1 ± 4.5 %, respectively.

Significantly higher value of sedimentation (higher contribution to treatment) was found in ABPs compared to DBPs.

Finally, even though better removal efficiency was achieved in shallowest ponds for most of the tested parameters, however, they showed higher land requirement (11.7 m2 / capita and 7.8 m2 / capita in DBPs and ABPs, respectively) compared to deepest ponds (6.9 m2 / capita and 3.9 m2/capita in DBPs and ABPs, respectively) to comply with WHO guidelines for restricted irrigation.

Main Subjects

Earth Sciences, Water and Environment

Topics

• Sanitation
• Waste water
• Palestine
• Birah(City)

No. of Pages

120

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-302777