CWTS są stosowane jako pasywne i opłacalne oczyszczanie wielu ścieków13; jednak są one stosunkowo nową metodą leczenia OSPW pod kątem tłumienia NAFC 7,8,9,10,11,12,17,18. Korzystając z metod opisanych w tym artykule, skuteczność CWTS można zwiększyć poprzez ocenę różnych parametrów projektowych.
Mezokosmosy są montowane tak, jak pokazano na rysunku 1, zapewniając zainstalowanie odpowiednich rur drenażowych. Aby zapobiec potencjalnym problemom z przepływem lub nierównomiernym czasom retencji spowodowanym zatkaniem wylotów podłoża, na dolnym korku odpływowym umieszcza się myjkę do węży z sitkiem filtrującym, a górny otwór drenażowy umieszcza się nad poziomem podłoża. Jeśli pomimo tych środków dojdzie do zatkania, do usunięcia zatorów można użyć ślimaka drenażowego lub ciśnienia powietrza.
Mezokosmosy umieszcza się na stołach szklarniowych wzmocnionych sklejką, a na końcach stołów umieszczono wiadra ze zbiornikami do recyrkulacji wody. Woda krąży w systemie za pomocą przepływu grawitacyjnego, wchodząc wężem dopływowym i wychodząc na końcu powierzchniowego otworu drenażowego, zanim wróci z powrotem do zbiornika. Czas retencji (dni) został wybrany na podstawie wcześniejszych badań na terenach podmokłych7. Zatapialne pompy obiegowe służą do zapewnienia ciągłego mieszania zbiornika. Pompy dozujące służą do ułatwienia przepływu wody między mezokosmosem a zbiornikiem. Możliwe jest podłączenie jednej pompy dozującej do dwóch mezokosmosów. Pompy powinny być ustawione w oparciu o cele doświadczalne, aby osiągnąć pożądane natężenie przepływu i czas retencji.
Po zbudowaniu mezokosmosu podłoże jest równomiernie upakowane w mezokosmosach, rośliny są przesadzane i dodawana jest woda RO. Woda RO jest początkowo używana w okresie aklimatyzacji roślin, aby zapewnić dobrze funkcjonujący system ze zdrowymi roślinami przed rozpoczęciem eksperymentu. Po okresie aklimatyzacji mezokosmosy są osuszane, przepłukiwane 100% OSPW przez 24 godziny, aby zapewnić wymianę wody porowej, a następnie ponownie napełniane OSPW przed rozpoczęciem eksperymentu.
Kluczowe pomiary, które należy wykonać, obejmują wskaźniki zdrowia i wzrostu roślin, parametry chemiczne podłoża i wody oraz stężenia docelowego zanieczyszczenia. Rutynowe pomiary parametrów wody i podłoża są wykonywane raz na cykl, aby upewnić się, że mezokosmos działa zgodnie z oczekiwaniami. Zaleca się pomiar parametrów jakości wody, w tym DO, ORP, pH i przewodności, raz na cykl za pomocą wieloparametrowego przyrządu YSI Professional Plus. Potencjał redoks w glebie i DO w wodzie są kluczowymi parametrami, które należy monitorować, aby zapewnić, że mezokosmosy utrzymują warunki tlenowe.
Opisana metoda jest wysoce elastyczna i może być zmieniana w zależności od celów leczenia. Główne modyfikacje zabiegu obejmują między innymi gatunki roślin, wykorzystanie wielu gatunków roślin, czas retencji, warunki środowiskowe, skład i głębokość podłoża oraz dodanie nawozów. Gatunki roślin powinny być wybierane na podstawie cech, które zwiększają przeżywalność roślin i skuteczność fitoremediacji. Wybór rodzimych gatunków roślin mokradłowych przystosowanych do lokalnego klimatu zwiększy prawdopodobieństwo pomyślnego wzrostu i przetrwania 11,13,14. Gatunki roślin, które dobrze nadają się do stosowania w CWTS, to te, które mają głębokie i szerokie korzenie, silne kłącza, szybki wzrost, wystarczający transport tlenu i mają mechanizmy przeciwdziałające skutkom zasolenia 17,19,20. Często zaleca się unikanie sadzenia mieszanek gatunków roślin, ponieważ zwiększona różnorodność roślin może prowadzić do zmniejszenia pewności co do skuteczności CWTS. Zwłaszcza, jeśli jedna roślina stanie się dominująca, trudno jest modelować, jak będzie się zachowywaćCWTS 14. Wybrane gatunki roślin będą miały również wpływ na ewapotranspirację, która może mieć wpływ na stężenie soli i innych zanieczyszczeń.
Ważne jest, aby upewnić się, że ewapotranspiracja jest uwzględniana w systemie; zapewnienie utrzymania poziomu OSPW za pomocą wody RO. Stosowanie wody miejskiej lub innej niż RO może prowadzić do wzrostu ilości innych składników (np. chlorków, wapnia, fluoru), co może mieć wpływ na wyniki badania mezokosmosu. Zmiana czasu retencji może pomóc w napowietrzaniu, zapewniając, że różne składniki i poziomy w mezokosmosie nie staną się beztlenowe, co mogłoby mieć wpływ na zbiorowiska mikrobiologiczne i zdrowie roślin.
Napływy pulsacyjne lub okresowe można wykorzystać do symulacji naturalnej dynamiki terenów podmokłych (tj. zdarzeń burzowych i odpływu sezonowego). Zapewnienie, że zmienne środowiskowe (temperatura, warunki świetlne i wahania sezonowe) są podobne do tych występujących w badanym obszarze, jest ważne dla ekstrapolacji prac na dużą skalę CWTS, ponieważ zmniejszy liczbę nowych zmiennych, które będą miały wpływ na system i analizę, w jaki sposób te zmienne wpływają na skuteczność CWTS w tłumieniu NAFC. Wybór substratów do mezokosmosów, które mogą być stosowane na większą skalę CWTS, pomoże w opracowaniu przyszłego projektu i zwiększeniu skuteczności systemu oczyszczania. W górnictwie piasków roponośnych substratami są gruboziarniste odpady piaskowe i mieszanka torfowo-mineralna, które zostały wcześniej przetestowane w badaniach mezokosmicznych w celu określenia optymalnego podłoża w celu poprawy zdrowia roślin, zwiększenia pożytecznych społeczności mikroorganizmów i pomocy w tłumieniu NAFC17.
Głównym ograniczeniem tej metody jest ograniczony rozmiar i głębokość mezokosmosu, co może wpływać na wzrost korzeni i powodować wiązanie korzeni roślin. Ograniczenia te można przezwyciężyć poprzez skrócenie czasu trwania eksperymentu i/lub zmniejszenie liczby wykorzystanych pojedynczych roślin. Jeśli w tym samym mezokosmosie wykorzystuje się wiele gatunków, mogą wystąpić efekty synergiczne lub addytywne wynikające z konkurencji. Ostatecznie, rozmiar i głębokość mezokosmosu może skutkować krótszym czasem trwania eksperymentu, co ograniczy ilość zbieranych danych. Długoterminowe eksperymenty mogą badać procesy, takie jak obieg składników odżywczych, które zachodzą, gdy materia organiczna jest dodawana do systemu w wyniku akumulacji i powolnego rozkładu detrytusu roślinnego i wysięków korzeniowych. Może to mieć wpływ na zbiorowiska drobnoustrojów i szybkość tłumienia zanieczyszczeń. Dodatkowo, stosunkowo krótkie ramy czasowe eksperymentów tego projektu mezokosmosu zapewniają szybkie informacje zwrotne, które można wykorzystać do ulepszenia przyszłych eksperymentów. Składniki odżywcze można dodawać do systemu mezokosmosu; Jednak rodzaj i ilość dodawanego nawozu wymagają intensywnego monitorowania, aby zapobiec zakwitowi glonów.
Warunki w szklarni są ustawione tak, aby stworzyć optymalne środowisko wzrostu; Zakresy temperatur są ustawione tak, aby odpowiednio odzwierciedlały sezonowe temperatury w regionie, a stopniowe zmiany są wdrażane w celu symulacji naturalnych wahań dobowych. Poziomy wilgotności są również regulowane w zakresie reprezentatywnym dla klimatu regionalnego. Dodatkowo szklarnia została zaprojektowana tak, aby odbierać 25 000 luksów, co odpowiada około 200 W/m² światła dziennego otoczenia, w wyznaczonych godzinach dziennych. Aby zapewnić stałe natężenie światła, diody LED są aktywowane, gdy poziom naturalnego światła spadnie poniżej tego progu. Korzystanie ze szklarni ma również swoje ograniczenia. Chociaż zapewnia kontrolowane środowisko, szklarnie mogą również stanowić wyjątkowe wyzwania, takie jak inwazje szkodników, efekty cieplarniane i tworzenie nienaturalnego środowiska. Inwazje szkodników są szczególnie powszechne w środowiskach szklarniowych i mogą wpływać na zdrowie i wzrost roślin. Aby ograniczyć stosowanie środków owadobójczych, doskonałą alternatywą są naturalne drapieżniki lub fizyczne usuwanie szkodników. Pomimo tych wyzwań szklarnia pozostaje optymalnym środowiskiem do przeprowadzenia badania pilotażowego, ponieważ pozwala na precyzyjną kontrolę i badanie poszczególnych parametrów14.
Metoda ta reprezentuje jedno z wielu podejść do projektowania eksperymentów mezokosmicznych. Eksperymenty CWTS na skalę pilotażową mogą być przeprowadzane na zewnątrz 10,21 lub w pomieszczeniach 4,17. Na mezokosmosy zewnętrzne wpływają wielowymiarowe czynniki środowiskowe, które mogą wchodzić w złożone i nieprzewidywalne interakcje. Interakcje te utrudniają modelowanie poszczególnych zmiennych lub wyjaśnienie konkretnych mechanizmów napędzających obserwowane wyniki. W rezultacie trudno jest określić, które czynniki przyczyniają się do wydajności CWTS i zidentyfikować możliwości poprawy projektu systemu; jednak bardziej odwzorowują one pełnoskalowe warunki CWTS14. W przeciwieństwie do tego, mezokosmosy wewnętrzne zapewniają bardziej kontrolowane środowisko, minimalizując wpływ natury i innych wpływów zewnętrznych, ułatwiając zrozumienie procesów i identyfikację parametrów projektowych, które mogą zwiększyć wydajność.
Projekty CWTS zazwyczaj charakteryzują się poziomym przepływem powierzchniowym 4,10,17,18 lub pionowym przepływem podpowierzchniowym 18. Opisana tutaj metoda reprezentuje projekt mezokosmosu z poziomym przepływem powierzchniowym. Podczas gdy systemy przepływu pionowego opierają się na grawitacji, aby ułatwić pionowy ruch wody, oferując lepsze natlenienie i wymagając mniej miejsca, systemy przepływu poziomego utrzymują bardziej stabilne warunki10 i zwiększają potencjał fitoremediacji22. Mezokosmosy oferują znaczące korzyści dla rozwoju CWTS poprzez testowanie integralnych komponentów i zwiększanie wydajności dla przyszłych zastosowań na dużą skalę, umożliwiając powielanie i kontrolę otaczającego środowiska oraz umożliwiając izolację i pomiar indywidualnych parametrów eksperymentalnych, jednocześnie śledząc zmiany biotyczne i szlaki rozpraszania chemicznego.