Methodenartikel

Aangelegde wetlands op mesokosmosschaal voor afvalwaterzuivering

1.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/68195

⸱

2 mei 2025

 ,  , 
1Natural Resources Canada, Canadian Forest Service

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

Aangelegde wetlandbehandelingssystemen worden al tientallen jaren gebruikt om afvalwater te behandelen, maar hun toepassing om door het proces aangetast water van teerzanden te behandelen is relatief nieuw. Om dit potentieel te verkennen, worden een mesokosmosme-ontwerp en experimentele methoden voor oppervlaktestromen geschetst. Deze aanpak is bedoeld om ons begrip van de belangrijkste ontwerpparameters te vergroten en de werkzaamheid van de behandeling te verbeteren.

Samenvatting

Oliezandproces-aangetast water (OSPW), een bijproduct van bitumenextractie door dagbouw in Alberta, Canada, bevat verschillende zorgwekkende bestanddelen, waaronder nafteenzuurfractieverbindingen (NAFC's). Deze organische verbindingen zijn bijzonder zorgwekkend vanwege hun toxiciteit en persistentie in het milieu. Aangelegde wetlandbehandelingssystemen (CWTS) gebruiken installaties en de bijbehorende microben om verontreinigingen in afvalwater te verzwakken. CWTS op veldschaal zijn gepresenteerd als een potentiële grootschalige behandelingsoptie voor OSPW, specifiek voor het afbreken van NAFC's. Om het gebruik van CWTS voor grootschalige behandeling van NAFC's bij OSPW te optimaliseren, is het essentieel om ons begrip van verschillende ontwerpparameters te verdiepen en manieren te onderzoeken om de werkzaamheid te verbeteren.

Experimenten op mesokosmosschaal dienen als een waardevolle tussenpersoon en overbruggen de kloof tussen complexe veldproeven en gecontroleerde laboratoriumomgevingen. Mesokosmossen bieden een gecontroleerde, reproduceerbare omgeving om de effecten van verschillende parameters zoals substraat, plantensoorten, temperatuur en retentietijd te bestuderen, terwijl ecologische complexiteiten in hun ontwerp worden opgenomen. Gepubliceerd en eerder werk heeft aangetoond dat deze methode succesvol is bij het evalueren van de effecten van verschillende parameters op de werkzaamheid van CWTS om NAFC's in OSPW te verzwakken. Dit protocol schetst het ontwerp en de opzet van een mesokosmos van een wetland met oppervlaktestroming, samen met de experimentele benadering voor de behandeling van NAFC's in OSPW. Deze methode kan worden aangepast om ander afvalwater op verschillende geografische locaties te behandelen.

Inleiding

Het teerzandgebied in het noorden van Alberta, Canada, bevat de op twee na grootste oliereserves ter wereld en produceert dagelijks meer dan 3 miljoen vaten ruwe olie1. Bitumenwinning uit dagbouw genereert echter aanzienlijke hoeveelheden residuen en door het proces aangetast water (OSPW) als bijproducten. Vanwege het nullozingsbeleid van Alberta worden deze bijproducten opgeslagen in afvalvijvers in het ontginbare oliezandgebied. Vanaf 2023 bestaat naar schatting 391,1 mm3 OSPW als vrij water in residuvijvers en omvat niet het poriënwater dat zal blijven vrijkomen tijdens de residubezinking2. OSPW bevat <5% vaste stoffen en wordt gekenmerkt door verhoogde niveaus van zouten, sporenmetalen en organische verontreinigingen3.

OSPW bevat verschillende belangrijke klassen van verontreinigingen, waaronder nafteenzuurfractieverbindingen (NAFC's), polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), BTEX (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xylenen), fenolen en zware metalen 3,4. NAFC's zijn organische verbindingen in bitumen die tijdens het extractieproces worden opgelost en geconcentreerd en die consequent worden geïdentificeerd als de primaire bron van acute OSPW-toxiciteit 5,6. OSPW brengen verschillende ecologische en economische uitdagingen met zich mee vanwege het volume, de complexiteit en de toxiciteit van het mengsel. Het ontwikkelen van kosteneffectieve, passieve en schaalbare behandelingstechnologieën voor OSPW is van cruciaal belang, aangezien conventionele methoden, zoals chemische oxidatie en filtratie, beperkt blijven in hun haalbaarheid voor grootschalige toepassingen. Aangelegde wetlandbehandelingssystemen (CWTS) zijn energiezuinige, kosteneffectieve en duurzame waterzuiveringssystemen die afhankelijk zijn van het gebruik van planten en de bijbehorende microben om verontreinigingen in afvalwater te verzwakken; ze zijn naar voren gekomen als een veelbelovend alternatief voor de behandeling van OSPW 7,8,9,10,11,12.

CWTS zijn ontworpen wetlands die zijn ontworpen om de filterfuncties van natuurlijke wetlands na te bootsen. Oorspronkelijk ontworpen om regenwater en gemeentelijk afvalwater te behandelen, wordt CWTS nu gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder landbouwafval, zure mijnafvoer, industrieel afvalwater en andere saneringsinspanningen13. Deze systemen hebben drie basiscomponenten: substraat, water en vegetatie. CWTS kan worden ontworpen als oppervlaktestroom- of ondergrondse stromingssystemen, waarbij de waterbeweging is geconfigureerd om horizontaal of verticaal te stromen13,14. Hydrofytische wetlandplanten worden veel gebruikt in CWTS vanwege hun aanpassing aan aanhoudend verzadigde bodemomstandigheden. Over het algemeen gebruikt CWTS vaak opkomende plantensoorten zoals Typha sp. (lisdodde), Juncus sp. (biezen) en Carex sp. (zegge).

CWTS maakt gebruik van verschillende mechanismen voor waterbehandeling. Zwevende stoffen kunnen verontreinigingen adsorberen en bezinken, waardoor een sedimentbed wordt gevormd dat de plantengroei bevordert. Bovendien kunnen planten opgeloste verontreinigingen overbrengen of transformeren door een combinatie van biotische en abiotische mechanismen. Abiotische mechanismen omvatten filtratie, sedimentatie, precipitatie, sorptie, chemische oxidatie/reductie, complexatie, fotodegradatie en vervluchtiging. Biotische processen omvatten biotransformatie (microbieel of plantgemedieerd), fytoaccumulatie en fytostabilisatie13,14. CWTS bieden aanzienlijke voordelen als zelfvoorzienende systemen die in de loop van de tijd doorgaans efficiënter worden14. Deze systemen zijn veelzijdig en in staat om meerdere verontreinigingen tegelijk te behandelen, terwijl ze milieuvriendelijk en algemeen aanvaardbaar zijn. Bovendien zijn ze door hun lage bedrijfs- en kapitaalkosten in vergelijking met conventionele zuiveringsmethoden zeer geschikt voor de behandeling van grote hoeveelheden afvalwater, zoals OSPW. De complexiteit van de verschillende abiotische en biotische processen die gelijktijdig plaatsvinden bij OSPW vereist echter een zorgvuldig ontwerp om CWTS te optimaliseren voor maximale werkzaamheid van de behandeling. Een duidelijk begrip van de behandelingsdoelstellingen, gecombineerd met systematische tests op de laboratoriumbank, pilot- en demonstratieschalen, is essentieel voor het optimaliseren van het systeem en het voorspellen van het succes van volledige implementatie14.

Experimenten op proefschaal, vaak mesokosmos-experimenten genoemd, worden meestal uitgevoerd met behulp van kuipen of tanks die individuele behandelingscellen simuleren. Mesokosmossen kunnen zowel binnen als buiten worden uitgevoerd als een experiment in het veld. Mesokosmossen zijn gedeeltelijk gesloten systemen die een grotere ecologische complexiteit bieden dan experimenten op bench-schaal, terwijl ze toch voldoende controle en replicatie behouden om de effecten van individuele ontwerpparameters op de verwijdering van verontreinigende stoffen te beoordelen. Studies op mesokosmosschaal zijn nodig om behandelingsmechanismen te bevestigen en complicaties op kleinere schaal aan het licht te brengen, waar ontwerpcorrecties en -aanpassingen kunnen worden doorgevoerd14. Dit protocol beschrijft de opzet en werking van een horizontale oppervlaktestroming CWTS op mesokosmosschaal binnenshuis en biedt een praktisch kader voor het ontwerpen van CWTS-studies, met name voor de verzwakking van NAFC's in OSPW.

Protocol

1. Mesokosme constructie

OPMERKING: Zie Materiaaltabel voor een uitgebreide lijst van materialen die nodig zijn voor de constructie van mesokosmos en Figuur 1 voor een schema van de constructie van mesokosme.

  1. Verwijder indien nodig de bovenkant van de polyethyleen tank (129,5 cm x 30,0 cm).
  2. Bereid drainagegaten voor; Boor twee gaten (onderdelen #1 en #2) aan dezelfde kant van de polypropyleen tank. Plaats een PVC schotfitting (deel #3) in beide gaten met de buitendraad naar buiten gericht. Dicht de buitenrand van de schotfitting af met een waterdichte kit.
    1. Afvoergat voor grondwater (deel #2): plaats dit op de hoekbodem van de tank en zorg ervoor dat er voldoende ruimte is voor de schotfitting.
    2. Afvoergat voor oppervlaktewater (deel #1): plaats het boven de hoogte van het grondniveau, dicht bij het midden van de tank.
  3. Plaats een slangring (onderdeel #4) met een filterzeef (onderdeel #5) aan de binnenkant van de schotfitting en zet deze vast met kit.
  4. Interne afvoer sanitair instellen:
    1. Bevestig voor het afvoergat voor oppervlaktewater (deel #1) eerst de PVC mannelijke adapter (deel #10) aan de schotfitting (deel #3), gevolgd door de 90° PVC elleboog (deel #11).
    2. Plaats een stuk PVC-buis (deel #12) dat is gesneden om de hoogte van het gewenste waterniveau af te stemmen op de elleboog van 90°.
  5. Installatie van externe afvoer sanitair. Gebruik in de volgende stappen krimpringen om PEX aan fittingen te bevestigen.
    1. Wikkel teflontape om de schroefdraad van de 3/4-inch PEX x 3/4-inch MPT messing adapter (deel #6) en sluit deze aan op de schotfittingen (deel #3).
    2. Knip twee gelijke lengtes 3/4-inch PEX (deel #7) en bevestig deze aan MPT-messing adapters (deel #6).
    3. Voeg een kunststof expansieelleboogfitting toe aan de PEX-buis (deel #7), naar beneden gericht voor het afvoergat voor oppervlaktewater en naar het midden van de tank voor het grondafvoergat.
    4. Sluit voor het drainagegat voor de grond (deel #2) een PEX-buis aan op de elleboog, gevolgd door een kogelkraan, een ander PEX-segment en een plastic expansiestuk. Pas de PEX-lengtes aan om de bovenkant van het expansiestuk uit te lijnen met de afvoerleidingen van het oppervlaktewater.
    5. Voor het afvoergat voor het oppervlaktewater sluit u een PEX-buis aan op de kunststof expansiebocht en koppelt u deze aan het expansiestuk.
    6. Zodra het systeem is aangesloten, voegt u nog een stuk PEX (deel #7) toe aan de plastic expansie-T-stuk, eindigend met een naar beneden gerichte plastic expansiebocht.
    7. Voeg nog een stuk PEX (deel #7) toe aan de onderkant van de plastic expansieelleboogfitting om ervoor te zorgen dat het water in de reservoirtank loopt.
  6. Verhoog de structurele integriteit van de mesokosmos:
    1. Bouw een frame (deel #13, 129,5 cm lengte x 37,0 cm breedte) met behulp van stukken hout van 2 inch x 4 inch.
    2. Zet het frame vast met houtschroeven.
    3. Plaats het frame op de mesokosmos en zorg ervoor dat het niet op het sanitair zit.
    4. Wikkel de buitenkant van het mesokosmos in aluminiumfolie om te voorkomen dat er licht vanaf de mesokosmoszijden in de grond komt.

2. Mesocosme setup en onderhoud

  1. Kweek planten voor het experiment uit zaad:
    1. Stratificeer zaden naar behoefte.
    2. Plaats de zaden in standaard styroblock-containers met turf als plugstok.
    3. Zodra de zaailingen zijn ontkiemd, bemest je de zaailingen 3x per week met wateroplosbare plantenvoeding (24-8-16).
    4. Laat de zaailingen minimaal 3-5 maanden groeien om ervoor te zorgen dat ze een optimale grootte bereiken voor de respons op de behandeling.
      OPMERKING: De exacte tijdsduur is afhankelijk van de grootte en het type soort. Deze stap kan worden weggelaten als zaailingen worden gekocht in plaats van gekweekt.
  2. Plaats de mesokosmossen in de kas:
    1. (Optioneel) Versterk kastafels met multiplex om het gewicht van de mesokosmossen te dragen.
    2. Verdeel de mesokosmossen gelijkmatig over de kastafels om een willekeurige plaatsing van de behandelingen te garanderen en variaties in omgevingsomstandigheden te minimaliseren (Figuur 2).
    3. Plaats het sanitair zo dat het aan de rand van de tafel hangt voor een goede afvoer in de reservoirtank (Figuur 2).
  3. Stel de reservoirtank in:
    1. Plaats de 57 L open kunststof industriële trommel onder de afvoerleiding.
    2. Installeer een dompelcirculatiepomp voor de aandrijfkop tussen het midden en de bodem van de tank om continu mengen in de tank mogelijk te maken. Bevestig het netsnoer aan de buitenkant van de tank.
  4. Voeg het substraat toe en verzadig het:
    1. Verdeel het substraat gelijkmatig in het mesokosmos en stamp het substraat met matige druk aan tot de gewenste hoogte.
      LET OP: De hoogte van het substraat is afhankelijk van de onderzoeksdoelstellingen en plantensoorten.
    2. Verzadig het substraat volledig met water met omgekeerde osmose (RO), meet de hoeveelheid toegevoegd water; Dit komt overeen met het volume poriewater in de ondergrond.
      OPMERKING: Het poriënwater is de hoeveelheid water die wordt toegevoegd wanneer het substraat verzadigd is, wat kan worden waargenomen wanneer het waterpeil overeenkomt met de bovenkant van het substraat. Dit proces kan tot een dag duren. Het poriënwatervolume is belangrijk om de exacte hoeveelheid water in het systeem te bepalen en het debiet te berekenen.
  5. Bepaal het debiet:
    1. Selecteer een bewaartijd op basis van eerdere onderzoeken en onderzoeksdoelstellingen.
    2. Bereken het totale watervolume in de mesokosmos.
      figure-protocol-1
    3. Bereken het debiet.
      figure-protocol-2
  6. Installeer de pompen:
    1. Plaats een pomp tussen twee aangrenzende mesokosmossen.
      OPMERKING: Eén pomp kan indien nodig ook voor één mesokosmos worden gebruikt.
    2. Koppel alle pompen aan elkaar met behulp van een male-male USB-kabel en sluit de laatste pomp aan op de controller.
    3. Dompel de slang met inklep onder in het reservoir en zet deze vast of verzwaard om op zijn plaats te blijven.
    4. Bevestig de slang met uitkleppen aan de achterste bovenhoek van de mesokosmos en zorg ervoor dat deze boven de waterlijn blijft.
    5. Wikkel de slang in aluminiumfolie om algengroei te voorkomen.
    6. Stel de pompen, de stroombalk en de controller in en kalibreer ze volgens de instructies van de fabrikant15.
    7. Stel de pompen in op het berekende debiet.
  7. Plant en acclimatiseer de plantensoorten:
    1. Pas de temperatuur en LED-groeilampen aan op optimale niveaus voor plantengroei terwijl de plantensoorten worden geconditioneerd voor de mesokosmos.
    2. Plant 6-12 individuele plantensoorten gelijkmatig om een gelijke biomassa per oppervlakte-eenheid in de mesokosmos te garanderen.
      OPMERKING: Het aantal individuen kan veranderen afhankelijk van de onderzoeksdoelstellingen en de fysiologie van de soort (bijv. als Typha latifolia wortelgebonden wordt, kan het aantal individuen worden verminderd).
    3. Verhoog geleidelijk het RO-waterpeil, houd één waterpeil gedurende 1-2 dagen aan, en vervang de PVC-buis (stap 1.4.2) indien nodig om het waterpeil aan te passen.
    4. Zet de pompen aan met het uiteindelijke gewenste debiet.
    5. Zodra het gewenste waterpeil is bereikt, stelt u het licht en de temperatuur in de kas in op experimentele instellingen en laat u de planten ~35 dagen acclimatiseren.
  8. Laat het systeem leeglopen en spoelen:
    1. Verwijder de PVC-standpijp en open de kogelkraan om het systeem volledig leeg te laten lopen; Dit kan tot 2 dagen duren.
    2. Spoel het systeem door met OSPW en laat het volledig leeglopen, zorg ervoor dat de PVC-leiding uitgeschakeld blijft en de kogelkraan open staat. Zorg ervoor dat de OSPW die tijdens het spoelen wordt gebruikt, niet tijdens het experiment wordt gebruikt.
    3. Eenmaal doorgespoeld, sluit u de kogelkraan en voegt u de PVC-buis toe om het gewenste waterniveau aan te geven.
  9. OSPW toevoegen:
    1. Giet de OSPW voorzichtig in elk mesokosmos om verstoring van het substraat of de planten te voorkomen, en vul totdat het gewenste waterniveau is bereikt.
    2. Als u meerdere batches water gebruikt, zorg er dan voor dat de chemische eigenschappen consistent zijn of verdeel deze gelijkmatig over alle mesokosmossen.
    3. Vul de reservoirtank met OSPW en laat ongeveer 5 cm ruimte over vanaf de bovenkant.
  10. Verdamping beheren:
    1. Vul de reservoirtank indien nodig bij met RO-water en houd het waterpeil ongeveer 5 cm onder de bovenkant.

3. Bemonstering

  1. Afmetingen van de plantensoorten:
    1. Meet elke retentietijdcyclus de gezondheid en groei van planten16. Statistieken voor plantgezondheid omvatten zichtbare tekenen van stress zoals chlorose en schade door insecten, terwijl statistieken voor plantengroei mortaliteit, hoogte en % dekking omvatten.
    2. Aan het einde van het experiment worden desgewenst monsters genomen voor bovengrondse biomassa van planten en chemie van plantenweefsel.
      OPMERKING: De gebruikte controle-intervallen en metingen worden aanbevolen voor het bestuderen van het effect van NAFC's op de gezondheid van planten en kunnen verschillen afhankelijk van de experimentele doelstellingen.
  2. Substraat metingen:
    1. Basislijnkarakterisering: Voordat substraten aan elke mesokosmos worden toegevoegd, meet u een reeks parameters (bijv. pH, elektrische geleidbaarheid (EC), oxidatie-reductiepotentieel (ORP), grote anionen/kationen, voedingsstoffen, NAFC's en andere relevante verontreinigingen).
    2. Verzamel tijdens de eerste retentiecyclus substraatmonsters van elk mesokosmos om een basislijn voor algemene chemie te verkrijgen. Verzamel substraatmonsters van willekeurige locaties in elke mesokosmos.
    3. Meet elke retentietijdcyclus de ORP van het substraat met behulp van een geschikte ORP-sonde.
    4. Verzamel aan het einde van het experiment substraatmonsters van elk mesokosmos en meet dezelfde parameters als in de basiskarakterisering (bijv. pH, EC, ORP, belangrijke anionen/kationen, voedingsstoffen, NAFC's en andere relevante verontreinigingen).
  3. Water metingen:
    1. Basiskarakterisering: voordat de OSPW aan elke mesokosmos wordt toegevoegd, meet u een reeks parameters (bijv. pH, EC, ORP, belangrijke anionen/kationen, voedingsstoffen, NAFC's en andere relevante verontreinigingen).
    2. Nadat het experiment is gestart, worden na enkele dagen (einde van retentiecyclus 1) de eerste monsters van OSPW van elk mesokosmos genomen om het sediment in de OSPW te laten bezinken en om de OSPW de poriënwaterruimte te laten vullen. Verzamel de OSPW-monsters van de voorkant van elke mesokosmos.
    3. Meet elke retentietijdcyclus opgeloste zuurstof (DO), ORP, pH, EC en temperatuur met behulp van het instrument waarnaar wordt verwezen.
    4. Aan het einde van het experiment verzamelt u de laatste watermonsters om de algemene chemie te meten, een reeks parameters te meten (bijv. DO, pH, EC, ORP, belangrijke anionen/kationen, voedingsstoffen, NAFC's en andere relevante verontreinigingen).

figure-protocol-3
Figuur 1: Schema van het mesokosmosontwerp en de experimentele opstelling. (A) Schema van de mesokosmosconstructie en de benodigde componenten. (B) Voorbeeld van een experimentele opstelling, inclusief toevoeging van substraat en plant, samen met plaatsing van het reservoir. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-protocol-4
Figuur 2: Voorbeeld van mesokosmos en reservoirlay-out. (A) Lay-out van mesokosmossen en reservoirtanks in de kas zonder aluminiumfolie. (B) Lay-out met mesokosmossen en reservoirtanks met aluminiumfolie om de mesokosmossen gewikkeld om de lichtpenetratie te beperken, met één pomp per twee mesokosmossen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten

Het succes van dit door mesokosmos aangelegde wetlandprotocol wordt aangetoond door de robuuste groei en ontwikkeling van plantensoorten, de voortdurende monitoring van milieuparameters en de efficiënte verwijdering van verontreinigingen in de loop van de tijd. Gegevens verzameld door Trepanier et al.17 illustreren de werkzaamheid van de methode en de verwachte resultaten. De studie evalueerde het vermogen van Carex aquatilis, een waterzegge die veel wordt aangetroffen in boreale wetlands, om NAFC's in OSPW te verminderen. Het vergeleek de prestaties van mesokosmossen met C. aquatilis met die zonder planten, met behulp van OSPW of in het laboratorium gemaakt proceswater. De mesokosmossen werden aangelegd met een substraat van 10 cm grove zandresiduen (CST) gelaagd met 10 cm turfmineralenmix (PMM) en 25 cm OSPW over de substraten. Vóór het experiment werden planten gedurende 3 maanden gekweekt tot een gemiddelde hoogte van 83 cm en vervolgens in het systeem getransplanteerd. RO-water werd toegevoegd (Figuur 3) om de planten te laten acclimatiseren aan de mesokosmos en de systemen werden gedurende 32 dagen op 20 °C gehouden.

figure-results-1
Figuur 3: Plantsoorten en toevoeging van RO-water. (A) Toevoeging van het gemanipuleerde substraat en een voorbeeld van plantsoorten in het substraat. (B) Gelijkmatige verspreiding van de plantensoorten over de mesokosmos. (C) Toevoeging van RO-water aan de mesokosmossen voor de acclimatiseringsperiode van de fabriek. Afkorting: RO = omgekeerde osmose. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Planten vertoonden gedurende het hele experiment een robuuste groei, met een opmerkelijke toename in hoogte en bedekking (Figuur 4). Figuur 5 illustreert verder de gestage groei van C. aquatilis, die op dag 40 een hoogte van ongeveer 150 cm bereikt voordat hij een plateau bereikt. Dit was binnen het verwachte groeibereik van 20-155 cm voor C. aquatilis. De overleving van planten was hoog met 98%, met 99% levend plantenweefsel aan het einde van het experiment. De meeste planten vertoonden echter tekenen van chlorose, necrose en/of vlekken, en in sommige gevallen misvormde en gekreukte bladeren17. Routinematige monitoring van de gezondheid van planten is van vitaal belang bij het identificeren van mogelijke problemen, zoals plagen.

figure-results-2
Figuur 4: Foto's van de plantengroei aan het begin en einde van het experiment. Een voorbeeldfoto van de groei en gezondheid van Carex aquatilis van dag 0 tot dag 78. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 5: Planthoogte in de tijd in het mesokosmos met Carex aquatilis. Gemiddelde planthoogte voor Carex aquatilis in mesokosmossen (n = 48). Dag 0 is het moment waarop OSPW aan het systeem is toegevoegd. De acclimatiseringsperiode van de plant verwijst naar de periode waarin mesokosmossen RO-water bevatten voorafgaand aan de toevoeging van OSPW. Foutbalken geven één standaarddeviatie van het gemiddelde aan. Deze figuur is een bewerking van Trepanier et al.17. Afkortingen: RO = omgekeerde osmose; OSPW = oliezanden door het proces aangetast water. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Belangrijke omgevingsparameters, zoals water DO en substraat redox, werden routinematig gecontroleerd om optimale systeemprestaties te garanderen, aangezien het handhaven van een adequaat zuurstofgehalte van cruciaal belang is voor de gezondheid van planten en effectieve verwijdering van verontreinigingen in CWTS. De redoxwaarden van het substraat fluctueerden gedurende het experiment, waarbij niet-geplante mesokosmossen in oxiderende omstandigheden tussen 50 mV en 100 mV achterbleven, terwijl mesokosmossen met C. aquatilis af en toe 0 mV naderden. De OSPW handhaafde DO-niveaus > 5 ppm gedurende het hele experiment, en DO was over het algemeen hoger in mesokosmossen zonder planten, vooral aan het einde van het experiment (Figuur 6). Een DO van 8 ppm wordt vaak als ideaal beschouwd voor plantengroei; een DO-waarde boven de 5 ppm is echter acceptabel. Routinematige monitoring maakt het mogelijk om incidentele dalingen in DO te identificeren, wat kan leiden tot systeemcontroles, zoals het verifiëren van de pompfunctionaliteit, om een consistente werking te garanderen.

figure-results-4
Figuur 6: Metingen van opgeloste zuurstof en bodemredox binnen de mesokosmossen. (A) Opgeloste zuurstof in OSPW en (B) bodemredoxpotentiaal voor mesokosmossen met Carex aquatilis en niet-beplante behandelingen met alleen OSPW. Gegevenspunten vertegenwoordigen gemiddelden van vier gerepliceerde mesokosmossen (n = 4), waarbij foutbalken één standaardfout van het gemiddelde aangeven. Afkorting: OSPW = teerzanden procesmatig aangetast water. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Het primaire doel van de studie was het evalueren van het potentieel voor NAFC-verzwakking door OSPW met behulp van een mesokosmos CWTS. Figuur 7 illustreert een geleidelijke afname van de NAFC-concentraties gedurende het experiment, wat de effectiviteit van het systeem aantoont. De aanwezigheid van C. aquatilis verbeterde de verwijdering van NAFC, waarbij een vermindering van 76% van de NAFC's werd bereikt over 82 dagen (72,1 mg/L initieel tot 17,1 mg/L definitief), vergeleken met 8,5% in de niet-geplante controlebehandeling gedurende 82 dagen (64,5 mg/L initieel tot 59,0 mg/L definitief)17. De succesvolle vermindering van de concentratie van NAFC's, samen met een gezonde plantengroei en gunstige omgevingsomstandigheden, bevestigen dat de mesokosmosopstelling effectief werkt. Deze resultaten tonen het vermogen van het systeem aan om aangelegde wetlands te simuleren en bieden waardevolle inzichten in de rol van CWTS bij het verminderen van de toxiciteit van OSPW.

figure-results-5
Figuur 7: NAFC-concentratie in de tijd in de mesokosmossen. Concentratie van nafteenzuurfractieverbindingen in mesokosmossen met Carex aquatilis en niet-beplante behandelingen met alleen OSPW. Gegevenspunten vertegenwoordigen gemiddelden van vier gerepliceerde mesokosmossen (n = 4), waarbij foutbalken één standaardfout van het gemiddelde aangeven. Afwijkende letters tussen de gemiddelden geven een significant verschil aan (P < 0,05). Deze figuur is een bewerking van Trepanier et al.17. Afkortingen: OSPW = oliezanden, door het proces aangetast water; NAFC = nafteenzuurfractieverbindingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussie

CWTS zijn gebruikt als een passieve en kosteneffectieve behandeling voor veel afvalwater13; ze zijn echter een relatief nieuwe methode voor de behandeling van OSPW voor NAFC-verzwakking 7,8,9,10,11,12,17,18. Met behulp van de methoden die in dit artikel worden beschreven, kan de werkzaamheid van CWTS worden verbeterd door verschillende ontwerpparameters te evalueren.

Mesokosmossen worden geassembleerd zoals weergegeven in afbeelding 1, zodat de juiste afvoerleidingen zijn geïnstalleerd. Om mogelijke stromingsproblemen of ongelijkmatige verblijftijden te voorkomen die worden veroorzaakt door verstopping van de uitlaten door het substraat, wordt een slangwasser met een filterzeef op de onderste afvoerplug geplaatst en wordt het bovenste afvoergat boven het substraatniveau geplaatst. Als er ondanks deze maatregelen toch verstoppingen optreden, kan een afvoerboor of luchtdruk worden gebruikt om de verstoppingen te verhelpen.

Mesokosmossen worden geplaatst op kastafels versterkt met multiplex, met reservoiremmers aan de uiteinden van de tafels voor waterrecirculatie. Water circuleert door het systeem met behulp van zwaartekracht, komt binnen via de inlaatslang en verlaat het aan het einde van het afvoergat aan de oppervlakte voordat het teruggaat naar het reservoir. De retentietijd (dagen) is gekozen op basis van eerdere studies naar aangelegde wetlands7. Dompelpompen worden gebruikt om een continue menging van het reservoir te garanderen. Doseerpompen worden gebruikt om de waterverplaatsing tussen het mesokosmos en het reservoir te vergemakkelijken. Het is mogelijk om één doseerpomp aan te sluiten op twee mesokosmossen. De pompen moeten worden ingesteld op basis van experimentele doelstellingen om het gewenste debiet en de gewenste retentietijd te bereiken.

Na de mesokosmosconstructie wordt het substraat gelijkmatig in de mesokosmossen verpakt, worden planten getransplanteerd en wordt RO-water toegevoegd. RO-water wordt in eerste instantie gebruikt tijdens een acclimatiseringsperiode van de plant, om een goed functionerend systeem met gezonde planten te garanderen voordat het experiment wordt gestart. Na de acclimatiseringsperiode worden mesokosmossen geleegd, gedurende 24 uur gespoeld met 100% OSPW om ervoor te zorgen dat het poriënwater wordt vervangen, en vervolgens opnieuw gevuld met OSPW voordat met het experiment wordt begonnen.

Belangrijke metingen die moeten worden uitgevoerd, zijn onder meer plantgezondheids- en groeistatistieken, substraat- en waterchemieparameters en concentraties van de doelverontreiniging. Routinematige metingen van water- en substraatparameters worden eenmaal per cyclus uitgevoerd om ervoor te zorgen dat het mesokosmos werkt zoals verwacht. Het wordt aanbevolen om waterkwaliteitsparameters, waaronder DO, ORP, pH en geleidbaarheid, eenmaal per cyclus te meten met behulp van een YSI Professional Plus Multiparameter-instrument. Bodem-ORP en water-DO zijn belangrijke parameters die moeten worden bewaakt om ervoor te zorgen dat mesokosmossen aërobe omstandigheden in stand houden.

De beschreven methode is zeer aanpasbaar en kan worden aangepast op basis van de behandelingsdoelstellingen. De belangrijkste behandelingsaanpassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, plantensoorten, gebruik van meerdere plantensoorten, retentietijd, omgevingsomstandigheden, samenstelling en diepte van het substraat en toevoeging van meststoffen. Plantensoorten moeten worden gekozen op basis van kenmerken die de overleving van planten en de effectiviteit van fytoremediatie verbeteren. Het kiezen van inheemse wetlandplantensoorten die zijn aangepast aan het lokale klimaat zal de kans op succesvolle groei en overleving vergroten 11,13,14. Plantensoorten die zeer geschikt zijn voor gebruik in CWTS zijn onder meer soorten die diepe en brede wortels, sterke wortelstokken, snelle groei, voldoende zuurstoftransport ontwikkelen en mechanismen hebben om zoutgehalte-effecten tegen te gaan 17,19,20. Het wordt vaak aanbevolen om geen mengsels van plantensoorten te planten, omdat een verhoogde plantendiversiteit kan leiden tot verminderde zekerheid in de werkzaamheid van de CWTS. Vooral als één plant dominant wordt, is het moeilijk om te modelleren hoe de CWTS zich zal gedragen14. De geselecteerde plantensoorten hebben ook invloed op de evapotranspiratie, wat een concentratie-effect van zout en andere verontreinigingen kan hebben.

Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat evapotranspiratie in het systeem wordt geregistreerd; ervoor zorgen dat het OSPW-niveau wordt gehandhaafd met RO-water. Het gebruik van gemeentelijk of niet-RO-water kan leiden tot een toename van andere bestanddelen (bijv. chloride, calcium, fluoride), wat van invloed kan zijn op de bevindingen van het mesokosmosonderzoek. Het wijzigen van de verblijftijd kan helpen bij de beluchting, zodat de verschillende componenten en niveaus in het mesokosmos niet anaëroob worden, wat kan leiden tot gevolgen voor de microbiële gemeenschappen en de gezondheid van planten.

Gepulseerde of intermitterende instromen kunnen worden gebruikt om de natuurlijke dynamiek van wetlands te simuleren (d.w.z. stormgebeurtenissen en seizoensgebonden afvoer). Ervoor zorgen dat de omgevingsvariabelen (temperatuur, lichtomstandigheden en seizoensvariaties) vergelijkbaar zijn met die in het studiegebied is belangrijk voor het extrapoleren van het werk naar grootschalige CWTS, omdat het het aantal nieuwe variabelen zal verminderen die van invloed zullen zijn op het systeem en de analyse van hoe deze variabelen de werkzaamheid van de CWTS bij het verzwakken van NAFC's beïnvloeden. Het kiezen van substraten voor de mesokosmossen die op een grootschaligere CWTS kunnen worden gebruikt, zal helpen bij het informeren van het toekomstige ontwerp en het vergroten van de werkzaamheid van het behandelingssysteem. In de winning van teerzanden zijn grove zandresiduen en een mengsel van turf en mineralen substraten en zijn ze eerder getest in mesokosmosstudies om het optimale substraat te bepalen om de gezondheid van planten te verbeteren, gunstige microbiële gemeenschappen te vergroten en te helpen bij de verzwakking van NAFC's17.

De belangrijkste beperking van deze methode is de beperkte grootte en diepte van de mesokosmos, wat de wortelgroei kan beïnvloeden en ervoor kan zorgen dat planten wortelgebonden worden. Deze beperkingen kunnen worden overwonnen door de duur van het experiment en/of het aantal gebruikte individuele planten te verminderen. Als meerdere soorten in dezelfde mesokosmos worden gebruikt, kunnen er synergetische of additieve effecten van concurrentie optreden. Uiteindelijk kunnen de grootte en diepte van het mesokosmos resulteren in een kortere duur van het experiment, waardoor de hoeveelheid verzamelde gegevens wordt beperkt. Experimenten op langere termijn kunnen processen onderzoeken zoals de kringloop van voedingsstoffen, die optreden wanneer organisch materiaal aan het systeem wordt toegevoegd door de accumulatie en langzame afbraak van plantenafval en wortelexsudaten. Dit kan gevolgen hebben voor microbiële gemeenschappen en de mate van verzwakking van verontreinigingen. Bovendien zorgt het relatief korte experimentele tijdsbestek van dit mesokosmosontwerp voor snelle feedback die kan worden gebruikt om toekomstige experimenten te verbeteren. Voedingsstoffen kunnen worden toegevoegd aan het mesokosmossysteem; Het type en de hoeveelheid toegevoegde meststof vereisen echter uitgebreide monitoring om algenbloei te voorkomen.

De omstandigheden in de kas zijn ingesteld om een optimale groeiomgeving te creëren; De temperatuurbereiken zijn ingesteld om de seizoensgebonden temperaturen van de regio op de juiste manier weer te geven, met geleidelijke veranderingen die worden geïmplementeerd om natuurlijke dagelijkse fluctuaties te simuleren. De luchtvochtigheid wordt ook beheerd om te variëren binnen een bereik dat representatief is voor het regionale klimaat. Bovendien is de kas ontworpen om 25.000 lux te ontvangen, wat overeenkomt met ongeveer 200 W/m² omgevingsdaglicht, tijdens de aangegeven daglichturen. Om een constante lichtintensiteit te garanderen, worden LED-lampen geactiveerd wanneer het natuurlijke lichtniveau onder deze drempel daalt. Het gebruik van een kas heeft ook zijn beperkingen. Hoewel het een gecontroleerde omgeving biedt, kunnen kassen ook unieke uitdagingen met zich meebrengen, zoals plagen, broeikaseffecten en het creëren van onnatuurlijke omgevingen. Ongedierteplagen komen vooral veel voor in kasomgevingen en kunnen de gezondheid en groei van planten beïnvloeden. Om het gebruik van insecticiden te verminderen, zijn natuurlijke vijanden of fysieke plaagverwijdering geweldige alternatieven. Ondanks deze uitdagingen blijft een kas de optimale omgeving om een pilotstudie uit te voeren, omdat het een nauwkeurige controle en onderzoek van individuele parameters mogelijk maakt14.

Deze methode vertegenwoordigt een van de vele benaderingen voor het ontwerpen van mesokosmos-experimenten. CWTS-experimenten op pilotschaal kunnen zowel buiten10,21 als binnen 4,17 worden uitgevoerd. Mesokosmossen in de buitenlucht worden beïnvloed door multivariate omgevingsfactoren, die op complexe en onvoorspelbare manieren op elkaar kunnen inwerken. Deze interacties maken het een uitdaging om individuele variabelen te modelleren of de specifieke mechanismen te verduidelijken die de waargenomen resultaten aansturen. Als gevolg hiervan wordt het moeilijk om te bepalen welke factoren bijdragen aan de CWTS-prestaties en om kansen te identificeren om het systeemontwerp te verbeteren; ze repliceren echter nauwkeuriger de volledige CWTS-omstandigheden14. Mesokosmossen binnenshuis daarentegen zorgen voor een meer gecontroleerde omgeving, waardoor de effecten van de natuur en andere externe invloeden worden geminimaliseerd, waardoor het gemakkelijker wordt om processen te begrijpen en ontwerpparameters te identificeren die de prestaties kunnen verbeteren.

CWTS-ontwerpen hebben doorgaans een horizontale oppervlaktestroming 4,10,17,18 of verticale ondergrondse stroming 18. De hier beschreven methode vertegenwoordigt een horizontaal mesokosmosontwerp van de oppervlaktestroom. Terwijl verticale stromingssystemen afhankelijk zijn van de zwaartekracht om verticale waterverplaatsing mogelijk te maken, een betere zuurstofvoorziening bieden en minder ruimte nodig hebben, handhaven horizontale stromingssystemen stabielere omstandigheden10 en vergroten ze het fytoremediatiepotentieel22. Mesokosmossen bieden aanzienlijke voordelen voor de ontwikkeling van CWTS door integrale componenten te testen en de efficiëntie te verbeteren voor toekomstige grootschalige toepassingen, waardoor repliceerbaarheid en controle van de omgeving mogelijk wordt, en de isolatie en meting van individuele experimentele parameters mogelijk wordt, terwijl ook biotische veranderingen en chemische dissipatieroutes worden gevolgd.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.

Dankbetuigingen

Financiering voor dit onderzoek werd verstrekt door het Genome Canada Large Scale Applied Research Project (LSARP, grant #18207) en het Canadian Forest Service Cumulative Effects-financieringsprogramma. We willen Imperial Oil Ltd. bedanken voor het leveren van de materialen die in dit onderzoek zijn gebruikt. We willen ook iedereen bedanken die heeft meegewerkt aan de experimenten: Ian J. Vander Meulen, Jason M.E. Ahad, Sara Correa-Garcia, Simon Morvan, Marie-Josée Bergeron, Dilini Atugala, Lisa Gieg, John V. Headley, Étienne Yergeau en Christine Martineau. We willen ook Douglas Muench bedanken voor experimenteel en mesokosmostisch ontwerp. We willen ook het personeel van het Northern Forestry Centre en de zomerstudenten bedanken die tijdens de experimenten hebben geholpen. We willen graag erkennen dat ons onderzoek is uitgevoerd op het grondgebied van Verdrag 6 en dat de materiaalbronnen voor deze experimenten zijn verzameld op het grondgebied van Verdrag 8. We erkennen en eren First Nations, Métis en Inuit-volkeren die op deze landen hebben gewoond, verzameld en gereisd.

Materialen

```html
Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2-inch x 4-inch x 12 ft LumberElke leverancierN/A
3/4-inch Brass PEX kogelkraanElke leverancierN/A
3/4-inch koper PEX krimpring voor PEX-pijpElke leverancierN/A
3/4-inch IPEX Schedule 40 PVC 90° lasstraatelleboogElke leverancierN/A
3/4-inch PEX Stick WhiteElke leverancierN/AVoor de buitenkant van de mesocosm
3/4-inch PEX x 3/4-inch MPT messing adapterElke leverancierN/A
3/4-inch kunststof expansielleboogfitting voor PEXElke leverancierN/A
3/4-inch kunststof expansietee voor PEXElke leverancierN/A
3/4-inch PVC bulkhoofdaansluiting Water Tank Connector AdapterElke leverancierN/A
3/4-inch PVC Schedule 40 / 90 graden elleboogElke leverancierN/A
3/4-inch PVC Schedule 40 mannelijke adapter Elke leverancierN/A
3/4-inch PVC WhiteElke leverancierN/AVoor de binnenkant van de mesocosm
4-inch houtschroevenElke leverancierN/A
Aluminiumfolie Elke leverancierN/A
Aquarium onderwater krachthoofdcirculatiepompElke leverancierN/AZuignap of magnetisch
SlangonderlegElke leverancierN/A
Miracle Grow wateroplosbare plantenvoedingMiracle GrowN/A24-8-16 formule
Neptune Apex A3 Aquarium Controller en Power BarNeptune SystemsN/A
Neptune Apex DOS Quiet Drive doseerpompNeptune SystemsN/A
Neptune AquaBus kabel - 15-voet mannelijke/mannelijkeNeptune SystemsN/A
Neptune DOS DDR slang Neptune SystemsN/A
Open bovenzijde kunststof industriële vatElke leverancierN/A57 L
PetrischaalElke leverancierN/AVoor zaadstratificatie
TurfElke leverancierN/A
Polypropyleen tank D&M Plastics Inc.RW101650,8 cm hoogte × 33,0 cm breedte × 129,5 cm lengte; 248,1 L
Siliconen allround waterdichte afdichtingsmiddel (Aquarium Grade)Elke leverancierN/A
Standaard styroblock containers (415A) Elke leverancierN/A
Teflon tapeElke leverancierN/A
YSI Professional Plus Multiparameter instrumentYSI Inc. 6050000
```

Referenties

  1. Alberta Geological Survey Oil Sands. , Alberta Geological Survey. https://ags.aer.ca/our-science/oil-and-gas/oil-sands (2024).
  2. Alberta Geological Survey. Energy Regulator State of Fluid Tailings Management for Mineable Oil Sands, 2020. , 83(2021).
  3. Allen, E. W. Process water treatment in Canada's oil sands industry: II. A review of emerging technologies. J Environ Eng Sci. 7 (5), 499-524 (2008).
  4. McQueen, A. D., et al. Performance of a hybrid pilot-scale constructed wetland system for treating oil sands process-affected water from the Athabasca oil sands. Ecol Eng. 102, 152-165 (2017).
  5. Hughes, S. A., et al. Using ultrahigh-resolution mass spectrometry and toxicity identification techniques to characterize the toxicity of oil sands process-affected water: The case for classical naphthenic acids. Environ Toxicol Chem. 36 (11), 3148-3157 (2017).
  6. Morandi, G. D., et al. Effects-directed analysis of dissolved organic compounds in oil sands process-affected water. Environ Sci Technol. 49 (20), 12395-12404 (2015).
  7. Ajaero, C., et al. Fate and behavior of oil sands naphthenic acids in a pilot-scale treatment wetland as characterized by negative-ion electrospray ionization Orbitrap mass spectrometry. Sci Total Environ. 631 - 632, 829-839 (2018).
  8. Ajaero, C., et al. Developments in molecular level characterization of naphthenic acid fraction compounds degradation in a constructed wetland treatment system. Environments. 7 (10), 1-16 (2020).
  9. Cancelli, A. M., Gobas, F. A. P. C. Treatment of naphthenic acids in oil sands process-affected waters with a surface flow treatment wetland: Mass removal, half-life, and toxicity-reduction. SSRN Electronic Journal. 213, 113755(2022).
  10. Cancelli, A. M., Gobas, F. A. P. C. Treatment of polycyclic aromatic hydrocarbons in oil sands process-affected water with a surface flow treatment wetland. Environments. 7 (9), 1-16 (2020).
  11. Cancelli, A. M., Borkenhagen, A. K., Bekele, A. A vegetation assessment of the Kearl treatment wetland following exposure to oil sands process-affected. Water. 14 (22), 1-18 (2022).
  12. Simair, M. C., et al. Treatment of oil sands process affected waters by constructed wetlands: Evaluation of designs and plant types. Sci Total Environ. 772, 145508(2021).
  13. Constructed Treatment Wetland. , Interstate Technology Regulatory Council Mining Waste Treatment Technology Selection. https://projects.itrcweb.org/miningwaste-guidance/to_const_treat.htm (2010).
  14. Haakensen, M., Pittet, V., Spacil, M. M., Castle, J. W., Rodgers, J. H. Jr Key aspects for successful design and implementation of passive water treatment systems. J Environ Solutions Oil Gas Mining. 1 (1), 59-81 (2015).
  15. Get started identifying the Apex and EB832. , Available from: https://help.neptunesystems.com/getstarted/apexng/ (2024).
  16. Pouliot, R., Rochefort, L., Graf, M. D. Impacts of oil sands process water on fen plants: Implications for plant selection in required reclamation projects. Environ Pollut. 167, 132-137 (2012).
  17. Trepanier, K. E., Vander Meulen, I. J., Ahad, J. M. E., Headley, J. V., Degenhardt, D. Evaluating the attenuation of naphthenic acids in constructed wetland mesocosms planted with Carex aquatilis. Environ Monit Assess. 195 (10), 1228(2023).
  18. Hendrikse, M., et al. Treatment of oil sands process-affected waters using a pilot-scale hybrid constructed wetland. Ecol Eng. 115, 45-57 (2018).
  19. Albert, R., Popp, M. Chemical composition of halophytes from the Neusiedler Lake region in Austria. Oecologia. 27 (2), 157-170 (1977).
  20. Cooper, A. The effects of salinity and waterlogging on the growth and cation up take of salt marsh plants. New Phytol. 90 (2), 263-275 (1982).
  21. Reis, P. C. J., et al. Microbial degradation of naphthenic acids using constructed wetland treatment systems: metabolic and genomic insights for improved bioremediation of process-affected water. FEMS Microbiol Ecol. 99 (12), fiad153(2023).
  22. Yang, L., Bekele, A., Gamal El-Din, M. Comprehensive characterization of organics in oil sands process water in constructed mesocosms utilizing multiple analytical methods. Environ Res. 252, 118972(2024).

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

Mesocosmosexperimentenafvalwater uit oliezandennaftheenzuurverbindingenwetland-behandelingssystemenplant-microbe-interactiessurface flow wetlandretentietijdsubstraatkarakteriseringmeting van opgeloste zuurstof
Aangelegde wetlands op mesokosmosschaal voor afvalwaterzuivering
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.