Name: 用于废水处理的中宇宙尺度人工湿地设计 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-05-02T14:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 24 s
Description: 学习中宇宙尺度人工湿地处理油砂工艺废水的方法，通过植物与微生物相互作用去除环烷酸类化合物。该方案为优化废水处理系统设计提供了可扩展的实验基础。

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本研究得到了加拿大基因组计划大型应用研究项目（LSARP，资助号 #18207）以及加拿大森林局累积效应资助计划的支持。我们感谢帝国石油有限公司（Imperial Oil Ltd.）为本研究提供了实验材料。同时，我们感谢所有在实验过程中提供协助的人员：Ian J. Vander Meulen、Jason M.E. Ahod、Sara Correa-Garcia、Simon Morvan、Marie-Josée Bergeron、Dilini Atugala、Lisa Gieg、John V. Headley、Étienne Yergeau 和 Christine Martineau。我们还要感谢 Douglas Muench 在实验设计和中型生态系统设计方面提供的帮助。此外，我们感谢北方林业中心的工作人员以及在整个实验过程中提供协助的暑期学生。我们谨此申明，本研究在《第六号条约》（Treaty 6）所涵盖的领土上开展，实验所用材料采自《第八号条约》（Treaty 8）所涵盖的领土。我们承认并尊重曾在此土地上生活、聚集和通行的第一民族、梅蒂人和因纽特人。

1. 中型生态系统构建
注意：有关构建中宇宙所需的全部材料清单，请参见材料表；中宇宙构建示意图见图1。
<ol>
	<li>如有需要，取下聚乙烯水箱（129.5 cm x 30.0 cm）的顶部。</li>
	<li>准备排水孔；在聚丙烯水箱的同一侧钻两个孔（部件 #1 和 #2）。将PVC双头穿板接头（部件 #3）插入两个孔中，确保外螺纹朝外。使用防水密封剂对穿板接头的外缘进行密封。
	<ol>
		<li>土壤排水孔（部件 #2）：将其置于水箱角落底部，确保有足够的空间安装穿板接头。</li>
		<li>地表排水孔（部件 #1）：将其安装在土壤高度以上，靠近水箱中心位置。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在穿板接头内侧安装带滤网（部件 #5）的软管垫圈（部件 #4），并用密封剂固定。</li>
	<li>设置内部排水管道：
	<ol>
		<li>对于地表排水孔（部件 #1），首先将PVC外螺纹接头（部件 #10）连接到穿板接头（部件 #3），然后连接90° PVC弯头（部件 #11）。</li>
		<li>将一段按所需水位高度裁剪的PVC管（部件 #12）插入90°弯头中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>安装外部排水管道。在以下步骤中，使用压环将PEX管固定到接头上。
	<ol>
		<li>在3/4英寸PEX转3/4英寸MPT黄铜接头（部件 #6）的螺纹上缠绕生料带，并连接至穿板接头（部件 #3）。</li>
		<li>裁剪两段等长的3/4英寸PEX管（部件 #7），并连接至MPT黄铜接头（部件 #6）。</li>
		<li>在PEX管（部件 #7）上安装一个塑料扩口弯头接头，地表排水孔方向朝下，土壤排水孔方向朝向水箱中心。</li>
		<li>对于土壤排水孔（部件 #2），将PEX管连接至弯头，随后连接球阀、另一段PEX管和一个塑料扩口三通。调整PEX管长度，使扩口三通顶部与地表排水管道对齐。</li>
		<li>对于地表排水孔，将PEX管连接至塑料扩口弯头，并将其连接至扩口三通。</li>
		<li>系统连接完成后，在塑料扩口三通上再连接一段PEX管（部件 #7），末端接一个朝下的塑料扩口弯头。</li>
		<li>在塑料扩口弯头接头底部再连接一段PEX管（部件 #7），确保水排入储水箱中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>增强微生态系统（mesocosm）的结构强度：
	<ol>
		<li>使用2英寸×4英寸的木料制作一个框架（部件 #13，长129.5 cm，宽37.0 cm）。</li>
		<li>用木螺钉固定框架。</li>
		<li>将框架放置在微生态系统上，确保其不压在管道接头上。</li>
		<li>用铝箔包裹微生态系统的外侧，以减少从侧面进入土壤的光线。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 中型生态系统装置的设置与维护
<ol>
	<li>从种子开始培育实验用植物：
	<ol>
		<li>根据需要对种子进行层积处理。</li>
		<li>将种子放入装有泥炭作为插条基质的标准聚苯乙烯育苗盘中。</li>
		<li>幼苗萌发后，使用水溶性植物营养液（24-8-16）每周施肥 3 次。</li>
		<li>让幼苗生长至少 3–5 个月，以确保其达到适合处理反应的最佳大小。 
		注：确切的生长时间取决于物种的大小和类型。如果幼苗为购买所得而非自行培育，则可省略此步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将微生态系统（mesocosm）放置于温室中：
	<ol>
		<li>（可选） 使用胶合板加固温室工作台，以支撑微生态系统的重量。</li>
		<li>将微生态系统均匀分布在温室的台面上，确保处理组的随机布置，并尽量减少环境条件的差异（图 2）。</li>
		<li>将管道系统置于台面边缘，以便排水顺畅流入储水罐（图 2）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置储水罐：
	<ol>
		<li>将一个 57 L 容量、顶部敞开的塑料工业桶置于排水管道下方。</li>
		<li>在储水罐中下部安装一个潜水式循环泵，以实现罐内水体的持续混合。将电源线固定在罐体外部。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>添加并饱和基质：
	<ol>
		<li>将基质均匀铺入微生态系统中，并施加适度压力将其压实至所需高度。 
		注：基质高度取决于研究目标和植物种类。</li>
		<li>使用反渗透（RO）水完全饱和基质，测量所加水量；该体积即为基质中孔隙水的体积。 
		注：孔隙水是指基质饱和时所加入的水量，当水位与基质表面齐平时可观察到。此过程可能需要长达一天时间。孔隙水体积对于确定系统中确切水量及计算流速至关重要。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>确定流速：
	<ol>
		<li>根据前期研究和实验目标选择滞留时间。</li>
		<li>计算微生态系统中的总水量。 
		<img alt="微生态系统设置中的水量计算公式，涉及尺寸和孔隙水体积。" src="/files/ftp_upload/68195/68195eq01.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 1"></li>
		<li>计算流速。 
		<img alt="用于水量计算的流速公式（L/d）；环境科学研究中的方程。" src="/files/ftp_upload/68195/68195eq02.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 2"></li>
	</ol>
	</li>
	<li>安装水泵：
	<ol>
		<li>将一个水泵置于两个相邻的微生态系统之间。 
		注：如有需要，也可为每个微生态系统单独配备一个水泵。</li>
		<li>使用公对公 USB 线缆将所有水泵连接在一起，并将最后一个水泵连接至控制器。</li>
		<li>将进水阀管路浸入储水罐中，并加以固定或配重，防止移位。</li>
		<li>将出水阀管路固定在微生态系统后上方角落，确保其始终位于水位线以上。</li>
		<li>用铝箔包裹管路，以帮助防止藻类生长。</li>
		<li>按照制造商说明设置并校准水泵、电源插座和控制器15。</li>
		<li>将水泵调节至计算所得的流速。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>种植并使植物适应物种：
	<ol>
		<li>在使植物适应微生态系统环境的同时，将温度和 LED 生长灯调节至植物生长的最佳水平。</li>
		<li>在微生态系统中均匀种植 6–12 株植物个体，以确保单位面积内生物量相等。 
		注：个体数量可能因研究目标和物种生理特性而异（例如，随着 Typha latifolia 根系受限，个体数量可适当减少）。</li>
		<li>逐步升高 RO 水位，每个水位维持 1–2 天，并根据需要更换 PVC 管（步骤 1.4.2）以匹配当前水位。</li>
		<li>开启水泵，设定为最终所需的流速。</li>
		<li>当达到目标水位后，将温室的光照和温度调整至实验设定条件，并让植物适应约 35 天。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>排空并冲洗系统：
	<ol>
		<li>移除 PVC 立管并打开球阀，彻底排空系统；此过程可能需要长达 2 天。</li>
		<li>用 OSPW 冲洗系统并完全排空，确保 PVC 管保持移除状态且球阀处于开启状态。注意：冲洗过程中使用的 OSPW 不得用于后续实验。</li>
		<li>冲洗完成后，关闭球阀，并安装 PVC 管以匹配目标水位。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>添加 OSPW：
	<ol>
		<li>小心地将 OSPW 倒入每个微生态系统中，避免扰动基质或植物，直至达到目标水位。</li>
		<li>若使用多批次水源，应确保其化学性质一致，或将其均匀分配至所有微生态系统中。</li>
		<li>用 OSPW 填充储水罐，距罐顶保留约 5 cm 空间。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>管理蒸发：
	<ol>
		<li>根据需要使用 RO 水补充储水罐，保持水位在距罐顶约 5 cm 处。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 取样
<ol>
	<li>植物物种测量：
	<ol>
		<li>每个滞留时间周期内，测量植物健康和生长指标16。植物健康指标包括可见的胁迫症状，如黄化和昆虫损害；植物生长指标包括死亡率、株高和盖度百分比（% cover）。</li>
		<li>实验结束时，可根据需要采集植物地上部分生物量和植物组织化学成分样品。 
		注：所采用的监测间隔和测量指标推荐用于研究NAFCs对植物健康的影响，具体可根据实验目标进行调整。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>基质测量：
	<ol>
		<li>基线表征：在将基质添加至每个中宇宙系统之前，测量一系列参数（如pH、电导率（EC）、氧化还原电位（ORP）、主要阴/阳离子、营养物质、NAFCs以及任何其他相关污染物）。</li>
		<li>在第一个滞留周期内，从每个中宇宙系统中采集基质样品，以获得基础化学参数的基线值。基质样品应从每个中宇宙系统的随机位置采集。</li>
		<li>每个滞留时间周期内，使用合适的ORP探针测量基质的ORP。</li>
		<li>实验结束时，从每个中宇宙系统中采集基质样品，并测量与基线表征相同的参数（如pH、EC、ORP、主要阴/阳离子、营养物质、NAFCs以及任何其他相关污染物）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>水体测量：
	<ol>
		<li>基线表征：在将油砂工艺废水（OSPW）加入每个中宇宙系统之前，测量一系列参数（如pH、EC、ORP、主要阴/阳离子、营养物质、NAFCs以及任何其他相关污染物）。</li>
		<li>实验开始后，应在数天后（即滞留周期1结束时）从每个中宇宙系统中采集初始OSPW样品，以使OSPW中的沉积物充分沉降，并使孔隙水空间被填满。OSPW样品应从每个中宇宙系统的前端采集。</li>
		<li>每个滞留时间周期内，使用指定仪器测量溶解氧（DO）、ORP、pH、EC和温度。</li>
		<li>实验结束时，采集最终水样以测定常规化学参数，测量一系列参数（如DO、pH、EC、ORP、主要阴/阳离子、营养物质、NAFCs以及任何其他相关污染物）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="显示水流及组件（如水泵和PVC管）的水培系统设置示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig01.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 1"> 
图1：中型生态系统设计与实验装置示意图。（A）中型生态系统构建方式及所需组件示意图。（B）示例性实验装置，包括基质和植物的添加以及储液器的放置。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="用于土壤排水分析的实验装置，配有集水桶。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig02.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 
图 2：微生态系统与储水罐布局示例。（A）温室内未包裹铝箔的微生态系统与储水罐布局。（B）微生态系统外包裹铝箔以减少光透入的布局，铝箔包裹的微生态系统每两个共用一个水泵。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

<ol><li>Alberta Geological Survey Oil Sands. , Alberta Geological Survey. 
 <a target="_blank" href="https://ags.aer.ca/our-science/oil-and-gas/oil-sands">https://ags.aer.ca/our-science/oil-and-gas/oil-sands</a> (2024).</li>
<li>Alberta Geological Survey. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Energy+Regulator+State+of+Fluid+Tailings+Management+for+Mineable+Oil+Sands%2C+2020%22">Energy Regulator State of Fluid Tailings Management for Mineable Oil Sands, 2020</a>. , 83(2021).</li>
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<li>Cancelli, A. M., Borkenhagen, A. K., Bekele, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+vegetation+assessment+of+the+Kearl+treatment+wetland+following+exposure+to+oil+sands+process-affected%5BTitle%5D)+AND+%22Water%22%5BJournal%5D)">A vegetation assessment of the Kearl treatment wetland following exposure to oil sands process-affected.</a> Water. 14 (22), 1-18 (2022).</li>
<li>Simair, M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Treatment+of+oil+sands+process+affected+waters+by+constructed+wetlands%3A+Evaluation+of+designs+and+plant+types%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Total+Environ%22%5BJournal%5D)">Treatment of oil sands process affected waters by constructed wetlands: Evaluation of designs and plant types.</a> Sci Total Environ. 772, 145508(2021).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

人工湿地已被用作处理多种废水的被动且成本效益较高的方法13；然而，将其用于处理油砂工艺水以降低萘酸类化合物（NAFC）浓度仍是一种相对较新的方法7,8,9,10,11,12,17,18。通过本文所述方法，可评估多种设计参数，从而提高人工湿地的处理效能。
如图1所示组装中宇宙系统，并确保安装适当的排水管道。为防止基质堵塞出口导致潜在的流动问题或滞留时间不均，在底部排水塞上安装带滤网的软管垫圈，并将顶部排水孔置于基质水平以上。尽管采取了这些措施，若仍发生堵塞，可使用排水钻或气压清除堵塞物。
将中型试验系统放置在用胶合板加固的温室实验台上，并在实验台两端放置储水桶以实现水的循环利用。水通过重力流在系统中循环，从进水软管端进入，从地表排水孔端流出，再循环回到储水桶中。水力停留时间（天）的选择依据先前人工湿地研究的结果7。使用潜水循环泵以确保储水桶中的水持续混合。通过计量泵促进中型试验系统与储水桶之间的水体流动。一个计量泵可连接两个中型试验系统。应根据实验目标设定泵的运行参数，以达到所需的流速和停留时间。
在构建中宇宙系统后，将基质均匀地填入中宇宙系统，移植植物，并加入反渗透水。在植物适应期最初使用反渗透水，以确保系统正常运行且植物健康，然后再开始实验。适应期结束后，排干中宇宙系统，用100%油砂尾矿废水冲洗24小时，以确保孔隙水完全替换，然后重新注入油砂尾矿废水，开始实验。
应完成的关键测量指标包括植物健康与生长参数、基质和水体化学参数，以及目标污染物的浓度。为确保中型生态系统正常运行，需每个周期进行一次水体和基质参数的常规测定。建议每个周期使用YSI Professional Plus多参数仪器测定一次水质参数，包括溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、pH和电导率。土壤氧化还原电位（ORP）和水体溶解氧（DO）是监测中型生态系统是否维持好氧条件的关键参数。
所述方法具有高度适应性，可根据处理目标进行调整。主要的处理参数修改包括但不限于植物种类、多种植物的使用、水力停留时间、环境条件、基质组成与深度，以及肥料的添加。植物种类的选择应基于能够提高植物存活率和植物修复效率的特性。选择适应当地气候的本土湿地植物种类，将提高成功生长和存活的可能性11,13,14。适用于人工湿地处理系统（CWTS）的植物种类通常具备深广的根系、发达的根状茎、快速生长能力、充足的氧气输送能力，以及抵抗盐度影响的生理机制17,19,20。通常建议避免混种多种植物，因为植物多样性增加可能导致人工湿地处理系统效能的不确定性上升。尤其当某一植物占据优势地位时，将难以预测系统的运行行为14。所选植物种类还会影响蒸散作用，进而可能导致盐分及其他污染物的浓缩效应。
必须确保系统中蒸散作用得到补偿，通过使用反渗透水（RO水）维持OSPW液位。使用市政用水或非反渗透水可能导致其他成分（如氯化物、钙、氟化物）浓度升高，从而影响中宇宙研究的结果。调整水力停留时间可能有助于曝气，确保中宇宙内各组分和液位不进入厌氧状态，否则可能对微生物群落和植物健康产生影响。
脉冲式或间歇性进水可用于模拟自然湿地的动态过程（例如暴雨事件和季节性径流）。确保环境变量（温度、光照条件和季节变化）与研究区域的实际情况相似，对于将研究成果外推至大规模人工湿地处理系统（CWTS）至关重要，因为这将减少影响系统的变量数量，并有助于分析这些变量对CWTS削减NAFCs效能的影响。选择可用于大规模CWTS的中试系统基质，将有助于指导未来系统设计并提高处理系统的效能。在油砂开采中，粗砂尾矿和泥炭-矿物混合物是常用的基质材料，此前已在中试系统研究中进行过测试，以确定最优基质，从而改善植物健康状况、促进有益微生物群落的生长，并协助削减NAFCs17。
该方法的主要局限性在于中型试验系统的尺寸和深度有限，这可能影响根系生长并导致植物根系缠绕。这些限制可通过缩短实验周期和/或减少所用植株数量来克服。若在同一中型试验系统中使用多个物种，物种间竞争可能产生协同或叠加效应。最终，中型试验系统的尺寸和深度可能限制实验持续时间，从而减少所收集数据的总量。长期实验可研究养分循环等过程，这些过程发生在有机质通过植物残体和根系分泌物的积累及缓慢分解而进入系统时。这可能影响微生物群落以及污染物衰减速率。此外，该中型试验系统设计的相对较短的实验周期可提供快速反馈，有助于优化后续实验。可向中型试验系统中添加养分，但所添加肥料的种类和用量需进行严密监测，以防止藻类大量繁殖。
温室内的条件设置旨在创造最佳的生长环境；温度范围被设定为能够适当地反映该地区季节性温度变化，并通过逐步调整以模拟自然的昼夜波动。湿度水平也控制在代表该地区气候特征的范围内进行变化。此外，在规定的白天时段内，温室设计为接收25,000勒克斯（lux）的光照，相当于约200 W/m²的自然日光强度。为确保光照强度的一致性，当自然光水平低于此阈值时，将自动开启LED灯。使用温室也存在一定的局限性。尽管它提供了受控的环境，但温室也可能带来一些独特挑战，例如病虫害侵袭、温室效应以及形成非自然的生长环境。其中，病虫害在温室环境中尤为常见，可能影响植物的健康与生长。为减少杀虫剂的使用，采用天敌生物防治或物理方式除虫是理想的替代方案。尽管存在这些挑战，温室仍然是开展预试验研究的最佳环境，因为它允许对各个参数进行精确控制和单独考察14。
该方法是设计中型生态系统实验的多种途径之一。人工湿地处理系统（CWTS）的中试规模实验既可在室外10,21进行，也可在室内4,17开展。室外中型生态系统受多种环境因素影响，这些因素可能以复杂且不可预测的方式相互作用。此类相互作用使得对单个变量进行建模或阐明驱动观测结果的具体机制变得困难。因此，难以确定哪些因素影响了CWTS的性能，并识别出可优化系统设计的潜在改进方向；然而，室外系统更接近实际规模CWTS的运行条件14。相比之下，室内中型生态系统提供了更可控的环境，能够最大限度地减少自然环境及其他外部因素的影响，从而更易于理解系统内的过程，并识别可提升性能的设计参数。
人工湿地处理系统（CWTS）的设计通常采用水平表面流4,10,17,18或垂直地下流18两种形式。本文所述方法代表一种水平表面流中型试验系统（mesocosm）设计。尽管垂直流系统依靠重力促进水的垂直流动，具有更好的充氧效果且所需空间较小，但水平流系统能维持更稳定的运行条件10，并增强植物修复潜力22。中型试验系统在人工湿地处理系统的开发中具有显著优势：可通过测试关键组分优化系统效率，为未来大规模应用提供依据；同时具备环境条件可重复和可控的特点，能够分离并测量单个实验参数，并追踪生物变化及化学物质的消减途径。

加拿大阿尔伯塔省北部的油砂地区拥有世界第三大石油储量，每天生产超过300万桶原油1。然而，通过露天开采提取沥青的过程会产生大量尾矿和油砂工艺影响水（OSPW）作为副产品。由于阿尔伯塔省实行零排放政策，这些副产品被储存在可开采油砂区域的尾矿池中。截至2023年，尾矿池中估计有391.1百万立方米（Mm3）的OSPW以自由水形式存在，且不包括尾矿沉降过程中将持续释放的孔隙水2。OSPW含有&#60;5%的固体，其特征是盐分、痕量金属以及有机污染物浓度较高3。
油砂工艺废水中存在多种主要污染物，包括环烷酸组分化合物（NAFCs）、多环芳烃（PAHs）、BTEX（苯、甲苯、乙苯和二甲苯）、酚类以及重金属3,4。NAFCs 是沥青中的有机化合物，在提取过程中被溶解并浓缩，始终被认为是油砂工艺废水急性毒性的主要来源5,6。由于该废水的体积大、成分复杂且具有毒性，因此在环境和经济方面均带来诸多挑战。开发经济高效、无需外部能源且可扩展的处理技术至关重要，因为传统方法（如化学氧化和过滤）在大规模应用中仍存在可行性限制。人工湿地处理系统（CWTS）是一种低能耗、经济且可持续的水处理系统，依靠植物及其相关微生物来降低废水中污染物的浓度；该系统已逐渐成为处理油砂工艺废水的一种有前景的替代方案7,8,9,10,11,12。
人工湿地（CWTS）是一种工程化湿地，旨在模拟自然湿地的过滤功能。最初设计用于处理雨水和市政废水，目前CWTS已被广泛应用于多种场景，包括农业废弃物、酸性矿山排水、工业废水及其他修复工程13。这类系统包含三个基本组成部分：基质、水和植被。CWTS可设计为表面流或潜流系统，水流方向可配置为水平或垂直流动13,14。由于湿地植物（水生植物）能够适应长期饱和的土壤环境，因此在CWTS中被广泛应用。通常，CWTS常采用挺水植物种类，例如香蒲属（Typha sp.）、灯心草属（Juncus sp.）和莎草属（Carex sp.）。
人工湿地系统（CWTS）采用多种机制进行水处理。悬浮固体可吸附污染物并沉降，形成促进植物生长的沉积层。此外，植物可通过生物和非生物机制的联合作用，转移或转化溶解态污染物。非生物机制包括过滤、沉降、沉淀、吸附、化学氧化/还原、络合、光降解和挥发。生物过程则涉及生物转化（由微生物或植物介导）、植物富集和植物稳定化13,14。CWTS作为自维持系统具有显著优势，通常随时间推移处理效率不断提高14。这些系统用途广泛，能够同时处理多种污染物，且环境可持续并易于被公众接受。此外，与传统处理方法相比，其较低的运行和资本成本使其非常适合处理大量废水，例如油砂工艺废水（OSPW）。然而，OSPW中同时发生的各种非生物和生物过程十分复杂，需要精心设计，以优化CWTS的处理效能。明确处理目标，并结合实验室、中试和示范规模的系统测试，对于优化系统性能并预测全规模实施的成功至关重要14。
中试规模实验通常被称为中宇宙实验，一般使用水槽或水箱来模拟单个处理单元。中宇宙实验既可在室内进行，也可在室外作为基于野外的实验开展。中宇宙是一种部分封闭的系统，相较于台式规模实验具有更高的生态复杂性，同时仍能保持足够的控制性和重复性，以评估各个设计参数对污染物去除的影响。中宇宙尺度的研究对于验证处理机制以及在较小规模下发现潜在问题至关重要，因为在该尺度下可以更方便地实施设计修正和调整14。本实验方案描述了一种室内中宇宙尺度的水平潜流人工湿地处理系统（CWTS）的构建与运行方法，为设计人工湿地处理系统研究提供了实用框架，尤其适用于油砂工艺废水（OSPW）中新型芳香族含氟化合物（NAFCs）的衰减研究。

<table><tbody><tr><td>2英寸 x 4英寸 x 12英尺 木材</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 黄铜PEX球阀</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 铜制PEX卡压环（用于PEX管）</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 IPEX Schedule 40 PVC 90&amp;deg; 焊接弯头接头</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 白色PEX管材</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td>用于中型生态系统外部</td></tr><tr><td>3/4英寸 PEX转3/4英寸 MPT 黄铜转换接头</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 塑料膨胀弯头接头（用于PEX）</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 塑料膨胀三通接头（用于PEX）</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 PVC舱壁接头 水箱连接适配器</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 PVC Schedule 40 / 90度弯头</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 PVC Schedule 40 阳端适配器&amp;nbsp;</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>3/4英寸 白色PVC管材</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td>用于中型生态系统内部</td></tr><tr><td>4英寸 木螺钉</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>铝箔&amp;nbsp;</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>水族箱潜水循环泵（动力头）</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td>带吸盘或磁性底座</td></tr><tr><td>软管垫圈</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Miracle Grow 水溶性植物营养液</td><td>Miracle Grow</td><td>不适用</td><td>24-8-16 配方</td></tr><tr><td>Neptune Apex A3 水族控制器及电源条</td><td>Neptune Systems</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Neptune Apex DOS 静音驱动计量泵</td><td>Neptune Systems</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Neptune AquaBus 电缆 - 15英尺 公对公</td><td>Neptune Systems</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Neptune DOS DDR 输液管&amp;nbsp;</td><td>Neptune Systems</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>开口式塑料工业桶</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td>57 L</td></tr><tr><td>培养皿</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td>用于种子层积处理</td></tr><tr><td>泥炭</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>聚丙烯水箱&amp;nbsp;</td><td>D&amp;M Plastics Inc.</td><td>RW1016</td><td>50.8 cm 高 &amp;times; 33.0 cm 宽 &amp;times; 129.5 cm 长；248.1 L</td></tr><tr><td>通用型硅酮防水密封胶（水族级）</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>标准聚苯乙烯育苗盘（415A）&amp;nbsp;</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>聚四氟乙烯生料带</td><td>任意供应商</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>YSI Professional Plus 多参数水质分析仪</td><td>YSI Inc.&amp;nbsp;</td><td>6050000</td><td></td></tr></tbody></table>

中型规模人工湿地污水处理系统设计

Mesocosm-Scale Constructed Wetland Design for Wastewater Treatment

油砂加工废水（OSPW）是加拿大阿尔伯塔省通过露天开采方式提取沥青过程中产生的副产物，其中含有多种令人关注的组分，包括环烷酸类化合物（NAFCs）。由于这些有机化合物具有环境毒性和持久性，因而尤为令人担忧。人工湿地处理系统（CWTS）利用植物及其相关微生物来降低废水中污染物的浓度。现场规模的CWTS已被提出作为处理OSPW（特别是降解NAFCs）的一种潜在大规模处理方案。为了优化CWTS在大规模处理OSPW中NAFCs的应用，必须深入理解各种设计参数，并探索提高其处理效能的途径。
中型规模实验在复杂的野外试验与受控的实验室环境之间起到了重要的桥梁作用。中型系统提供了一种受控且可重复的环境，可在其设计中融入生态复杂性，用于研究底物、植物种类、温度和停留时间等各种参数的影响。已发表的前期研究表明，该方法在评估不同参数对人工湿地处理油砂工艺水中新型含氮芳烃化合物（NAFCs）效能的影响方面是成功的。本实验方案详细阐述了表面流湿地中型系统的构建与设置，以及处理油砂工艺水中NAFCs的实验方法。该方法可适用于不同地理区域的其他废水处理研究。

该中型规模人工湿地方案的成功体现在植物物种的旺盛生长与发育、环境参数的持续监测，以及随时间推移对污染物的有效去除。Trepanier 等人17收集的数据展示了该方法的有效性及预期结果。该研究评估了常见于北方湿地的水生薹草（Carex aquatilis）在油砂工艺水中降低NAFCs的能力。通过比较种植C. aquatilis与未种植植物的中型系统，使用油砂工艺水或实验室配制的工艺水进行对照实验。中型系统构建时采用10 cm粗砂尾矿（CST）与10 cm泥炭矿物混合物（PMM）作为基质，并在其上覆盖25 cm油砂工艺水。实验前，植物在移植入系统前已培养3个月，平均高度达83 cm。反渗透水被加入系统（图3），以使植物适应中型系统环境，系统在20 oC条件下维持32天。
<img alt="在受控实验设置中进行土壤准备、种植和浇水的植物生长过程。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig03.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 
图3：种植物种及添加反渗透水。（A）向基质中添加经处理的基质以及将植物物种种植入基质中的示例。（B）植物物种在整个中型生态系统中的均匀分布。（C）在植物适应期向中型生态系统中添加反渗透水。缩写：RO = reverse osmosis（反渗透）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
在整个实验过程中，植物表现出旺盛的生长，株高和覆盖度显著增加（图4）。图5进一步展示了C. aquatilis的稳定生长趋势，在第40天时株高达到约150 cm，随后进入生长平台期。该结果处于C. aquatilis预期的20–155 cm生长范围之内。植物存活率高达98%，实验结束时活体组织占比达99%。然而，大多数植物表现出叶绿素缺乏、坏死和/或斑驳等症状，在某些情况下还出现叶片畸形和皱缩17。对植物健康状况的常规监测对于发现潜在问题（如病虫害侵染）至关重要。
<img alt="78天内植物生长比较，受控条件下的实验设置，植物生理学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig04.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 4"> 
图 4：实验开始与结束时的植物生长照片。从第0天到第78天，Carex aquatilis 生长状况与健康状态的示例照片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="植物在OSPW中的生长随时间变化；株高与天数关系；折线图；误差线；标出适应期。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig05.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 
图 5：含Carex aquatilis的中型生态系统中植物株高随时间的变化。中型生态系统中Carex aquatilis的平均株高（n = 48）。第0天表示向系统中添加OSPW的时间。植物适应期指在添加OSPW之前，中型生态系统中使用反渗透水（RO水）的阶段。误差线表示平均值的一个标准差。本图改编自Trepanier等17。缩写：RO = 反渗透；OSPW = 油砂工艺影响水。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
关键环境参数（如水体溶解氧和基质氧化还原电位）被定期监测，以确保系统处于最佳运行状态，因为维持充足的氧气水平对于植物健康以及人工湿地系统中污染物的有效去除至关重要。在整个实验过程中，基质氧化还原电位值有所波动：无植物的微宇宙系统始终处于50 mV至100 mV之间的氧化状态，而种植了C. aquatilis的微宇宙系统偶尔接近0 mV。油砂工艺废水（OSPW）在整个实验期间维持溶解氧水平 > 5 ppm，且总体而言，无植物微宇宙系统的溶解氧更高，尤其在实验末期尤为明显（图6）。通常认为8 ppm的溶解氧最有利于植物生长；然而，溶解氧高于5 ppm即可接受。定期监测有助于及时发现溶解氧的偶尔下降，从而提示对系统进行检查（例如验证泵的功能），以确保系统持续稳定运行。
<img alt="溶解氧、土壤氧化还原电位随时间变化；图表比较了无植物种植与种植Carex aquatilis条件下的情况。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig06.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 6"> 
图6：微宇宙系统中溶解氧和土壤氧化还原电位的测定结果。 （A）油砂工艺废水（OSPW）中的溶解氧，以及（B）种植Carex aquatilis与无植物种植处理的微宇宙系统的土壤氧化还原电位。数据点表示四个重复微宇宙系统的平均值（n = 4），误差线表示平均值的标准误。缩写：OSPW = 油砂工艺废水。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
本研究的主要目的是评估利用中型规模人工湿地系统（mesocosm CWTS）降低OSPW中NAFC浓度的潜力。图7展示了实验过程中NAFC浓度的逐步下降趋势，表明该系统的有效性。C. aquatilis的存在增强了NAFC的去除效果，在82天内实现了76%的NAFC削减（初始浓度为72.1 mg/L，最终降至17.1 mg/L），相比之下，无植物对照组在82天内的去除率仅为8.5%（初始浓度为64.5 mg/L，最终降至59.0 mg/L）17。NAFC浓度的成功降低，结合植物健康生长及良好的环境条件，证实了中型规模系统的有效运行。这些结果表明该系统能够有效模拟人工湿地，并为CWTS在降低OSPW毒性的应用中提供有价值的科学依据。
<img alt="未种植与种植**Carex aquatilis**的微宇宙系统中NAFC浓度随时间变化的比较，柱状图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/68195/68195fig07v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图7"> 
图7：微宇宙系统中NAFC浓度随时间的变化。 含Carex aquatilis的微宇宙系统与仅含油砂工艺废水（OSPW）的无植物处理组中环烷酸组分化合物（NAFC）的浓度。数据点代表四个重复微宇宙系统（n = 4）的平均值，误差线表示平均值的标准误。均值间不同字母表示差异显著（P &lt; 0.05）。本图改编自Trepanier等人的研究17。缩写：OSPW = oil sands process-affected water（油砂工艺废水）；NAFC = naphthenic acid fraction compounds（环烷酸组分化合物）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/68195/68195fig07largev2.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

人工湿地处理系统已用于废水处理数十年，但将其应用于油砂工艺受影响水体的处理相对较新。为了探索这一潜力，本文概述了地表流中型实验系统的设计与实验方法。该方法旨在加深我们对关键设计参数的理解，并提高处理效果。

油砂开采副产物水（OSPW），是加拿大阿尔伯塔省通过露天采矿方式提取沥青过程中产生的一种副产品，含有多种组分……

我们的研究探讨利用人工湿地处理系统作为一种被动且经济高效的方法来处理油砂工艺废水，重点通过中型规模实验去除萘酸类化合物，并确定关键的优化因素。近年来，人工湿地在油砂工艺废水（OSPW）处理方面的进展包括采用基于基因组学的方法提高人工湿地的处理效率，并整合对有毒萘酸类化合物（NAFCs）的降解能力。此外，我们的研究成果将为优化植物筛选和系统设计提供科学依据，以提升污染物去除效果。中型规模实验通过在半真实条件下测试植物与微生物的相互作用及设计参数，弥合了实验室与实地人工湿地处理系统之间的差距，评估处理效能，并指导中试规模的实施。本方案可在引入生态复杂性的同时实现变量的重复和操控，使中型模拟系统成为识别油砂尾矿水处理机制、测试系统设计以及预测可扩展性的理想选择，且具有更低的风险和成本。我们的研究结果将推动油砂尾矿水处理技术的发展，通过展示中型模拟系统如何放大人工湿地处理系统，有效降低如萘酸类化合物（NAFCs）等有毒物质的浓度，同时明确其中起作用的具体生物与非生物机制。[旁白] 首先，将 Carex aquatilis 种子放入装有泥炭作为插秧基质的标准发泡塑料育苗盘中。待幼苗萌发后，每周施用三次水溶性植物营养液。使用胶合板加固温室工作台，以支撑微宇宙系统的重量。将微宇宙系统均匀分布在温室的台面上。将管道系统置于台面边缘下方。接着，在排水管道下方放置一个容量为 57 升的开口塑料工业桶。在桶体中下部安装一个潜水式循环水泵，以实现持续混合。将电源线固定在桶体外侧。现在将基质均匀铺入微宇宙系统中，并施加适度压力压实，以达到所需高度。用反渗透水充分饱和基质。测量所添加的水量，因其等同于基质中孔隙水的体积。在根据前期研究和实验目标选定水力停留时间后，使用所示公式计算微宇宙系统中的总水量。然后计算流速。将一个水泵置于两个相邻的微宇宙系统之间。使用公对公 USB 数据线将所有水泵连接在一起，并确保最后一个水泵与控制器相连。现在将进水阀管路插入储水箱中，并固定以保持其位置。将出水阀管路固定在微宇宙系统后上方角落，使其保持在水位线以上。用铝箔包裹管路，以帮助防止藻类生长。根据制造商说明设置并校准水泵、电源插座和控制器。然后将水泵调节至计算所得的流速。接着调节温度和 LED 植物生长灯至植物生长的最佳水平，同时使植物适应微宇宙环境。均匀种植六至十二株植物个体，以确保微宇宙系统中单位面积的生物量相等。用反渗透水注满储水箱。逐步提升反渗透水位，每个水位维持一至两天，并根据需要更换 PVC 管以匹配当前水位。以最终设定的流速启动水泵。当达到目标水位后，将温室的光照和温度调节至实验设定值，并让植物适应约 35 天。为排空和冲洗系统，移除 PVC 立管并打开球阀，彻底排空系统。然后用 OSPW 冲洗系统，并确保完全排干。冲洗完成后，关闭球阀，并安装匹配目标水位的 PVC 管。小心地将 OSPW 倒入每个微宇宙系统中，避免扰动基质或植物。注水至目标水位。现在向储水箱中注入 OSPW，顶部预留约五厘米空间。根据需要补充 OSPW 水以补偿蒸发损失，维持水位在距顶部约五厘米处。在每次停留时间周期内，测量植物健康状况和生长指标。根据可见的胁迫迹象（如黄化和虫害损伤）评估植物健康状况。测量植物生长指标，包括死亡率、株高和覆盖百分比。在向每个微宇宙系统添加基质或 OSPW 前，通过测量屏幕上显示的参数进行基线表征。在第一个停留周期内，从每个微宇宙系统的随机位置采集基质和水样，以建立一般化学性质的基线数据。在每次停留时间周期中，使用合适的 ORP 探头测量基质的氧化还原电位。实验结束时，从每个微宇宙系统采集基质样品，并测量与基线表征期间记录的相同参数。添加 OSPW 后，在第一个停留周期结束时，从每个微宇宙系统采集初始 OSPW 样品，允许沉积物沉降并填充孔隙水空间。然后从每个微宇宙系统的前端采集样品。在每次停留时间周期中，使用指定仪器测量溶解氧、ORP、pH、电导率和温度。实验结束时，采集最终水样以分析一般化学性质。Carex aquatilis 的株高持续增加，在第 40 天达到约 150 厘米后趋于稳定。未种植植物的微宇宙系统中溶解氧水平始终高于种植 Carex aquatilis 的系统，两种条件下溶解氧均高于 5 毫克/升。未种植植物的微宇宙系统中土壤氧化还原电位维持在 50 毫伏至 100 毫伏之间，而在种植 Carex aquatilis 的微宇宙系统中，该值偶尔接近 0 毫伏。种植 Carex aquatilis 的微宇宙系统中总环烷酸类化合物在 82 天内从 72.1 毫克/升降至 17.1 毫克/升，减少了 76%；而未种植植物的系统仅减少了 8.5%。

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中型规模人工湿地污水处理系统设计

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