Performance of floating treatment wetlands (FTW) with the innovative Tech-IA® system

This work thesis deals with floating treatment wetlands (FTWs), particularly constructed wetlands that can treat polluted water directly in the water body without needing different substrates. Vegetation grows on water thanks to floating mats that can sustains the plants which can develop their roots in the water and became an ideal substrate for biofilm attachment. Through four different experiments it was possible to investigate different aspects of this eco-technology, not yet used in Italy. For this project an Italian patented floating element called Tech-IA has been used. A microcosm experiment was conducted to obtain an ammonium utilization rate (AUR). In order to obtain an indication of the nitrification potential of the attached FTW biofilms, analyses were conducted from roots and attached geotextile test-strips retrieved from under floating mats deployed in a pilot-scale experiment at the Pukete Sewage Treatment plant in Hamilton, New Zealand. After 5 months from the beginning of the floating system project, roots together with strips were removed and laboratory-scale tests were set up. A culture medium with ammonium-N was prepared at the similar concentration as the original wastewater, samples were added to stirred flasks under controlled conditions for 48 h. Results indicate AUR for median values of 429 mg N m-2 biofilm d-1 for the strips and 1582 mg N m-2 biofilm d-1 for the roots respectively. NO3 accumulation, measured in some of these trials, was negligible. This developed methodology could provide comparative information on the components of the floating island systems, such as the mats types, plant species and environment in order to calculate vegetated surface areas required to remove a certain quantity of NH4-N from a specific and known wastewater. Another mesocosm experiment was set up to test the growth of vegetation directly on water, in hydroponic conditions. In addition to improve water quality, FTWs can enhance the aesthetic value of a water body with the presence of flowering species, creating new water environments and urban water spaces. The floating elements can be vegetated with herbaceous species with colourful blooms and these can be distributed along the seasons. This project was a study on establishment and growth of ornamental macrophytes for water treatment with a high aesthetical value too. Different species have been studied to be used in the floating systems. With this cultivation technique directly in water plants probably become more suitable to be planted in floating treatment wetland. The last two experiments are full scale projects. A large sedimentation basin in North of Italy has been provided of a FTW. This project have been installed in an area where there aren’t any natural water receptors that can collect wastewater from cultivated fields and this goes directly in drainage. This collects fields water but also industrial and urban water and brings them to a municipal depurator. During periods when rain is abundant sewerage is overcharged and it discharges part of water in big basins. This system is after several years can accumulate sediments and become absolutely waterproof. The main objectives of this project are to improve water quality in the basin maintaining at the same time the capacity and to reuse this depurated water in agriculture. Furthermore one aim was also to recover this area for environmental purposes. In the system floating elements were bounded together to form long tapes, which became five filtering barriers put perpendicular to the inlet and outlet points. 1800 vegetated floating elements were used form a depurative surface of 900 m2 with 1400 plants chosen for their high cleansing power, big root system and nice aesthetic effect (Juncus sp., Iris pseudacorus, Typha latifolia, Phragmites australis). This plant has been monitored for water quality, plants development and possible management problems. Results on abatement performances for median values: 20% for total N, 43% for ammonia-N, 32% for nitrate and 11% for total P 46% is the abatement for COD at third percentile. Another full scale project was a tertiary treatment system for urban wastewater. Unit wetlands combined in series can provide flexibility and higher pollutant transformation rates characteristic of each single system. In order to enhance the pollutants removal strength of a municipal wastewater treatment plant, an existing constructed wetland was modified. This constructed wetland, located at the end of the traditional treatment, was designed to have a horizontal anaerobic vessel and a sediment pond (SSF and pond surface 285 and 615 m2 respectively). The changes consisted in the substitution of the previous evergreen Mediterranean vegetation planted in the vessel with Phragmites australis, and in the installation of a new FTW in the pond, where 150 m2 of floating mats (Tech-IA® system) vegetated with Ph. Australis and Iris pseudacorus, were set. To understand the treatment capabilities of the plant, a monitoring on wastewater before and after the system has started. Results indicate abatement of the medians around 70% for total nitrogen, 49% for ammonia-N and 67% for nitrate. For phosphorus forms is around 30% and for COD is 54%.

Questo lavoro si occupa dei sistemi flottanti di fitodepurazione (FTWs), che consistono in particolari zone umide artificiali che sono in grado di depurare l’acqua inquinata direttamente in situ senza necessità di utilizzo di substrati differenti. La vegetazione cresce in acqua grazie all’utilizzo di elementi flottanti a cui sono ancorate le piante che possono in questo modo sviluppare le loro radici in acqua e diventare terreno ideale per lo sviluppo del biofilm. Attraverso quattro diversi esperimenti è stato possibile indagare diversi aspetti di questa nuova eco tecnologia, non ancora consolidata in Italia. Per questo studio sono stati utilizzati sistemi flottanti brevettati in Italia, chiamati Tech-IA. Un esperimento in microcosmo è stato realizzato su radici per ricavare un tasso di utilizzo dell’ammoniaca (AUR). Per ottenere un’indicazione sul potenziale di nitrificazione dei biofilm adesi ai sistemi di fitodepurazione flottanti, sono state condotte analisi su radici e strisce di geotessuto prese da sotto i materassi flottanti posizionati in un sistema pilota costruito presso l’impianto di depurazione comunale di Pukete ad Hamilton, in Nuova Zelanda. Dopo cinque mesi dall’inizio del progetto di fitodepurazione flottante, le radici assieme alle strisce sono state prelevate e su di esse condotti alcuni test in laboratorio. E’ stato preparato un substrato di coltura avente la medesima concentrazione di ammoniaca presente nel refluo originario in cui sono stati immersi i suddetti campioni in flaconi agitati meccanicamente, in condizioni controllate, per 48 ore. I risultati indicano valori mediani per AUR rispettivamente di 429 mg N m-2 biofilm d-1 per le strisce e di 1582 mg N m-2 biofilm d-1 per le radici. L’accumulo di nitrato misurato in alcune prove era trascurabile. Questa metodologia può fornire informazioni comparative sulle componenti dei sistemi flottanti di fitodepurazione, come il tipo di elementi flottanti, le specie di piante e l’ambiente per poter calcolare una superficie vegetata richiesta per rimuovere una predeterminata quantità di ammoniaca da un noto e specifico refluo. Un esperimento condotto invece in mesocosmo è stato realizzato per testare lo sviluppo della vegetazione direttamente in acqua ovvero in condizioni idroponiche. Gli impianti flottanti di fitodepurazione oltre a migliorare la qualità dell’acqua possono aumentare il valore estetico di uno specchio d’acqua grazie alla presenza di specie fiorite, nonché creare nuovi ambienti acquatici e spazi d’acqua urbani. Questo progetto è uno studio sull’attecchimento e la crescita di macrofite ornamentali usate per il trattamento dell’acqua con in più un alto valore estetico. Sono state studiate diverse specie per poter essere utilizzate nei sistemi galleggianti. Grazie a questa tecnica di coltivazione direttamente in acqua, le piante probabilmente avranno maggiori probabilità di sopravvivenza nei sistemi flottanti di fitodepurazione. Gli ultimi due esperimenti consistono in progetti realizzati su scala reale. Un ampio bacino di sedimentazione nel nord Italia è stato dotato di un impianto FTW. Questo progetto è stato installato in un’area dove non erano presenti canali di deflusso naturali che potessero raccogliere il refluo proveniente dall’agricoltura, il quale, pertanto, confluiva direttamente nel sistema fognario. Quest’ultimo andava a raccogliere l’acqua proveniente dai campi ma anche reflui urbani e industriali provenienti dal depuratore comunale. Durante periodi di piogge abbondanti, il sistema fognario viene sovraccaricato si da scaricare parte dell’acqua in grandi bacini. Questi, dopo alcuni anni possono accumulare sedimenti e diventare totalmente impermeabili. I principali obbiettivi di questo progetto sono quelli di migliorare la qualità dell’acqua mantenendone allo stesso tempo la capienza e di riutilizzare l’acqua depurata per scopi agricoli. Un ulteriore obiettivo è quello di recuperare l’area a fini naturalistici. Elementi flottanti sono stati legati tra loro a formare lunghi nastri che diventavano barriere filtranti poste perpendicolarmente ai punti di entrata e uscita dell’acqua dal bacino. 1800 elementi flottanti vegetati sono stati usati per comporre una superficie depurante di 900 mq con 1440 piante scelte per il loro alto valore depurante, per uno sviluppato sistema radicale e con un elevato impatto estetico (Juncus sp., Iris pseudacorus, Typha latifolia, Phragmites australis). In questo impianto è stata monitorata la qualità dell’acqua, lo sviluppo della vegetazione e possibili implicazioni gestionali. I risultati sulle performance di abbattimento per i valori mediani sono del 20% per l’azoto totale, del 43% per l’ammoniaca, 32% per il nitrato e 11% per il fosforo totale. L’abbattimento per il COD è del 54% al terzo percentile. Un altro esperimento su scala reale è stato un sistema di trattamento terziario per il refluo urbano. Unità di fitodepurazione diverse, combinate in serie possono portare ad una flessibilità e un maggiore tasso di trasformazione degli inquinanti caratteristico di ogni singolo sistema. Per aumentare la capacità di rimozione di un impianto di trattamento urbano, un esistente sistema misto di fitodepurazione è stato riadattato. Questo, localizzato alla fine di un impianto di trattamento tradizionale, si componeva di un vassoio anaerobico orizzontale vegetato e di un laghetto di sedimentazione. ( superficie del vassoio e del laghetto 285 e 615 m2 ,rispettivamente). I cambiamenti sono consistiti nella sostituzione della precedente vegetazione mediterranea xerofila piantata nel vassoio con Phragmites australis e con l’istallazione di un nuovo sistema flottante nel laghetto, dove 150 m2 di elementi flottanti vegetati con Phragmites Australis and Iris pseudacorus erano stati installati. Per quantificare le potenzialità di trattamento dell’impianto, si è monitorato il refluo all’ingresso e all’uscita dal sistema. I risultati indicano abbattimenti sulle mediane circa del 70% per l’azoto totale, del 49% per l’ammoniaca e del 67% per il nitrato. I fosfati vengono abbattuti del 30% e il COD del 54%.