effect of reed and hydraulic retention time on the lead removal in horizontal subsurface flow constructed wetland

[ ' i n t r o d u c t i o n w e t l a n d s a r e c l a s s i f i e d i n t o f o u r k i n d s o f f l o w s a s s u b s u r f a c e ' , ' s u r f a c e ' , ' v e r t i c a l ' , ' a n d h y b r i d f l o w s . u s u a l l y ' , ' w e t l a n d s a r e p l a n t e d w i t h c o m m o n r e e d ( p h r a g m i t e s a u s t r a l i s ) ' , ' a r h i z o m a t o s e p l a n t o f t h e g r a m i n a e w h i c h p r o d u c e s a g o o d y i e l d i n g r e e n b i o m a s s a n d w h o s e r o o t s c a n r e a c h a c o n s i d e r a b l e d e p t h a n d p l a y s a s i g n i f i c a n t r o l e i n t h e w e t l a n d s e l f ' , ' p u r i f i c a t i o n . t h e t r e a t m e n t e f f i c i e n c y o f t h e s e s y s t e m s m a i n l y d e p e n d s o n t h e w e t l a n d d e s i g n ' , ' h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e ( h l r ) ' , ' a n d t y p e o f c o n t a m i n a n t ' , ' m i c r o b i a l i n t e r a c t i o n s a n d t h e c l i m a t i c f a c t o r s . f o r b e s t t r e a t m e n t e f f i c i e n c y t h e s e s y s t e m s r e q u i r e a l o w h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e a n d a l o n g h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e . t h e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e ' , ' i n c l u d i n g t h e l e n g t h o f t i m e t h e w a t e r i s i n c o n t a c t w i t h t h e p l a n t r o o t s ' , ' a f f e c t s t h e e x t e n t t o w h i c h t h e p l a n t p l a y s a s i g n i f i c a n t r o l e i n t h e r e m o v a l o r b r e a k d o w n o f p o l l u t a n t s . w h e r e a s p l a n t s s i g n i f i c a n t l y a f f e c t t h e r e m o v a l o f p o l l u t a n t s i n h o r i z o n t a l s u b s u r f a c e s y s t e m s w i t h l o n g h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e s u s e d t o c l e a n m u n i c i p a l w a s t e w a t e r ' , ' t h e i r r o l e i s m i n o r i n p o l l u t a n t r e m o v a l i n p e r i o d i c a l l y l o a d e d v e r t i c a l f i l t e r s ' , ' w h i c h u s u a l l y h a v e s h o r t h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e s . w i t h r e s p e c t t o t h e n e c e s s i t y o f t h e r e s e a r c h a n d a b o v e d e s c r i p t i o n s ' , ' t h e m a i n p u r p o s e o f t h i s s t u d y w a s t o e v a l u a t e t h e e f f e c t o f r e e d a n d t h e i n c r e a s i n g h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e f r o m 1 d a y t o 1 0 d a y s o n l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c y i n h o r i z o n t a l s u b s u r f a c e ' , ' f l o w c o n s t r u c t e d w e t l a n d t o r e d u c e t h e n e g a t i v e i m p a c t g e n e r a t e d b y l e a d i n t h e e n v i r o n m e n t . x a 0 m a t h e r i a l s a n d m e t h o d s x a 0 x a 0 x a 0 e x p e r i m e n t s o f r e s e a r c h w e r e c o n d u c t e d i n t h e a g r i c u l t u r e f a c u l t y o f i s l a m i c a z a d u n i v e r s i t y ' , ' d e z f u l ' , ' i r a n ( 4 8 ° 2 5 ´ e ' , ' 3 2 ° 1 6 ´ n ) u n d e r a m b i e n t c o n d i t i o n s . c l i m a t e o f t h i s r e g i o n i s w a r m w i t h m e d i t e r r a n e a n r a i n f a l l r e g i m e . a r t i f i c i a l r e e d ' , ' b e d s y s t e m w a s c o n t a i n i n g t h r e e m e t a l b o x e s m a d e o f g a l v a n i z e d i r o n i n m e s o c o s m s c a l e ( 1 × 0 . 3 × 0 . 3 5 m ) . d i m e n s i o n s o f b e d w e r e 1 m l o n g ' , ' 0 . 3 m w i d t h a n d 0 . 3 5 m h e i g h t t h a t f i l l e d b y r i v e r s a n d w i t h a d i a m e t e r o f 0 . 0 1 ' , ' 5 m m a n d a d e p t h o f 3 0 c m . a l a r g e n u m b e r o f y o u n g a n d h e a l t h y p h r a g m i t e s a u s t r a l i s s e e d l i n g s w e r e g a t h e r e d f r o m l o c a l i r r i g a t i o n c a n a l s a n d w e r e i m m e d i a t e l y c u l t i v a t e d a n u m b e r o f 2 0 p l a n t s i n e a c h w e t l a n d i n j u n e 7 ' , ' 2 0 1 3 . w h i l e p l a n t i n g s e e d l i n g s ' , ' a t l e a s t a s p a c e 1 0 c m f r o m e a c h o t h e r a n d a d e p t h 2 0 c m b e t w e e n t h e r o o t s w a s c o n s i d e r e d w h i c h i n c r e a s e d t h e b u d s a n d s h o o t s d u r i n g t h e r e e d s g r o w t h a n d p r e v e n t e d t h e m f r o m d y i n g o u t . t h e s u r f a c e l o a d i n g r a t e a n d h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e w e r e s e l e c t e d a s f o u r d i f f e r e n t r e t e n t i o n t i m e v a r i a b l e s i n c l u d i n g 1 ' , 3 , 5 , ' a n d 1 0 d a y s . t h e w a s t e w a t e r c o n t a i n i n g l e a d w i t h a c o n c e n t r a t i o n o f 1 0 m g p b / l w a s s e l e c t e d b e c a u s e w a s a b o v e s t a n d a r d o f i r a n e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y ' , ' w o r l d h e a l t h o r g a n i z a t i o n ( w h o ) a n d f a o f o r i r r i g a t i o n a n d t h i s d o s e w a s a l s o c h o s e n i n s i m i l a r s t u d i e s i n t h e r a n g e 1 ' , ' 2 0 m g p b / l . a l l i n f l u e n t a n d e f f l u e n t s a m p l i n g s a n d p l a n t s a m p l e s w e r e m e a s u r e d b y p e r k l i m e l m e r a a n a l y s t 7 0 0 a t o m i c a b s o r p t i o n . x a 0 x a 0 r e s u l t s a n d d i s c u s s i o n m o d e l s a n d l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c i e s x a 0 a c c o r d i n g t o m e a s u r e m e n t s ' , ' r e m o v a l e f f i c i e n c y ( r e ) a n d r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n o f i n f l o w t o o u t f l o w ( c / c 0 ) i n s y n t h e t i c w a s t e w a t e r w e r e c a l c u l a t e d . i n a d d i t i o n ' , ' r e m o v a l t i m e r a t i o ( r t r ) w a s c a l c u l a t e d a t d i f f e r e n t r e t e n t i o n t i m e s . a c c o r d i n g l y ' , ' t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c y a n d h r t w a s e x a m i n e d t h a t t h e r e l e v a n t e q u a t i o n w a s d e r i v e d a s t h e e x p o n e n t i a l e q u a t i o n b y u s i n g c u r v e e x p e r t 1 . 4 s o f t w a r e ' , ' s o t h a t a m o n g t h e f i t t e d e q u a t i o n s h a d t h e h i g h e s t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ( r = 0 . 9 7 5 ) t h a t i t s r e s u l t s w e r e p r e s e n t e d i n t a b l e 1 . m e a n w h i l e ' , ' m e a s u r e m e n t s s h o w e d t h e m o r e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e s ' , ' t h e m o r e r e m o v a l e f f i c i e n c y a l s o i n c r e a s e s b u t t h e i n c r e a s i n g r a t e o f r e w a s d e c r e a s i n g i n t h e r a n g e o f 8 8 . 2 % t o 8 4 . 1 d u r i n g d i f f e r e n t r e t e n t i o n t i m e s . x a 0 t a b l e 1 . r e g r e s s i o n c o e f f i c i e n t s o f e x p o n e n t i a l e q u a t i o n o f l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c y s t a n d a r d e r r o r x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 n r c b a 0 . 0 0 4 1 2 0 . 9 7 5 0 . 7 1 8 1 0 . 3 9 0 . 0 8 5 x a 0 e f f e c t o f h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e x a 0 x a 0 x a 0 c h a n g e s t r e n d o f r e m o v a l e f f i c i e n c y i n r e l a t i o n t o h r t s h o w e d t h a t t h e m o r e r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e d ' , ' t h e m o r e r e m o v a l e f f i c i e n c y a l s o i n c r e a s e d . i t s e e m e d t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g h r t ' , ' t h e h y d r a u l i c l o a d i n g r a t e a n d l e a d s u r f a c e l o a d i n g r a t e d e c r e a s e d t h u s ' , ' e n o u g h o p p o r t u n i t y w a s p r o v i d e d f o r p h y s i c a l ' , ' b i o l o g i c a l ' , ' a n d c h e m i c a l p r o c e s s e s f o r l e a d r e m o v a l i n t h e r e e d ' , ' b e d s y s t e m s . i n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e s i g n i f i c a n c e e f f e c t o f h r t o n t h e r e m o v a l e f f i c i e n c y ' , ' o b s e r v e d m e a n s w e r e c o m p a r e d u s i n g s p s s 1 8 s o f t w a r e a n d d u n c a n ’ s t e s t w h i c h t h e r e l e v a n t r e s u l t s a r e s h o w n i n t a b l e 2 . a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s a s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e w a s o b s e r v e d b e t w e e n r e m o v a l e f f i c i e n c i e s a t r e t e n t i o n t i m e 1 ' , 3 , ' 5 d a y s ( p ˂ 0 . 0 5 ) b u t n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e w a s o b s e r v e d b e t w e e n e f f i c i e n c i e s a t r e t e n t i o n t i m e 5 ' , ' 1 0 d a y s ( p ˂ 0 . 0 5 ) . t h e r e f o r e ' , 5 , ' d a y r e t e n t i o n t i m e i s s u g g e s t e d i n o p t i m u m c o n d i t i o n s ( t a b l e 2 ) . x a 0 t a b l e 2 . e f f e c t o f r e t e n t i o n t i m e o n t h e a v e r a g e r e m o v a l e f f i c i e n c y h r t ( d a y ) r e ( % ) d u n c a n t e s t * 1 8 4 . 1 a 3 8 7 . 2 b 5 8 8 . 1 c 1 0 8 8 . 2 c * d i f f e r e n t l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n h r t a t t h e l e v e l o f p ˂ 0 . 0 5 . x a 0 x a 0 s i m i l a r s t u d i e s h a v e b e e n d o n e o n t h e l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c y i n c o n s t r u c t e d w e t l a n d s b y d i f f e r e n t r e s e a r c h e r s a n d s i m i l a r r e s u l t s h a v e b e e n o b t a i n e d ' , ' s o t h a t t h e l e a d r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s m a i n l y c o n c l u d e d i n t h e r a n g e 7 6 t o 9 5 % . m o r e o v e r ' , ' t h e f o r m a t i o n o f i n s o l u b l e s u l f i d e s ' , ' f i l t r a t i o n o f s o l i d s a n d c o l l o i d s ' , ' s e d i m e n t a t i o n ' , ' c o m b i n i n g w i t h i r o n a n d m a n g a n e s e o x i d e h a v e b e e n r e p o r t e d a s t h e m a i n p r o c e s s i n l e a d r e m o v a l f r o m w a s t e w a t e r i n c w s . i n a r e s e a r c h c o n d u c t e d i n s u b s u r f a c e ' , ' f l o w c o n s t r u c t e d w e t l a n d i n a p i l o t s c a l e b y c u l t i v a t i n g t y p h a a n d p h r a g m i t e s ' , ' s i m i l a r r e s u l t w a s o b t a i n e d . i n t h i s s t u d y ' , ' t h e l e a d c o n c e n t r a t i o n o f i n f l u e n t w a s i n t h e r a n g e 1 ' , ' 2 0 m g / l a n d t h e r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s m e a s u r e d i n t h e r a n g e o f 7 5 ' , ' 9 6 % . i n a n o t h e r r e s e a r c h c o n d u c t e d o n l e a d a n d c a d m i u m ' , ' w a s o b s e r v e d t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g r e t e n t i o n t i m e f r o m 2 t o 6 d a y s ' , ' r e m o v a l o f t h e h e a v y m e t a l s i n c r e a s e d ' , ' t o o a n d t h e m a x i m u m r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s 7 5 % . x a 0 b i o a c c u m u l a t i o n f a c t o r t h e l i n e a r r e l a t i o n s h i p b e t w e e n h r t a n d b i o a c c u m u l a t i o n f a c t o r ( b a f ) i n t h e d r y t i s s u e o f r e e d w a s e x a m i n e d . a c c o r d i n g l y ' , ' a l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t h h i g h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ( r 2 = 0 . 9 8 8 ) w a s o b t a i n e d b a s e d o n t h e e q u a t i o n o f x a 0 i n w h i c h h r t w a s h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e i n d a y a n d b a f w a s l e a d b i o a c c u m u l a t i o n f a c t o r i n m g / k g o f d r y w e i g h t . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a s i g n i f i c a n t r e l a t i o n s h i p b e t w e e n h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e a n d b a f s o t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g h r t ' , ' a b s o r p t i o n o f p l a n t r o o t i n c r e a s e d u p t o 1 1 6 m g / k g d . w . o f r o o t t i s s u e a t 1 0 ' , ' d a y s h r t . t h u s ' , ' r e e d i s h i g h l y c a p a b l e o f a b s o r b i n g a n d a c c u m u l a t i n g o f p b a n d p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e r e m o v a l o f l e a d i n s u b s u r f a c e w e t l a n d s y s t e m . a q u a t i c p l a n t s a r e a m o n g t h e m a i n b i o l o g i c a l p r o c e s s e s i n w e t l a n d s b e c a u s e t h e y n o t o n l y d i r e c t l y a b s o r b o x y g e n b u t a l s o m a k e i t e n t e r a r o u n d t h e r o o t z o n e w h i c h l e a d s t o n u t r i t i o n a b s o r p t i o n ' , ' o x i d a t i o n a n d d i r e c t s p o i l a g e o f c o n t a m i n a t i o n s a n d m o r e a c t i v i t i e s o f m i c r o o r g a n i s m s . c o n s e q u e n t l y ' , ' d i f f e r e n t p l a n t s p e c i e s p l a y i m p o r t a n t r o l e s i n t h e h e a v y m e t a l s r e m o v a l . w i t h r e g a r d t o t h e m a s s b a l a n c e o f l e a d i n w e t l a n d ' , ' t h e p e r c e n t a g e o f b e d a n d p l a n t c o n t r i b u t i o n i n t h e l e a d r e m o v a l w a s c a l c u l a t e d ' , ' s e p a r a t e l y . a s a r e s u l t ' , ' t h e c o n t r i b u t i o n o f r e e d i n l e a d r e m o v a l d u r i n g f o u r r e t e n t i o n t i m e s i n t h e r a n g e o f 8 ' , ' 2 2 % o f i n f l u e n t l e a d x a 0 f r o m 1 t o 1 0 d a y s ' , ' r e s p e c t i v e l y s o t h a t t h e c o n t r i b u t i o n o f r e e d i n c r e a s e d i n r e l a t i o n t o h r t b u t i n c o n t r a s t ' , ' t h e c o n t r i b u t i o n o f b e d d e c r e a s e d i n t h e r a n g e o f 7 7 t o 9 1 % o f i n f l u e n t l e a d . i t s e e m e d t h a t t h e c o n t r i b u t i o n o f b e d a t l o w e r r e t e n t i o n t i m e w a s m o r e e f f e c t i v e d u e t o h i g h e r h l r a n d w h e n t h e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e d ' , ' t h e s t o r a g e c a p a c i t y o f b e d d e c r e a s e d . c o n s i d e r i n g t h a t t h e u s e d b e d w a s m a d e o f f i n e s a n d a n d t h e s a n d l a c k e d c a t i o n e x c h a n g e c a p a c i t y ( c e c ) ' , ' s o t h e r e m o v a l m e c h a n i s m s w e r e m o s t l y b i o l o g i c a l a n d p h y s i c a l m e c h a n i s m s r e s u l t e d f r o m p l a n t a n d m i c r o o r g a n i s m s u p t a k e a n d h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c s ' , ' t h e r e f o r e w i t h t h e i n c r e a s i n g r e e d b i o a c c u m u l a t i o n f a c t o r ( b a f ) i n r e l a t i o n t o h r t ' , ' a d e c r e a s e i n t h e c o n t r i b u t i o n o f b e d s e e m s t o b e r e a s o n a b l e . b i o l o g i c a l r e m o v a l i s a n i m p o r t a n t p a t h w a y f o r h e a v y m e t a l r e m o v a l i n t h e c w s ' , ' i t i n c l u d e s p l a n t a n d m i c r o b i a l u p t a k e . t h e r a t e o f m e t a l r e m o v a l b y p l a n t s v a r i e s w i d e l y ' , ' d e p e n d i n g o n p l a n t g r o w t h r a t e ' , ' p l a n t s p e c i e s a n d c o n c e n t r a t i o n o f t h e h e a v y m e t a l s i n t h e w a s t e w a t e r . m a x i m u m c o n c e n t r a t i o n o f m e t a l s i n p l a n t s h a s b e e n o b s e r v e d i n u n d e r ' , ' g r o u n d o r g a n s . x a 0 c o n c l u s i o n s x a 0 x a 0 t h e r e l a t i v e c o n c e n t r a t i o n o f e f f l u e n t t o i n f l u e n t ( c / c 0 ) d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y d u e t o t h e i n c r e a s i n g h r t a n d t h e d e c r e a s i n g h l r f r o m 1 9 . 8 t o 3 . 5 c m / d a y a n d a s a l i n e a r r e l a t i o n s h i p w i t h h i g h c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t ( r 2 = 0 . 9 9 1 ) . t h e r e f o r e ' , ' t h e m o r e r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e d a n d t h e s u r f a c e l o a d i n g d e c r e a s e d ' , ' t h e m o r e t i m e w a s p r o v i d e d f o r c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l p r o c e s s e s a f f e c t i n g t h e l e a d r e m o v a l i n s u b s u r f a c e w e t l a n d s y s t e m . m o r e o v e r ' , ' s t a t i s t i c a l a n a l y s e s s h o w e d t h a t t h e r e w a s a s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n r e m o v a l e f f i c i e n c i e s a t r e t e n t i o n t i m e s 1 ' , 3 , ' 5 d a y s ( p ˂ 0 . 0 5 ) b u t t h e r e w a s n o s i g n i f i c a n c e d i f f e r e n c e b e t w e e n e f f i c i e n c i e s a t r e t e n t i o n t i m e 5 ' , ' 1 0 a t 5 % l e v e l . t h e r e f o r e ' , 5 , ' d a y r e t e n t i o n t i m e w a s s u g g e s t e d i n o p t i m u m c o n d i t i o n s w i t h t h e r e m o v a l e f f i c i e n c y 8 8 . 1 % . m e a n w h i l e ' , ' t h e r e s u l t s o f t h e m e a s u r e m e n t o f r e e d t i s s u e s h o w e d t h a t t h e r e w a s a d i r e c t r e l a t i o n s h i p h r t a n d b a f ' , ' s o t h a t t h e m o r e r e t e n t i o n t i m e i n c r e a s e d ' , ' t h e m o r e b i o a c c u m u l a t i o n f a c t o r i n c r e a s e d u p t o 1 1 6 m g / k g d . w . o f b e l o w o r g a n s d u r i n g e x p e r i m e n t p e r i o d . m o r e o v e r ' , ' t h e c o n t r i b u t i o n o f r e e d i n t h e l e a d r e m o v a l w a s i n t h e r a n g e o f 8 ' , ' 2 2 % o f i n f l u e n t l e a d f r o m 1 t o 1 0 d a y s ' , ' r e s p e c t i v e l y s o t h a t t h e c o n t r i b u t i o n o f r e e d i n c r e a s e d i n r e l a t i o n t o r e t e n t i o n t i m e . c o n s e q u e n t l y ' , ' r e e d p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e r e m o v a l o f l e a d i n h o r i z o n t a l s u b s u r f a c e w e t l a n d . ' ]