Artigo de método

Projeto de pântano construído em escala mesocosmática para tratamento de águas residuais

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DOI:

10.3791/68195

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2 de maio de 2025

 ,  , 
1Natural Resources Canada, Canadian Forest Service

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

Os sistemas de tratamento de zonas úmidas construídos têm sido usados há décadas para tratar águas residuais, mas sua aplicação para tratar águas afetadas pelo processo de areias betuminosas é relativamente nova. Para explorar esse potencial, um projeto de mesocosmo de fluxo superficial e métodos experimentais são delineados. Essa abordagem visa melhorar nossa compreensão dos principais parâmetros de design e melhorar a eficácia do tratamento.

Resumo

A água afetada pelo processo de areias betuminosas (OSPW), um subproduto da extração de betume por meio de mineração de superfície em Alberta, Canadá, contém vários constituintes preocupantes, incluindo compostos de fração de ácido naftênico (NAFCs). Esses compostos orgânicos são particularmente preocupantes devido à sua toxicidade e persistência no meio ambiente. Os sistemas de tratamento de zonas úmidas (CWTS) construídos usam plantas e seus micróbios associados para atenuar contaminantes em águas residuais. CWTS em escala de campo foram apresentados como uma potencial opção de tratamento em larga escala para OSPW, especificamente para NAFCs degradantes. Para otimizar o uso de CWTS para tratamento em larga escala de NAFCs em OSPW, é essencial aprofundar nossa compreensão de vários parâmetros de projeto e explorar maneiras de aumentar a eficácia.

Experimentos em escala mesocosmática servem como um intermediário valioso, preenchendo a lacuna entre ensaios de campo complexos e ambientes laboratoriais controlados. Os mesocosmos fornecem um ambiente controlado e replicável para estudar os efeitos de vários parâmetros, como substrato, espécies de plantas, temperatura e tempo de retenção, incorporando complexidades ecológicas em seu design. Trabalhos publicados e anteriores mostraram que este método é bem-sucedido na avaliação dos impactos de diferentes parâmetros na eficácia do CWTS para atenuar os NAFCs no OSPW. Este protocolo descreve o projeto e a configuração de um mesocosmo de zona úmida de fluxo superficial, juntamente com a abordagem experimental para o tratamento de NAFCs em OSPW. Este método pode ser adaptado para tratar outras águas residuais em diversas localizações geográficas.

Introdução

A região de areias betuminosas no norte de Alberta, Canadá, contém a terceira maior reserva de petróleo do mundo, produzindo mais de 3 milhões de barris de petróleo bruto diariamente1. No entanto, a extração de betume da mineração de superfície gera volumes substanciais de rejeitos e água afetada pelo processo de areias betuminosas (OSPW) como subprodutos. Devido à política de descarga zero de Alberta, esses subprodutos são armazenados em lagoas de rejeitos em toda a região de areias betuminosas mineráveis. A partir de 2023, estima-se que 391,1 Mm3 de OSPW existam como água livre em bacias de rejeitos e não inclui a água porosa que continuará a ser liberada durante o assentamentode rejeitos 2. OSPW contém <5% de sólidos e é caracterizada por níveis elevados de sais, traços de metais, bem como contaminantes orgânicos3.

Várias classes principais de contaminantes estão presentes no OSPW, incluindo compostos de fração de ácido naftênico (NAFCs), hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), BTEX (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos), fenóis e metais pesados 3,4. Os NAFCs são compostos orgânicos no betume que são solubilizados e concentrados durante o processo de extração e são consistentemente identificados como a principal fonte de toxicidade aguda da OSPW 5,6. A OSPW apresenta vários desafios ambientais e econômicos devido ao volume, complexidade e toxicidade da mistura. O desenvolvimento de tecnologias de tratamento econômicas, passivas e escaláveis para OSPW é fundamental, pois os métodos convencionais, como oxidação química e filtração, permanecem limitados em sua viabilidade para aplicações em larga escala. Os sistemas de tratamento de zonas úmidas construídos (CWTS) são sistemas de tratamento de água sustentáveis, econômicos e de baixo consumo de energia que dependem do uso de plantas e seus micróbios associados para atenuar contaminantes em águas residuais; eles surgiram como uma alternativa promissora para o tratamento de OSPW 7,8,9,10,11,12.

CWTS são zonas úmidas projetadas para replicar as funções de filtragem de áreas úmidas naturais. Originalmente projetado para tratar águas pluviais e águas residuais municipais, o CWTS agora é utilizado para uma ampla gama de aplicações, incluindo resíduos agrícolas, drenagem ácida de minas, águas residuais industriais e outros esforços de remediação13. Esses sistemas têm três componentes básicos: substrato, água e vegetação. O CWTS pode ser projetado como sistemas de fluxo de superfície ou subsuperfície, com movimento de água configurado para fluir horizontal ou verticalmente13,14. Plantas hidrofíticas de zonas úmidas são amplamente utilizadas em CWTS devido à sua adaptação a condições de solo persistentemente saturadas. Em geral, o CWTS geralmente usa espécies de plantas emergentes, como Typha sp. (taboas), Juncus sp. (juncos) e Carex sp. (juncos).

A CWTS emprega vários mecanismos para tratamento de água. Os sólidos suspensos podem adsorver contaminantes e se depositar, formando um leito de sedimentos que promove o crescimento das plantas. Além disso, as plantas podem transferir ou transformar contaminantes dissolvidos por meio de uma combinação de mecanismos bióticos e abióticos. Os mecanismos abióticos incluem filtração, sedimentação, precipitação, sorção, oxidação/redução química, complexação, fotodegradação e volatilização. Os processos bióticos envolvem biotransformação (microbiana ou mediada por plantas), fitoacumulação e fitoestabilização 13,14. Os CWTS oferecem vantagens significativas como sistemas autossustentáveis que normalmente se tornam mais eficientes ao longo do tempo14. Esses sistemas são versáteis e capazes de tratar vários contaminantes simultaneamente, ao mesmo tempo em que são ambientalmente sustentáveis e publicamente aceitáveis. Além disso, seus baixos custos operacionais e de capital em comparação com os métodos convencionais de tratamento os tornam adequados para lidar com grandes volumes de águas residuais, como OSPW. No entanto, a complexidade dos vários processos abióticos e bióticos que ocorrem simultaneamente na OSPW requer um projeto cuidadoso para otimizar o CWTS para máxima eficácia do tratamento. Uma compreensão clara dos objetivos do tratamento, combinada com testes sistemáticos na bancada do laboratório, escalas piloto e de demonstração, é essencial para otimizar o sistema e prever o sucesso da implementação em grande escala14.

Experimentos em escala piloto, muitas vezes chamados de experimentos de mesocosmo, são normalmente conduzidos usando banheiras ou tanques que simulam células de tratamento individuais. Os mesocosmos podem ser conduzidos em ambientes fechados ou ao ar livre como um experimento de campo. Os mesocosmos são sistemas parcialmente fechados que oferecem maior complexidade ecológica do que os experimentos em escala de bancada, mantendo controle e replicação suficientes para avaliar os impactos dos parâmetros individuais do projeto na remoção de contaminantes. Estudos em escala mesocosmática são necessários para confirmar os mecanismos de tratamento e descobrir complicações em menor escala, onde correções e ajustes de desenho podem ser implementados14. Este protocolo descreve a configuração e operação de um CWTS de fluxo de superfície horizontal em escala mesocósmica interna, fornecendo uma estrutura prática para projetar estudos CWTS, especialmente para a atenuação de NAFCs em OSPW.

Protocolo

1. Construção do mesocosmo

NOTA: Consulte a Tabela de Materiais para obter uma lista abrangente de materiais necessários para a construção do mesocosmo e a Figura 1 para obter um esquema da construção do mesocosmo.

  1. Remova a parte superior do tanque de polietileno (129.5 cm x 30.0 cm), se necessário.
  2. Prepare os orifícios de drenagem; Faça dois furos (Partes #1 e #2) no mesmo lado do tanque de polipropileno. Coloque um encaixe de anteparo de PVC (Parte #3) em ambos os orifícios com as roscas macho voltadas para fora. Sele a borda externa do encaixe do anteparo usando um selante à prova d'água.
    1. Orifício de drenagem da água do solo (Parte #2): posicione-o na base do canto do tanque, garantindo que haja espaço suficiente para o encaixe do anteparo.
    2. Orifício de drenagem de águas superficiais (Parte #1): coloque-o acima da altura do nível do solo, próximo ao centro do tanque.
  3. Coloque uma arruela de mangueira (Parte #4) com uma tela de filtro (Parte #5) na parte interna do encaixe do anteparo e prenda-a com selante.
  4. Configure o encanamento de drenagem interna:
    1. Para o orifício de drenagem de água superficial (Parte #1), primeiro conecte o adaptador macho de PVC (Parte #10) ao encaixe do anteparo (Parte #3) seguido pelo cotovelo de PVC de 90° (Parte #11).
    2. Insira um pedaço de tubo de PVC (Parte #12) cortado para corresponder à altura do nível de água desejado com o cotovelo de 90°.
  5. Configure o encanamento de drenagem externa. Ao longo das etapas a seguir, use anéis de crimpagem para prender o PEX às conexões.
    1. Enrole a fita de Teflon ao redor das roscas do adaptador de latão PEX x 3/4 de polegada MPT de 3/4 de polegada (Parte #6) e conecte aos encaixes do anteparo (Parte #3).
    2. Corte dois comprimentos iguais de PEX de 3/4 de polegada (Parte #7) e conecte aos adaptadores de latão MPT (Parte #6).
    3. Adicione um cotovelo de expansão de plástico ao tubo PEX (Parte #7), voltado para baixo para o orifício de drenagem de água superficial e voltado para o centro do tanque para o orifício de drenagem do solo.
    4. Para o orifício de drenagem do solo (Parte #2), conecte um tubo PEX ao cotovelo, seguido por uma válvula de esfera, outro segmento PEX e um T de expansão de plástico. Ajuste os comprimentos do PEX para alinhar a parte superior do T de expansão com o encanamento de drenagem de água superficial.
    5. Para o orifício de drenagem de água superficial, conecte um tubo PEX ao cotovelo de expansão de plástico, ligando-o ao T de expansão.
    6. Assim que o sistema estiver conectado, adicione outro pedaço de PEX (Parte #7) ao T de expansão de plástico, terminando com um cotovelo de expansão de plástico voltado para baixo.
    7. Adicione outro pedaço de PEX (Parte #7) na parte inferior do encaixe de cotovelo de expansão de plástico para garantir que a água esteja drenando para o tanque do reservatório.
  6. Aumente a integridade estrutural do mesocosmo:
    1. Construa uma estrutura (Parte # 13, 129,5 cm de comprimento x 37,0 cm de largura) usando pedaços de madeira de 2 polegadas x 4 polegadas.
    2. Prenda a estrutura com parafusos de madeira.
    3. Coloque a moldura no mesocosmo, garantindo que ela não fique nos acessórios do encanamento.
    4. Enrole a parte externa do mesocosmo em papel alumínio para reduzir a entrada de luz no solo pelos lados do mesocosmo.

2. Configuração e manutenção do mesocosmo

  1. Cultive plantas para o experimento a partir de sementes:
    1. Estratificar as sementes conforme necessário.
    2. Coloque as sementes em recipientes de isobloco padrão contendo turfa como estoque de plugue.
    3. Depois que as mudas germinarem, fertilize as mudas 3x por semana usando alimentos vegetais solúveis em água (24-8-16).
    4. Deixe as mudas crescerem por um período mínimo de 3-5 meses para garantir que atinjam um tamanho ideal para a resposta ao tratamento.
      NOTA: O período exato de tempo dependerá do tamanho e tipo de espécie. Esta etapa pode ser omitida se as mudas forem compradas em vez de cultivadas.
  2. Coloque os mesocosmos na estufa:
    1. (Opcional) Reforce as mesas da estufa com madeira compensada para suportar o peso dos mesocosmos.
    2. Distribua os mesocosmos uniformemente pelas mesas da baía da estufa para garantir a colocação aleatória dos tratamentos e minimizar as variações nas condições ambientais (Figura 2).
    3. Posicione o encanamento para pendurar na borda da mesa para drenagem adequada no tanque do reservatório (Figura 2).
  3. Configure o tanque do reservatório:
    1. Coloque o tambor industrial de plástico aberto de 57 L sob o encanamento de drenagem.
    2. Instale uma bomba de circulação de cabeçote submersível entre o meio e o fundo do tanque para permitir a mistura contínua no tanque. Prenda o cabo de alimentação na parte externa do tanque.
  4. Adicione e sature o substrato:
    1. Espalhe o substrato uniformemente no mesocosmo e aperte o substrato com pressão moderada até a altura desejada.
      NOTA: A altura do substrato depende dos objetivos da pesquisa e da espécie vegetal.
    2. Sature totalmente o substrato com água de osmose reversa (RO), meça o volume de água adicionado; Isso é equivalente ao volume de água porosa no substrato.
      NOTA: A água dos poros é o volume de água adicionado quando o substrato está saturado, o que pode ser observado quando o nível da água corresponde ao topo do substrato. Esse processo pode levar até um dia. O volume de água dos poros é importante para determinar a quantidade exata de água no sistema e calcular a vazão.
  5. Determine a vazão:
    1. Selecione um tempo de retenção com base em estudos anteriores e objetivos do estudo.
    2. Calcule o volume total de água no mesocosmo.
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    3. Calcule a vazão.
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  6. Instale as bombas:
    1. Posicione uma bomba entre dois mesocosmos adjacentes.
      NOTA: Uma bomba também pode ser usada para um mesocosmo, se necessário.
    2. Conecte todas as bombas usando um cabo USB macho-macho, conectando a última bomba ao controlador.
    3. Mergulhe a tubulação da válvula no reservatório, prendendo-a ou pesando-a para permanecer no lugar.
    4. Prenda a tubulação da válvula de saída no canto superior traseiro do mesocosmo, garantindo que ela permaneça acima da linha d'água.
    5. Enrole o tubo em papel alumínio para ajudar a prevenir o crescimento de algas.
    6. Configure e calibre as bombas, a barra de energia e o controlador de acordo com as instruções do fabricante15.
    7. Ajuste as bombas para a vazão calculada.
  7. Plante e aclimate as espécies vegetais:
    1. Ajuste a temperatura e as luzes LED de cultivo para níveis ideais para o crescimento das plantas, condicionando as espécies de plantas ao mesocosmo.
    2. Plante de 6 a 12 espécies de plantas individuais uniformemente para garantir biomassa igual por unidade de área no mesocosmo.
      NOTA: O número de indivíduos pode mudar dependendo dos objetivos da pesquisa e da fisiologia da espécie (por exemplo, à medida que Typha latifolia se torna presa à raiz, o número de indivíduos pode ser reduzido).
    3. Aumente gradualmente o nível de água RO, mantendo um nível de água por 1-2 dias, e substitua o tubo de PVC (etapa 1.4.2) conforme necessário para corresponder ao nível da água.
    4. Ligue as bombas com a vazão final desejada.
    5. Assim que o nível de água desejado for atingido, ajuste a luz e a temperatura da estufa para as configurações experimentais e permita que as plantas se aclimatem por ~ 35 dias.
  8. Drene e lave o sistema:
    1. Remova o tubo vertical de PVC e abra a válvula de esfera para drenar completamente o sistema; Isso pode levar até 2 dias.
    2. Lave o sistema com OSPW e deixe-o drenar completamente, garantindo que o tubo de PVC permaneça desligado e a válvula de esfera esteja aberta. Certifique-se de que o OSPW usado durante a lavagem não seja usado durante o experimento.
    3. Depois de lavado, feche a válvula de esfera e adicione o tubo de PVC para corresponder ao nível de água desejado.
  9. Adicionar OSPW:
    1. Despeje cuidadosamente o OSPW em cada mesocosmo para evitar perturbar o substrato ou as plantas, enchendo até atingir o nível de água desejado.
    2. Se estiver usando vários lotes de água, certifique-se de que as propriedades químicas sejam consistentes ou distribua uniformemente por todos os mesocosmos.
    3. Encha o tanque do reservatório com OSPW, deixando aproximadamente 5 cm de espaço do topo.
  10. Gerenciar evaporação:
    1. Reabasteça o tanque do reservatório com água RO conforme necessário, mantendo o nível da água aproximadamente 5 cm abaixo do topo.

3. Amostragem

  1. Medidas de espécies de plantas:
    1. A cada ciclo de tempo de retenção, meça a saúde das plantas e as métricasde crescimento 16. As métricas de saúde das plantas incluem sinais visíveis de estresse, como clorose e danos causados por insetos, enquanto as métricas de crescimento das plantas incluem mortalidade, altura e % de cobertura.
    2. No final do experimento, colete amostras para biomassa acima do solo e química do tecido vegetal, se desejar.
      NOTA: Os intervalos de monitorização e as medições utilizados são recomendados para estudar o efeito dos NAFC na fitossanidade e podem diferir em função dos objectivos experimentais.
  2. Medidas do substrato:
    1. Caracterização de linha de base: Antes de adicionar substratos a cada mesocosmo, meça um conjunto de parâmetros (por exemplo, pH, condutividade elétrica (CE), potencial de redução de oxidação (ORP), principais ânions/cátions, nutrientes, NAFCs e quaisquer outros contaminantes relevantes).
    2. Durante o primeiro ciclo de retenção, colete amostras de substrato de cada mesocosmo para obter uma linha de base para a química geral. Colete amostras de substrato de locais aleatórios em cada mesocosmo.
    3. A cada ciclo de tempo de retenção, meça o ORP do substrato usando uma sonda de ORP apropriada.
    4. No final do experimento, coletar amostras de substrato de cada mesocosmo e medir os mesmos parâmetros da caracterização de linha de base (por exemplo, pH, EC, ORP, ânions/cátions principais, nutrientes, NAFCs e quaisquer outros contaminantes relevantes).
  3. Medições de água:
    1. Caracterização de linha de base: antes que o OSPW seja adicionado a cada mesocosmo, meça um conjunto de parâmetros (por exemplo, pH, EC, ORP, ânions/cátions principais, nutrientes, NAFCs e quaisquer outros contaminantes relevantes).
    2. Após o início do experimento, coletar amostras iniciais de OSPW de cada mesocosmo após vários dias (final do ciclo de retenção 1) para permitir que o sedimento dentro do OSPW se assente e para que o OSPW preencha o espaço de água dos poros. Colete as amostras OSPW da frente de cada mesocosmo.
    3. A cada ciclo de tempo de retenção, meça o oxigênio dissolvido (OD), ORP, pH, EC e temperatura usando o instrumento referenciado.
    4. No final do experimento, colete amostras finais de água para medir a química geral, meça um conjunto de parâmetros (por exemplo, OD, pH, EC, ORP, ânions/cátions principais, nutrientes, NAFCs e quaisquer outros contaminantes relevantes).

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Figura 1: Esquema do projeto do mesocosmo e configuração experimental. (A) Esquema da construção do mesocosmo e componentes necessários. (B) Exemplo de configuração experimental, incluindo adição de substrato e planta, juntamente com a colocação do reservatório. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2: Exemplo de mesocosmo e layout de reservatório. (A) Layout de mesocosmos e tanques de reservatório na estufa sem folha de alumínio. (B) Layout mostrando mesocosmos e tanques reservatórios com folha de alumínio enrolada ao redor dos mesocosmos para limitar a penetração da luz, com uma bomba para cada dois mesocosmos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Resultados

O sucesso deste protocolo de zonas úmidas construídas em mesocosmo é demonstrado pelo crescimento e desenvolvimento robustos de espécies de plantas, o monitoramento contínuo dos parâmetros ambientais e a remoção eficiente de contaminantes ao longo do tempo. Os dados coletados por Trepanier et al.17 ilustram a eficácia do método e os resultados esperados. O estudo avaliou a capacidade de Carex aquatilis, um junco de água comumente encontrado em pântanos boreais, de reduzir NAFCs em OSPW. Ele comparou o desempenho de mesocosmos com C. aquatilis com aqueles sem plantas, usando OSPW ou água de processo feita em laboratório. Os mesocosmos foram construídos com um substrato de 10 cm de rejeito de areia grossa (CST) estratificado com 10 cm de mistura mineral de turfa (PMM) e 25 cm de OSPW sobrepondo os substratos. Antes do experimento, as plantas foram cultivadas por 3 meses a uma altura média de 83 cm e depois transplantadas para o sistema. A água de osmose reversa foi adicionada (Figura 3) para aclimatar as plantas ao mesocosmo, e os sistemas foram mantidos a 20 oC por 32 dias.

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Figura 3: Espécies de plantio e adição de água RO. (A) Adição do substrato adulterado e um exemplo de espécies de plantio no substrato. (B) Distribuição uniforme das espécies vegetais em todo o mesocosmo. (C) Adição de água RO aos mesocosmos para o período de aclimatação da planta. Abreviatura: RO = osmose reversa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

As plantas demonstraram crescimento robusto ao longo do experimento, com aumentos notáveis na altura e cobertura (Figura 4). A Figura 5 ilustra ainda mais o crescimento constante de C. aquatilis, atingindo alturas de aproximadamente 150 cm no dia 40 antes do platô. Isso estava dentro da faixa de crescimento esperada de 20-155 cm para C. aquatilis. A sobrevivência das plantas foi alta em 98%, com 99% de tecido vegetal vivo ao final do experimento. No entanto, a maioria das plantas apresentou sinais de clorose, necrose e/ou manchas e, em alguns casos, folhas deformadas e enrugadas17. O monitoramento de rotina da saúde das plantas é vital na identificação de possíveis problemas, como infestações de pragas.

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Figura 4: Fotos do crescimento das plantas no início e no final do experimento. Um exemplo de foto do crescimento e saúde de Carex aquatilis do dia 0 ao dia 78. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 5: Altura da planta ao longo do tempo no mesocosmo contendo Carex aquatilis. Altura média da planta para Carex aquatilis em mesocosmos (n = 48). O dia 0 é quando o OSPW foi adicionado ao sistema. O período de aclimatação da planta refere-se ao período em que os mesocosmos continham água RO antes da adição de OSPW. As barras de erro indicam um desvio padrão da média. Essa figura foi adaptada de Trepanier et al.17. Abreviaturas: RO = osmose reversa; OSPW = água afetada pelo processo de areias betuminosas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os principais parâmetros ambientais, como OD da água e redox do substrato, foram monitorados rotineiramente para garantir o desempenho ideal do sistema, uma vez que manter níveis adequados de oxigênio é fundamental para a saúde das plantas e a remoção eficaz de contaminantes em CWTS. Os valores redox do substrato flutuaram ao longo do experimento, com mesocosmos não plantados permanecendo em condições oxidantes entre 50 mV e 100 mV, enquanto mesocosmos contendo C. aquatilis ocasionalmente se aproximaram de 0 mV. O OSPW manteve os níveis de OD > 5 ppm durante todo o experimento, e o OD foi maior em geral nos mesocosmos sem plantas, principalmente no final do experimento (Figura 6). Um OD de 8 ppm é frequentemente considerado ideal para o crescimento das plantas; no entanto, um valor de OD acima de 5 ppm é aceitável. O monitoramento de rotina permite a identificação de declínios ocasionais na OD, o que pode levar a verificações do sistema, como verificar a funcionalidade da bomba, para garantir uma operação consistente.

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Figura 6: Medições de oxigênio dissolvido e redox do solo dentro dos mesocosmos. (A) Oxigênio dissolvido em OSPW e (B) potencial redox do solo para mesocosmos com Carex aquatilis e tratamentos não plantados apenas com OSPW. Os pontos de dados representam médias de quatro mesocosmos replicados (n = 4), com barras de erro indicando um erro padrão da média. Abreviatura: OSPW = água afetada pelo processo de areias betuminosas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O objetivo principal do estudo foi avaliar o potencial de atenuação do NAFC a partir de OSPW usando um CWTS de mesocosmo. A Figura 7 ilustra um declínio gradual nas concentrações de NAFC ao longo do experimento, demonstrando a eficácia do sistema. A presença de C. aquatilis aumentou a remoção de NAFC, alcançando uma redução de 76% nos NAFCs em 82 dias (72,1 mg/L inicial a 17,1 mg/L final), em comparação com 8,5% no tratamento controle não plantado ao longo de 82 dias (64,5 mg/L inicial a 59,0 mg/L final)17. A redução bem-sucedida na concentração de NAFCs, juntamente com o crescimento saudável das plantas e as condições ambientais favoráveis, confirmam que a configuração do mesocosmo está funcionando de forma eficaz. Esses resultados demonstram a capacidade do sistema de simular áreas úmidas construídas e fornecem informações valiosas sobre o papel do CWTS na redução da toxicidade do OSPW.

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Figura 7: Concentração de NAFC ao longo do tempo nos mesocosmos. Concentração de compostos da fração ácido naftênico em mesocosmos com Carex aquatilis e tratamentos não plantados apenas com OSPW. Os pontos de dados representam médias de quatro mesocosmos replicados (n = 4), com barras de erro indicando um erro padrão da média. Letras diferentes entre as médias indicam diferença significativa (P < 0,05). Essa figura foi adaptada de Trepanier et al.17. Abreviaturas: OSPW = água afetada pelo processo de areias betuminosas; NAFC = compostos da fracção do ácido nafténico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

O CWTS tem sido usado como um tratamento passivo e econômico para muitas águas residuais13; no entanto, eles são um método relativamente novo para o tratamento de OSPW para atenuação de NAFC 7,8,9,10,11,12,17,18. Usando os métodos descritos neste artigo, a eficácia do CWTS pode ser aprimorada pela avaliação de vários parâmetros de projeto.

Os mesocosmos são montados conforme mostrado na Figura 1, garantindo a instalação de tubulação de drenagem adequada. Para evitar possíveis problemas de fluxo ou tempos de retenção desiguais causados pelo entupimento do substrato nas saídas, um lavador de mangueira com uma tela de filtro é colocado no bujão de drenagem inferior e o orifício de drenagem superior é posicionado acima do nível do substrato. Se ocorrerem entupimentos apesar dessas medidas, uma broca de drenagem ou pressão de ar pode ser usada para limpar os bloqueios.

Os mesocosmos são colocados em mesas de estufa reforçadas com madeira compensada, com baldes de reservatório posicionados nas extremidades das mesas para recirculação de água. A água circula pelo sistema usando o fluxo por gravidade, entrando pela mangueira de entrada e saindo pela extremidade do orifício de drenagem superficial antes de voltar para o reservatório. O tempo de retenção (dias) foi escolhido com base em estudos prévios de áreas úmidas construídos7. As bombas de circulação submersíveis são usadas para garantir a mistura contínua do reservatório. As bombas dosadoras são usadas para facilitar o movimento da água entre o mesocosmo e o reservatório. É possível conectar uma bomba dosadora a dois mesocosmos. As bombas devem ser ajustadas com base em objetivos experimentais para atingir a vazão e o tempo de retenção desejados.

Após a construção do mesocosmo, o substrato é uniformemente embalado nos mesocosmos, as plantas são transplantadas e a água RO é adicionada. A água RO é usada inicialmente durante um período de aclimatação da planta, para garantir um sistema que funcione bem com plantas saudáveis antes de iniciar o experimento. Após o período de aclimatação, os mesocosmos são drenados, lavados com 100% de OSPW por 24 h para garantir a reposição da água dos poros e, em seguida, reabastecidos com OSPW antes de iniciar o experimento.

As principais medições que devem ser concluídas incluem métricas de saúde e crescimento das plantas, parâmetros químicos do substrato e da água e concentrações do contaminante alvo. Medições de rotina dos parâmetros da água e do substrato são feitas uma vez por ciclo para garantir que o mesocosmo esteja operando conforme o esperado. Recomenda-se medir os parâmetros de qualidade da água, incluindo DO, ORP, pH e condutividade, uma vez por ciclo usando um instrumento multiparâmetro YSI Professional Plus. O ORP do solo e o OD da água são parâmetros-chave a serem monitorados para garantir que os mesocosmos mantenham as condições aeróbicas.

O método descrito é altamente adaptável e pode ser alterado com base nos objetivos do tratamento. As principais modificações do tratamento incluem, entre outras, espécies de plantas, uso de várias espécies de plantas, tempo de retenção, condições ambientais, composição e profundidade do substrato e adição de fertilizantes. As espécies vegetais devem ser escolhidas com base em características que aumentam a sobrevivência das plantas e a eficácia da fitorremediação. A escolha de espécies de plantas nativas de zonas úmidas adaptadas ao clima local aumentará a probabilidade de crescimento e sobrevivência bem-sucedidos 11,13,14. As espécies de plantas que são adequadas para uso em CWTS incluem aquelas que desenvolvem raízes profundas e largas, rizomas fortes, crescimento rápido, transporte de oxigênio suficiente e têm mecanismos para neutralizar os efeitos da salinidade 17,19,20. Muitas vezes, é recomendado evitar o plantio de misturas de espécies de plantas, pois o aumento da diversidade de plantas pode levar à diminuição da certeza na eficácia do CWTS. Especialmente se uma planta se torna dominante, é difícil modelar como o CWTS se comportará14. As espécies de plantas selecionadas também afetarão a evapotranspiração, o que pode ter um efeito de concentração de sal e outros contaminantes.

É importante garantir que a evapotranspiração seja contabilizada no sistema; garantindo que o nível OSPW seja mantido com água RO. O uso de água municipal ou não RO pode levar a um aumento de outros constituintes (por exemplo, cloreto, cálcio, flúor), o que pode afetar os achados do estudo do mesocosmo. Alterar o tempo de retenção pode ajudar na aeração, garantindo que os vários componentes e níveis dentro do mesocosmo não se tornem anaeróbicos, o que pode levar a impactos nas comunidades microbianas e na saúde das plantas.

Influxos pulsados ou intermitentes podem ser usados para simular a dinâmica natural das zonas úmidas (ou seja, eventos de tempestade e escoamento sazonal). Garantir que as variáveis ambientais (temperatura, condições de luz e variações sazonais) sejam semelhantes às da área de estudo é importante para extrapolar o trabalho para CWTS em larga escala, pois reduzirá o número de novas variáveis que impactarão o sistema e a análise de como essas variáveis impactam a eficácia do CWTS na atenuação de NAFCs. A escolha de substratos para os mesocosmos que podem ser usados em um CWTS em larga escala ajudará a informar o projeto futuro e aumentar a eficácia do sistema de tratamento. Na mineração de areias betuminosas, rejeitos de areia grossa e mistura de turfa e mineral são substratos e foram previamente testados em estudos de mesocosmo para determinar o substrato ideal para melhorar a saúde das plantas, aumentar as comunidades microbianas benéficas e ajudar na atenuação dos NAFCs17.

A principal limitação deste método é o tamanho e a profundidade restritos do mesocosmo, que podem afetar o crescimento das raízes e fazer com que as plantas fiquem presas às raízes. Essas restrições podem ser superadas reduzindo a duração do experimento e/ou o número de plantas individuais usadas. Se várias espécies forem usadas no mesmo mesocosmo, pode haver efeitos sinérgicos ou aditivos da competição. Em última análise, o tamanho e a profundidade do mesocosmo podem resultar em uma duração mais curta para o experimento, limitando a quantidade de dados coletados. Experimentos de longo prazo podem examinar processos como a ciclagem de nutrientes, que ocorrem quando a matéria orgânica é adicionada ao sistema por meio do acúmulo e decomposição lenta de detritos vegetais e exsudatos radiculares. Isso pode afetar as comunidades microbianas e a taxa de atenuação de contaminantes. Além disso, o período de tempo experimental relativamente curto desse projeto de mesocosmo fornece feedback rápido que pode ser usado para aprimorar experimentos futuros. Os nutrientes podem ser adicionados ao sistema mesocosmo; no entanto, o tipo e a quantidade de fertilizante adicionado requerem monitoramento extensivo para evitar a proliferação de algas.

As condições na estufa são definidas para criar um ambiente de cultivo ideal; As faixas de temperatura são definidas para refletir adequadamente as temperaturas sazonais da região, com mudanças graduais implementadas para simular flutuações diurnas naturais. Os níveis de umidade também podem variar dentro de uma faixa representativa do clima regional. Além disso, a estufa foi projetada para receber 25.000 lux, equivalente a aproximadamente 200 W/m² de luz do dia ambiente, durante as horas de luz do dia designadas. Para garantir uma intensidade de luz consistente, as luzes LED são ativadas sempre que os níveis de luz natural caem abaixo desse limite. O uso de uma estufa também tem suas limitações. Embora forneça um ambiente controlado, as estufas também podem apresentar desafios únicos, como infestações de pragas, efeitos estufa e a criação de ambientes não naturais. As infestações de pragas são particularmente comuns em ambientes de estufa e podem afetar a saúde e o crescimento das plantas. Para reduzir o uso de inseticidas, predadores naturais ou remoção física de pragas são ótimas alternativas. Apesar desses desafios, uma estufa continua sendo o ambiente ideal para realizar um estudo piloto, pois permite o controle e o exame precisos de parâmetros individuais14.

Este método representa uma das muitas abordagens para projetar experimentos de mesocosmo. Experimentos CWTS em escala piloto podem ser conduzidos ao ar livre10,21 ou em ambientes fechados 4,17. Os mesocosmos externos são influenciados por fatores ambientais multivariados, que podem interagir de maneiras complexas e imprevisíveis. Essas interações dificultam a modelagem de variáveis individuais ou a elucidação dos mecanismos específicos que impulsionam os resultados observados. Como resultado, torna-se difícil determinar quais fatores estão contribuindo para o desempenho do CWTS e identificar oportunidades para melhorar o projeto do sistema; no entanto, eles replicam mais de perto as condições CWTS em escala real14. Em contraste, os mesocosmos internos fornecem um ambiente mais controlado, minimizando os efeitos da natureza e outras influências externas, facilitando a compreensão dos processos e a identificação de parâmetros de projeto que podem melhorar o desempenho.

Os projetos CWTS normalmente apresentam fluxo de superfície horizontal 4,10,17,18 ou fluxo subsuperficial vertical18. O método descrito aqui representa um projeto de mesocosmo de fluxo superficial horizontal. Enquanto os sistemas de fluxo vertical dependem da gravidade para facilitar o movimento vertical da água, oferecendo melhor oxigenação e exigindo menos espaço, os sistemas de fluxo horizontal mantêm condições mais estáveis10 e aumentam o potencial de fitorremediação22. Os mesocosmos oferecem vantagens significativas para o desenvolvimento de CWTS, testando componentes integrais e aumentando a eficiência para futuras aplicações em larga escala, permitindo a replicabilidade e o controle do ambiente circundante e permitindo o isolamento e a medição de parâmetros experimentais individuais, ao mesmo tempo em que rastreia mudanças bióticas e vias de dissipação química.

Divulgações

Os autores não têm conflitos de interesse a divulgar.

Agradecimentos

O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pelo Projeto de Pesquisa Aplicada em Grande Escala do Genome Canada (LSARP, concessão # 18207) e pelo programa de financiamento de Efeitos Cumulativos do Serviço Florestal Canadense. Gostaríamos de agradecer à Imperial Oil Ltd. por fornecer os materiais utilizados nesta pesquisa. Também gostaríamos de agradecer a todos que ajudaram nos experimentos: 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 e Christine Martineau. Também gostaríamos de agradecer a Douglas Muench pelo design experimental e mesocosmo. Também gostaríamos de agradecer à equipe do Centro Florestal do Norte e aos alunos de verão que ajudaram durante os experimentos. Gostaríamos de reconhecer que nossa pesquisa foi conduzida no território do Tratado 6 e as fontes de materiais para esses experimentos foram coletadas no território do Tratado 8. Reconhecemos e homenageamos os povos das Primeiras Nações, Métis e Inuit que viveram, se reuniram e viajaram nessas terras.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Madeira serrada de 2 polegadas x 4 polegadas x 12 pésQualquer fornecedorN/A
Válvula de esfera PEX de latão de 3/4 polegadasQualquer fornecedorN/A
Anel de crimpagem PEX de cobre de 3/4 polegadas para tubo PEXQualquer fornecedorN/A
Cronograma IPEX de 3/4 polegadas 40 PVC 90° Cotovelo de rua de soldagemQualquer fornecedorN / A
Vara PEX de 3/4 de polegada brancaQualquer fornecedorN / APara o exterior do mesocosmo
3/4 de polegada PEX x 3/4 de polegada MPT Adaptador de latãoQualquer fornecedorN / A
Encaixe de cotovelo de expansão de plástico de 3/4 de polegada para PEXQualquer fornecedorN / A
T de expansão de plástico de 3/4 de polegada para PEXQualquer fornecedorN / A
Conector de Conector de Montagem de Anteparo de PVC de 3/4 de polegada Adaptador de Conector de Tanquede Água Qualquer FornecedorN/A
Cotovelo de PVC de 3/4 de polegada Schedule 40 / 90 GrausQualquer FornecedorN/A
Adaptador Macho de PVC de 3/4 de polegada Schedule 40 Qualquer FornecedorN/A
PVC de 3/4 polegadas BrancoQualquer FornecedorN/APara o interior do mesocosmo
Parafusos de Madeira de 4 polegadasQualquer FornecedorN/A
Folha de Alumínio Qualquer fornecedorN/A
Bomba de circulação de cabeça de potência submersível para aquárioQualquer fornecedorN/AVentosa ou mangueira magnética
LavadoraQualquer fornecedorN/A
Alimento vegetal solúvel em água Miracle GrowN/AFórmula 24-8-16
Controlador de aquário Neptune Apex A3 e barra de energiaSistemas NeptuneN/A
Bomba de Dosagem Silenciosa Neptune Apex DOSNeptune SystemsN/A
Cabo AquaBus Neptune - 15 Pés Macho/MachoNeptune SystemsN/A
Neptune DOS DDR Tubing Neptune SystemsN/A
Tambor Industrial de Plástico AbertoQualquer FornecedorN/A57 L
Placa de PetriQualquer FornecedorN/APara estratificação de sementes
TurfaQualquer FornecedorN/A
Tanque de Polipropileno D& M Plásticos Inc.RW101650,8 cm de altura e tempos; 33,0 cm de largura e tempos; 129,5 cm de comprimento; 248,1 L
de Silicone Selante à prova d'água multiuso (grau de aquário)Qualquer fornecedorN/A
Recipientes de isobloco padrão (415A) Qualquer FornecedorN/A
Fita de TeflonQualquer FornecedorN/A
YSI Professional Plus Instrumento multiparamétricoYSI Inc. Nº 6050000

Referências

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