Nitrogen removal and sustainability of vertical flow constructed wetlands for small scale wastewater treatment

The challenge for wastewater professionals is to design and operate treatment processes that support human well being and are environmentally sensitive throughout the life-cycle. This research focuses on one technology for small-scale wastewater treatment: the vertical flow constructed wetland (VFCW), which is herein investigated for the capacity to remove ammonium and nitrate nitrogen from wastewater. Hydraulic regime and presence/absence of vegetation are the basis for a three-phase bench scale experiment to determine oxygen transfer and nitrogen fate in VFCWs. Results show that 90% NH4+-N removal is achieved in aerobic downflow columns, 60% NO3--N removal occurs in anaerobic upflow columns, and 60% removal of total nitrogen can be achieved in downflow-upflow in-series. The experimental results are studied further using a variably saturated flow and reactive transport model, which allows a mechanistic explanation of the fate and transport of oxygen and nitrogen. The model clarifies the mechanisms of oxygen transport and nitrogen consumption, and clarifies the need for readily biodegradable COD for denitrification. A VFCW is then compared to a horizontal flow constructed wetland (HFCW) for life cycle environmental impacts. High areal emissions of greenhouse gases from VFCWs compared to HFCWs are the driver for the study. The assessment shows that because a VFCW is only 25% of the volume of an HFCW designed for the same treatment quality, the VFCW has only 25-30% of HFCW impacts over 12 impact categories and 3 damage categories. Results show that impacts could be reduced by design improvements. Design recommendations are downflow wetlands for nitrification, upflow wetlands for denitrification, series wetlands for total nitrogen removal, hydraulic load of 142 L/m2d, 30 cm downflow wetland depth, 1.0 m upflow wetland depth, recycle, vegetation and medium-grained sand. These improvements will optimize nitrogen removal, minimize gaseous emissions, and reduce wetland material requirements, thus reducing environmental impact without sacrificing wastewater treatment quality.

Biological nitrogen fixation and nutrient release from litter of the guachapele leguminous tree under pure and mixed plantation with eucalyptus.

A Pseudosamanea guachapele (guachapele), leguminosa arbórea fixadora de nitrogênio, é uma alternativa para plantios florestais mistos nos trópicos. Como são escassas as informações sobre a espécie em plantios mistos de eucalipto em condições edafoclimáticas brasileiras, foi conduzido um experimento no qual objetivou-se avaliar a contribuição da fixação biológica de nitrogênio para a guachapele e a velocidade de decomposição e de liberação de nutrientes de folhas senescentes de eucalipto e guachapele (oriundas dos plantios puros e consorciado). A porcentagem de N derivado da atmosfera (% Ndfa) foi estimada comparando-se a abundância natural de 15N ( 15N, ) nos tecidos da guachapele com a observada nos tecidos do Eucalyptus grandis, espécie não fixadora, ambas com sete anos de idade. A constante de decomposição (k) e a meia-vida (t1/2) de serapilheira foram estimadas utilizando-se o modelo exponencial aplicado aos dados oriundos de coletas de litterbags. A estimativa da %Ndfa para guachapele, em condições de plantio puro, variou de 17 a 36%, enquanto que, em condições de plantio consorciado, foi de 35 a 60 %. A concentração de N nas folhas senescentes estava positivamente relacionada com a taxa de decomposição, sendo essa decrescente da guachapele para o eucalipto. A t1/2 dos resíduos diferiu significativamente (p < 0.05), sendo de 148, 185 e 218 dias para as folhas de guachapele, mistura das duas espécies e eucalipto, respectivamente. A liberação dos nutrientes (principalmente N, K e Mg) das folhas seguiu a mesma ordem da t1/2 devido à qualidade inicial das mesmas. Os resultados indicam que a guachapele pode beneficiar o plantio misto pela adição de N e por meio da intensificação da decomposição da serapilheira.