Tres Rios Constructed Wetland System/pl

Projekt terenów podmokłych Tres Rios na zachodnich obrzeżach Phoenix w Arizonie, który został właśnie ukończony i w pełni uruchomiony od 2010 roku, był finansowany zarówno przez sektor prywatny, jak i federalny. Projekt obejmuje szeroko zakrojoną rekultywację przyrodniczą 8-milowego odcinka ujścia rzeki Salt do rzek Gila i Agua Fria (trzy dorzecza). Celem inwestycji była budowa regulacyjnego sztucznego terenu podmokłego, który miałby złagodzić różnice w odpływie z głównej lokalnej oczyszczalni ścieków, a także odtworzyć znaczną ilość siedlisk dla rodzimej roślinności i regionalnej bioróżnorodności. Całkowita realizacja obejmowała budowę ok. 128 akrów terenów podmokłych, 38 akrów korytarzy nadrzecznych, 134 akrów otwartych wód/bagien i około 69 akrów siedlisk. Pod koniec fazy projektowania całkowity koszt projektu miał wynieść kwotę 99 320 000,00 USD. Przeprowadzono analizę kosztów biologicznego usuwania składników odżywczych (BNR), zwłaszcza całkowitego azotu i całkowitego fosforu, w zakładzie przedrozwojowym, projekcie demonstracyjnym oraz pełnowymiarowych instalacjach regulacji przepływu.

Cykl wodny, niezbędna wiedza każdego licencjonowanego inżyniera budownictwa, to ciągły, nieprzerwany proces naturalny, który wpływa na warunki atmosferyczne, pogodę, rolnictwo, odżywianie, bioróżnorodność, roślinność, warunki sanitarne, higienę itp.; jest to główna zmienna w cyklu energetycznym. Poza niejasnym i ukrytym wykorzystaniem, ludzie korzystają z wody na co dzień (np. gotowanie, hydraulika, higiena, podlewanie itp.). Zasoby wodne i oczyszczanie ścieków to dziedziny inżynierii lądowej i wodnej istotne w każdym rozwijającym się regionie, w każdym klimacie. W ostatnich dekadach systemy mokradłowe były intensywnie badane i analizowane ze względu na ich rolę w cyklu wodnym, bioróżnorodności, obiegu węgla i wpływie fal sztormowych. Wraz z przewidywanym nadejściem cieplejszego świata, naukowcy, inżynierowie, architekci oraz specjaliści ds. projektowania i podejmowania decyzji skupili swoją uwagę na tych prostych, ale niezwykle złożonych ekosystemach. Udowodniono wzrost poziomu mórz, osiadanie gruntu ma wpływ na bagna przybrzeżne, a niedawna susza w krajach Środkowego Zachodu podniosła wartość dużych ilości wody jako niezbędnego zasobu i zagrożenia dla obecnego stylu życia, działalności gospodarczej, gospodarki, wzrostu populacji, rozwoju, urbanizacji itp. Świadomość ekologiczna przesunęła nowoczesną inżynierię w kierunku bardziej zrównoważonego podejścia, w którym czynniki zewnętrzne wpływające na systemy ekologiczne są wysoko brane pod uwagę. Celem niniejszego raportu jest omówienie aspektów projektowych, technicznych, prawnych i kosztowych wdrażania sztucznych mokradeł jako alternatywy dla wtórnego oczyszczania ścieków w miejskich systemach oczyszczania ścieków, podobnych do projektu Tres Rios w Phoenix w Arizonie. W tekście omówiono rozwój konkretnego projektu. Technologia oczyszczania ścieków stosowana w różnych typach oczyszczalni ścieków i sztucznych mokradeł zostanie szczegółowo omówiona i porównana ze studium przypadku. Zastrzeżenie: Pełny, szczegółowy opis projektu, pomiarów, przepisów, budowy, uzdatniania wody, pozwoleń i wymagań operacyjnych nie zostanie przedstawiony w całości, ale omówiony w kontekście analizy wykonalności projektu. Ponadto omówione zostaną kwestie prawne, kodeksowe, polityczne i techniczne, z którymi borykają się projekty oparte na studiach przypadku, co powinno posłużyć jako wytyczne dla przyszłych prac. Nie należy ich traktować jako uniwersalnych i należy przeprowadzić odpowiednie badania w regionach zainteresowania.

Cele projektu

Systemy mokradeł tworzonych metodą mechaniczną mogą pomóc społecznościom w oszczędzaniu zasobów wodnych, a nawet zwiększaniu regionalnej bioróżnorodności. Powstają one wokół społeczności dysponujących wystarczającą ilością ziemi. Systemy te są projektowane tak, aby przypominały i naśladowały naturalne ekosystemy mokradeł. Zaprojektowano je tak, aby wykorzystywały naturalne procesy charakterystyczne dla tego unikalnego ekosystemu w systematycznie kontrolowanym środowisku. Procesy te okazały się skuteczne w usuwaniu substancji organicznych i zawiesin poprzez naturalne właściwości mokradeł. Obejmują one fitoremediację, mineralizację mikrobiologiczną oraz filtrację żwirową i sedymentację grawitacyjną. Procesy te zachodzą naturalnie w swoich środowiskach i są mniej energochłonne niż konwencjonalne metody oczyszczania ścieków. Studia przypadków sugerują, że mały, prosty system mokradeł tworzony metodą mechaniczną o wymiarach 20' x 20' x 4' ma wydajność oczyszczania ścieków czarnych i szarych z przeciętnego gospodarstwa domowego. Systemy te zostały wdrożone, zgodnie z tą zasadą, w oczyszczalniach ścieków komunalnych. Suche regiony i społeczności, takie jak Phoenix w Arizonie, są stale narażone na ograniczenia dostępności wody i wdrożyły różne infrastruktury, które oferują opcje zużycia i ponownego wykorzystania wody.

projekt

Kompleks terenów podmokłych Project Tres Rios znajduje się w dorzeczach rzek Salt, Gila i Agua Fria, na których rozwija się miasto Phoenix w Arizonie. Ten konkretny region charakteryzuje się suchym i suchym klimatem oraz niską bioróżnorodnością w porównaniu z bardziej zalesionymi regionami kraju. Coraz częściej sugeruje się, że zasoby wodne w tych regionach występują w ograniczonych formach: wód gruntowych, wód powierzchniowych, rzadkich opadów, a co najważniejsze i najbardziej oczywiste, w postaci odzyskanej i poddanej recyklingowi wody. Aby zmaksymalizować potencjał tych źródeł, Phoenix wraz z okolicznymi miejscowościami, takimi jak Glendale, Mesa, Scottsdale i Tempe, nawiązało współpracę z agencjami inżynieryjnymi, takimi jak Agencja Ochrony Środowiska (EPA), Biuro Rekultywacji, Departament Jakości Środowiska Arizony oraz Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych (USACE), w celu zaprojektowania i zbudowania dodatkowego systemu uzdatniania wody, który wsparłby istniejące systemy. Motywacją do zaprojektowania projektu były wymogi środowiskowe związane z koniecznością spełnienia przyszłych wymagań Krajowego Systemu Eliminacji Zanieczyszczeń (NSDES) w zakresie oczyszczania ścieków. Głównym celem projektu było opracowanie zaawansowanej metody usuwania azotu z oczyszczania wtórnego za pomocą opłacalnej i praktycznej techniki.

Harmonogram projektu: 1994 – Rozpoczęcie prac projektowych nad alternatywnym systemem oczyszczania wody. 1995 – Wiosna. Rozpoczęcie budowy w fazie pierwotnej. 1997 – Wdrożenie wymogów NPDES dotyczących oczyszczania ścieków. 2003 – Ocena stanu roślinności. 2006 – Zakończenie budowy obiektów operacyjnych. 2010 – Wiosna. Rozpoczęcie stabilizacji stałego przepływu wody.

Projektowanie. Kryteria projektowe systemów hydrofitowych mogą się różnić w zależności od krajobrazu, klimatu lub polityki dotyczącej wdrażania w danym regionie, ale proces ten opiera się na trzech zasadach. Inżynierowie muszą uwzględnić hydrologię, rodzaje wzrostu makrofitów i ścieżki przepływu. Istnieją dwa rodzaje hydrofitów: hydrofity z wolną powierzchnią wody (FWS) i hydrofity z przepływem podziemnym (SFS). Elementy projektu:

• Lokalizacja, teren i gleby
• Wpływ ekologiczny
• Struktura naturalna
• Strefy buforowe
• Kontrola wektorów (komary)
• Urządzenia do znęcania się/wykluczania
• Dedykowane źródła wody*
• Różnorodność biologiczna i heterogeniczność fizyczna
• Wybór roślinności
• Zmienność sezonowa
• Wiele komórek
• Dostęp konserwacyjny
• Świadomość społeczna projektu
• Użytek publiczny

Źródło wody. Wstępnym zadaniem w projektowaniu takich sztucznych mokradeł jest rozważenie ich zrównoważonego charakteru i dedykowanego źródła wody. Projekty, które mają służyć jako siedliska i schronienia dla dzikiej przyrody wodnej i lądowej, powinny być ukierunkowane na zaspokojenie długoterminowych potrzeb hydrologicznych. Jakość wody powinna być stale monitorowana i kontrolowana poprzez dopływ. Historycznie, oczyszczalnia ścieków przy 91st Avenue, największa oczyszczalnia w regionie, obsługiwała te społeczności. Dane wskazują, że ta oczyszczalnia ma wydajność oczyszczania 230 milionów galonów (ok. 850 milionów litrów) dziennie i średni dobowy przepływ 140 milionów galonów (ok. 560 milionów litrów). Znaczna część projektu została zaprojektowana z założeniem, że oczyszczalnia odprowadza wysoko oczyszczone ścieki bezpośrednio do pasa rzeki Salt. Obecnie istniejąca oczyszczalnia stanowi główne źródło wody dla sztucznego mokradła Tres Rios, mimo że stanowi ona mechanizm uzupełniający. Oczyszczalnia ma wydajność dostarczania 50 MGD do systemu uzupełniającego, biorąc pod uwagę, że spełnia wymagania innych obiektów. Z całkowitej ilości wody dostarczanej z oczyszczalni 2 MGD stanowią ścieki oczyszczone w postaci czystej nitryfikacji.

Componential SitesThe Tres Rios constructed wetland complex consists of various sectors, each with specified treatment processes. Three sites make up the complex: the Cobble site, Hayfield site and Research site. These each contain cells in which monitored natural treatment takes place.Cobble site: The constructed wetland structures that pertain to this region are two 2.1-acre in-stream wetland cells. This section is situated in the bed of the Salt River and consists of two basins that run parallel to each other. They differ in their lining material; while one is lined with native material (no liner), the other's lining consists of soil form the local farm field. Based on the construction of these liners, infiltration rates and water quality metrics were studied.Hayfield site: This site is made up of two 3.0-acre upland wetland cells, which were constructed on farmland that functioned as literal hay fields. These are set on the upper bank of the Salt River basin, above the ephemeral flow path. The paralleled cells discharge their water into a riparian area below. This sector aided the development of vector management such as mosquito mitigation research.Research site: The wetland components of this are consist of twelve 0.5-acre fast-flowing cells. The twelve cells are divided into four sets of three cells each with different amounts of open-water areas. These pilot cells act as fundamental sections to the system and made clear that natural wetland systems encompass land from the soil of he wetland floor to the trees in the ecosystems vicinity.Additional post-demonstration development was realized by the partnership of the Army Corp of Engineers. These finalizing phases concentrated on a flow regulating wetland (FRW) and an overbank wetland (OBW) sectors. The focus of these additions revolved around water quality, localized flood management and vector control. After the design and construction of these, the system performance greatly improved.The configuration of multiple functional cells allows for residual removal, maintenance of flow control and the ability to manage certain effluents without disruption of a system. Individual cells could be assigned specific purposes and processes. From a circuit point of view, use of multiple cells at different distance from the influent and effluent allows the opportunity to complete required treatments and provide habitat and food for specific biodiversity groups.

Vegetation Selection and AdaptationTrue to any climate, regional vegetation is most often referred as any plant life that has adapted to temperature, humidity, precipitation, and sunlight and climate variations of the studied area. During the construction phase of the artificial wetland project certain native species primitive to the Sonaron southwest region of the United States were selected and integrated to the system. These include freemont cottonwood, goodings willow, cattail, bulrush, giant and alkali sacaton grasses, mesquites, desert screwbean and saltbush.An assessment of the adaptation of selected vegetation was realized in 2003. Results stated that a level of plant stress and failure was present in certain species. The evaluation considered the species, native climate, depth regime, soil requirements, and topography in which the plants were set. Depth resulted as the main determining variable, contributing most to wetland vegetation prosperity. The average depth of vegetated portions of the wetland was approximately eight inches, in difference; there was an increase plant density pertaining to areas with six inches or less depth. After the evaluation, it was determined that the topography also contributed most to the vegetation resilience. As a result, areas were reconfigured with a fluctuating topography of 0.0 ft to 1.5 ft with features such as hummocks, submerged and surface breaching mounds.

Biodiversity and Vector ManagementImplementation of any constructed emulation of natural systems must account for the biodiversity pertaining to the specific ecosystem. During the design phase, the project must implement vegetation patterns, wildlife and the food and energy web in which they interconnect. Planning and management of the Tres Rios Constructed Wetlands have been successful in introducing and attracting such biodiversity. Species diversity has been recorded since the design stages and shown an increase in densities. Some examples of wildlife that has been witnesses are heron rookeries, beavers, and bobcats, coyotes, frogs, bald eagles, and fish life which have adapted to the artificial ecosystem.In addition, mitigation mechanisms and techniques of invasive and damaging species should be present since the project's conception (e.g. vector control). One can minimize mosquito problems by controlling the potential for stagnant water formation and other biological mechanisms. These include biological larvicides, mosquito fish, bats, etc. Dataset records of these kinds of pest mitigation could be found in local abetment districts. Various biological larvicides were introduced in to the Tres Rios water flow, Bacillus thuringiensis israelensis and Bacillus sphaericus have been functional due to alternating application in order to reduce genetic resistance development.Certain disadvantages became present when various vector management techniques were established. Wetland cells bred excessive mosquitos which here mitigated by a percent of the birdlife, yellow-headed blackbirds and marsh wrens. After an effort to manage such vectors that consisted of reducing 50 to 60 percent of the emergent zones, a level of success was achieved resulting in an increase of biodiversity present on the river basins. In turn this minor modification had a negative effect on the water treatment results. Water quality decreased as algal species populated an increased surface area that was exposed to sunlight. This resulted in high levels of dissolved oxygen and TSS.

Costs

Project CostsIn totality, the development involved the construction of approx. 128 acres of wetlands, 38 acres of riparian corridors, 134 acres of open water/marsh areas, and about 69 acres of habitat. Towards the finalization of the design phase, the total project costs were set to reach a sum of $99,320,000.00.This original estimate is mentioned in an official letter towards the chief engineer of the US Corp or Engineers elaborating on the project description and cost breakdown. The sum of $99,320,000.00 is initially divided into federal costs and non-federal costs. These are then broken down in order to specify what the financial support cover in relevant detail. A total of $88,580,000.00 was allocated towards the environmental restoration, which includes design and construction of the wetlands, riparian corridors, etc. Additional funds were required for other implementations of this progressive project. A flood damage reduction, which includes funding for a 5-8 ft. levee, was set to cost $5,380,000.00. The environmental education and recreational development components were processed as non-federal cost responsibilities and this totaled $4,860,000.00. Much of these cost responsibilities are determined by legal policy and code, such as Public law supported by the Water Resources Development Act (WRDA). For example, the Cultural resource mitigation costs of $500,000.00 falls under federal cost due to policy specifying that such components are attributed to such federal sources as long as they are less than 1% of total cost estimates.This level of project funding is strictly enforced by policies, acts, and legal code, documentation in financial books and cost/benefit ratios. For example, the Tres Rios project cost benefit ratios were calculated for the annual costs such as flood control costs (1.65) and average recreational costs (2.54), these included the operational and maintenance costs. Similar assessments achieve a more-for-less perception when project feasibilities studies are performed. The measuring of multiple benefits, such on saving on energy and equipment costs, not to mention projected industry costs, helps a project seem logical and approachable. Projects that revolve around any improvements to established infrastructure through established engineering fundamentals are likely to be considered and ultimately funded.Cost AnalysisThe focus of the cost analysis was on nitrogen and phosphorous removal compared to other wastewater treatment plants, although BNR processes involve a number of parameters and targets. Total nitrogen removal includes ammonia and organic nitrogen and is not completely removed by secondary treatments. This biological process is achieved through various biochemical reactions that alter molecular structures by nitrification and denitrification. Similarly, phosphorous removal is generally low, less than 20% of total phosphorus is removed from treated waters. It has been established that is can be difficult to mitigate through conventional biological wastewater treatment processes and this was assumed to be in favor of the contracted wetlands BNR mechanism. It should be noted that chemicals added to facilitate the removal and precipitation have risk of resulting in sludge by products and this could be costly to dispose.Advantages of constructed wetlands include the boost to regional biodiversity, recharge of local aquifer, no significant chemicals required for BRN (compared to conventional methods) and these systems treat bother TN and TP. The disadvantages consisted of significant vector control requirements, large land area use and cover, and seasonal temperature variation in BNR removal rates. And functionality. It was concluded that the various disadvantages of constructed wetland systems overshadowed the various advantages of implementing such projects and that the cost implications would ultimately determine their ranking in wastewater treatment plant.