Process monitoring and control to assess and improve performance of treatment wetlands

Helofytenfilters (TWs) zijn een gevestigde technologie voor het behandelen van afvalwater en het beperken van de impact op oppervlaktewater. Een blijvende uitdaging voor een stabiele werking is echter goede monitoring. Klassieke staalname met labo-analyses veroorzaakt vertragingen, verhoogt de kosten en beperkt de frequentie. Kleine TWs worden vaak nog minder opgevolgd door soepelere regelgeving. Omdat monitoring vooral focust op influent en effluent blijven TWs grotendeels ‘grijze dozen’. De interne processen zijn theoretisch bekend, maar worden nauwelijks gemeten of gekwantificeerd. Interne staalname gebeurt bovendien vaak destructief en metingen ex situ, waardoor het systeem wordt verstoord en stalen hun gedrag veranderen. Dit proefschrift wil deze hiaten verkleinen door (1) procesmonitoring en -sturing te verbeteren met eenvoudige sensoren en (2) interne processen te kwantificeren in full-scale systemen. Deze doelen werden uitgewerkt in vier objectieven. Het eerste objectief was het optimaliseren van een hybride TW die hydrocultuur-effluenten behandelt. De uitdaging was het halen van de lozingsnormen voor totaal stikstof (15 mg N L⁻¹) en totaal fosfor (2 mg P L⁻¹). De stikstofverwijdering steunde op denitrificatie in drie vloeivelden (SF TWs), gevoed door plantresten. Wanneer deze koolstofbron onvoldoende was, werd een vloeibare koolstofbron (LCS) toegevoegd. De dosering gebeurde via een temperatuursensor, gebaseerd op het P-k-C*-model, met als doel een COD/N-verhouding van 5/1 na de SF-eenheden. Na het verhelpen van technische problemen werd een effluentconcentratie van 12.2 ± 6.4 mg N L⁻¹ bereikt, wat het nut van LCS bevestigde. Temperatuur bleek geen goede voorspeller voor nitraat door wisselende influentbelasting. Fosfor werd verwijderd door gebroken geautoclaveerd cellenbeton (CAAC), dat na 770 dagen verzadigd raakte bij 17.6 ± 6.7 g P kg⁻¹. Meer dan drie jaar monitoring bleek noodzakelijk om het systeem naar stabiele prestaties te sturen. Het tweede objectief was het ontwikkelen van een eenvoudige monitoringsmethode op basis van teststrips die automatisch worden uitgelezen met een smartphone. De strips bepaalden pH, fosfaat, ammonium, nitraat en nitriet, en bleken onder vrijwel alle lichtomstandigheden betrouwbaar, behalve bij zeer weinig licht. De resultaten waren representatief en reproduceerbaar op full-scale installaties. Het derde objectief omvatte de aanpassing van de single well push-pull test (SWPPT) voor verzadigde zones van horizontale (HSSF) en verticale (VSSF) TWs. De test gaf gedurende de eerste 20 minuten biokinetische informatie en behield zijn in situ en niet-destructieve karakter. Het vierde objectief paste de SWPPT toe om de kinetiek van zuurstof, nitraat en makkelijk afbreekbare COD te bepalen. Het zuurstofverbruik was hoog in de influentzone van de HSSF TW (eerste-orde snelheidsconstanten tot 0,95 ± 0,20 min⁻¹). In de VSSF TW waren de snelheden lager: 0,013 ± 0,008 min⁻¹ in de bovenste zone en 0,064 ± 0,020 min⁻¹ in de onderste zone. De denitrificatiesnelheden waren consistent in de verzadigde zone van de VSSF TW en gaven potentiële, eerder dan operationele, snelheden weer. Samengevat toont dit werk dat langdurige monitoring belangrijk is voor procesoptimalisatie en stabiele werking. Snelle en surrogaatmethoden kunnen klassieke analyses aanvullen. De SWPPT biedt een niet-destructieve manier om interne processen te kwantificeren en vormt een nieuw instrument voor verdere optimalisatie van TWs.