Mesokosmenskalige Planung von Pflanzenkläranlagen für die Abwasserbehandlung

Aufbereitungsanlagen für Pflanzenkläranlagen werden seit Jahrzehnten zur Abwasseraufbereitung eingesetzt, aber ihre Anwendung zur Behandlung von Ölsanden, die vom Prozess betroffen sind, ist relativ neu. Um dieses Potenzial zu erforschen, werden ein Oberflächenströmungs-Mesokosmen-Design und experimentelle Methoden skizziert. Dieser Ansatz zielt darauf ab, unser Verständnis der wichtigsten Designparameter zu verbessern und die Wirksamkeit der Behandlung zu verbessern.

Ölsand-Prozesswasser (OSPW), ein Nebenprodukt der Bitumengewinnung durch Tagebau in Alberta, Kanada, enthält verschiedene bedenkliche Bestandteile, darunter Naphthensäurefraktionsverbindungen (NAFCs). Diese organischen Verbindungen sind aufgrund ihrer Toxizität und Persistenz in der Umwelt besonders besorgniserregend. Bei der Behandlung von Pflanzenkläranlagen (CWTS) werden Pflanzen und die mit ihnen verbundenen Mikroben eingesetzt, um Schadstoffe im Abwasser abzuschwächen. CWTS im Feldmaßstab wurden als potenzielle groß angelegte Behandlungsoption für OSPW vorgestellt, insbesondere für den Abbau von NAFCs. Um den Einsatz von CWTS für die großtechnische Behandlung von NAFCs bei OSPW zu optimieren, ist es wichtig, unser Verständnis verschiedener Designparameter zu vertiefen und Wege zur Verbesserung der Wirksamkeit zu erkunden.

Experimente im Mesokosmenmaßstab dienen als wertvoller Vermittler und überbrücken die Lücke zwischen komplexen Feldversuchen und kontrollierten Laborumgebungen. Mesokosmen bieten eine kontrollierte, replizierbare Umgebung, um die Auswirkungen verschiedener Parameter wie Substrat, Pflanzenart, Temperatur und Verweilzeit zu untersuchen und gleichzeitig ökologische Komplexitäten in ihr Design einzubeziehen. Veröffentlichte und frühere Arbeiten haben gezeigt, dass diese Methode erfolgreich ist, um die Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Wirksamkeit von CWTS zur Abschwächung von NAFCs bei OSPW zu bewerten. Dieses Protokoll beschreibt das Design und den Aufbau eines Oberflächenströmungs-Mesokosmos für Feuchtgebiete sowie den experimentellen Ansatz zur Behandlung von NAFCs in OSPW. Diese Methode kann an die Behandlung anderer Abwässer an verschiedenen geografischen Standorten angepasst werden.

Die Ölsandregion im Norden Albertas, Kanada, beherbergt die drittgrößten Ölreserven der Welt und produziert täglich über 3 Millionen Barrel Rohöl¹. Bei der Bitumengewinnung aus dem Tagebau fallen jedoch erhebliche Mengen an Abraumhalden und ölsandigem prozessbeeinflusstem Wasser (OSPW) als Nebenprodukte an. Aufgrund der Null-Einleit-Politik von Alberta werden diese Nebenprodukte in Absetzbecken in der gesamten abbaubaren Ölsandregion gelagert. Im Jahr 2023 existieren schätzungsweise 391,1 mm³ OSPW als freies Wasser in Absetzbecken und beinhalten nicht das Porenwasser, das während der Abraumablagerung² weiterhin freigesetzt wird. OSPW enthält <5 % Feststoffe und zeichnet sich durch einen erhöhten Gehalt an Salzen, Spurenmetallen sowie organischen Verunreinigungen^{aus 3}.

In OSPW sind mehrere Hauptklassen von Kontaminanten enthalten, darunter Naphthensäurefraktionsverbindungen (NAFCs), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole), Phenole und Schwermetalle ^3,4. NAFC sind organische Verbindungen in Bitumen, die während des Extraktionsprozesses gelöst und konzentriert werden und durchweg als Hauptquelle für akute OSPW-Toxizität identifiziert werden ^5,6. OSPW stellen aufgrund des Volumens, der Komplexität und der Toxizität des Gemisches mehrere ökologische und wirtschaftliche Herausforderungen dar. Die Entwicklung kostengünstiger, passiver und skalierbarer Aufbereitungstechnologien für OSPW ist von entscheidender Bedeutung, da herkömmliche Methoden wie chemische Oxidation und Filtration in ihrer Machbarkeit für großtechnische Anwendungen nach wie vor begrenzt sind. Pflanzenkläranlagen (CWTS) sind energiesparende, kostengünstige und nachhaltige Wasseraufbereitungssysteme, die auf den Einsatz von Pflanzen und den damit verbundenen Mikroben angewiesen sind, um Schadstoffe im Abwasser zu verringern. Sie haben sich als vielversprechende Alternative zur Behandlung von OSPW 7,8,9,10,11,12 herausgestellt.

CWTS sind technische Feuchtgebiete, die so konzipiert sind, dass sie die Filterfunktionen natürlicher Feuchtgebiete nachahmen. Ursprünglich für die Behandlung von Regenwasser und kommunalem Abwasser konzipiert, werden CWTS heute für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter landwirtschaftliche Abfälle, saure Grubenentwässerung, Industrieabwässer und andere Sanierungsmaßnahmen¹³. Diese Systeme bestehen aus drei Grundkomponenten: Substrat, Wasser und Vegetation. CWTS kann als Oberflächenströmungssystem oder als unterirdisches Strömungssystem ausgelegt werden, wobei die Wasserbewegung so konfiguriert ist, dass sie entweder horizontal oder vertikal fließt^13,14. Hydrophytische Feuchtgebietspflanzen werden aufgrund ihrer Anpassung an dauerhaft gesättigte Bodenbedingungen in CWTS häufig eingesetzt. Im Allgemeinen werden im CWTS häufig aufstrebende Pflanzenarten wie Typha sp. (Rohrkolben), Juncus sp. (Binsen) und Carex sp. (Seggen) verwendet.

CWTS setzt verschiedene Mechanismen zur Wasseraufbereitung ein. Schwebstoffe können Schadstoffe adsorbieren und sich absetzen, wodurch ein Sedimentbett entsteht, das das Pflanzenwachstum fördert. Darüber hinaus können Pflanzen gelöste Schadstoffe durch eine Kombination aus biotischen und abiotischen Mechanismen übertragen oder umwandeln. Zu den abiotischen Mechanismen gehören Filtration, Sedimentation, Fällung, Sorption, chemische Oxidation/Reduktion, Komplexierung, Photodegradation und Verflüchtigung. Zu den biotischen Prozessen gehören die Biotransformation (mikrobiell oder pflanzenvermittelt), die Phytoakkumulation und die Phytostabilisierung ^13,14. CWTS bieten erhebliche Vorteile als autarke Systeme, die in der Regel im Laufe der Zeit effizienter werden¹⁴. Diese Systeme sind vielseitig einsetzbar und in der Lage, mehrere Schadstoffe gleichzeitig zu behandeln und gleichzeitig umweltverträglich und öffentlich akzeptabel zu sein. Darüber hinaus eignen sie sich aufgrund ihrer geringen Betriebs- und Kapitalkosten im Vergleich zu herkömmlichen Aufbereitungsmethoden gut für die Behandlung großer Abwassermengen, wie z. B. OSPW. Die Komplexität der verschiedenen abiotischen und biotischen Prozesse, die gleichzeitig bei OSPW ablaufen, erfordert jedoch ein sorgfältiges Design, um CWTS für eine maximale Behandlungswirksamkeit zu optimieren. Ein klares Verständnis der Behandlungsziele, kombiniert mit systematischen Tests im Labor-, Pilot- und Demonstrationsmaßstab, ist für die Optimierung des Systems und die Vorhersage des Erfolgs der vollständigen Implementierung^{unerlässlich 14}.

Experimente im Pilotmaßstab, oft auch Mesokosmen-Experimente genannt, werden in der Regel mit Wannen oder Tanks durchgeführt, die einzelne Behandlungszellen simulieren. Mesokosmen können entweder im Innen- oder Außenbereich als Feldexperiment durchgeführt werden. Mesokosmen sind teilweise geschlossene Systeme, die eine größere ökologische Komplexität bieten als Experimente im Labormaßstab, aber dennoch eine ausreichende Kontrolle und Replikation bieten, um die Auswirkungen einzelner Designparameter auf die Entfernung von Schadstoffen zu bewerten. Studien auf der Mesokosmenskala sind notwendig, um Behandlungsmechanismen zu bestätigen und Komplikationen in kleinerem Maßstab aufzudecken, wo Designkorrekturen und -anpassungen vorgenommen werden können¹⁴. Dieses Protokoll beschreibt den Aufbau und den Betrieb eines CWTS mit horizontaler Oberflächenströmung auf der Mesokosmenskala in Innenräumen und bietet einen praktischen Rahmen für die Planung von CWTS-Studien, insbesondere für die Dämpfung von NAFCs in OSPW.

1. Aufbau des Mesokosmos

HINWEIS: In der Materialtabelle finden Sie eine umfassende Liste der Materialien, die für die Konstruktion des Mesokosmen erforderlich sind, und in Abbildung 1 finden Sie ein Schema der Konstruktion des Mesokosmen.

1. Entfernen Sie bei Bedarf die Oberseite des Polyethylentanks (129,5 cm x 30,0 cm).
2. Bereiten Sie Abflusslöcher vor; Bohren Sie zwei Löcher (Teile #1 und #2) auf die gleiche Seite des Polypropylentanks. Setzen Sie eine PVC-Schottverschraubung (Teil #3) mit den Außengewinden nach außen in beide Löcher ein. Versiegeln Sie die Außenkante der Schottverschraubung mit einem wasserfesten Dichtmittel.
   1. Bodenwasserablauföffnung (Teil #2): Positionieren Sie diese am Eckboden des Tanks und stellen Sie sicher, dass genügend Platz für die Schottbefestigung vorhanden ist.
   2. Abflussloch für Oberflächenwasser (Teil #1): Platzieren Sie es über der Höhe des Bodenniveaus, nahe der Mitte des Tanks.
3. Platzieren Sie eine Schlauchscheibe (Teil #4) mit einem Filtersieb (Teil #5) auf der Innenseite der Schottverschraubung und befestigen Sie diese mit Dichtmittel.
4. Richten Sie interne Entwässerungsleitungen ein:
   1. Für die Ablauföffnung des Oberflächenwassers (Teil #1) befestigen Sie zuerst den PVC-Außenadapter (Teil #10) an der Schottverschraubung (Teil #3) und dann den 90°-PVC-Winkel (Teil #11).
   2. Setzen Sie ein Stück PVC-Rohr (Teil #12) ein, das so geschnitten ist, dass es der Höhe des gewünschten Wasserstandes auf den 90°-Winkel passt.
5. Richten Sie externe Entwässerungsleitungen ein. Verwenden Sie in den folgenden Schritten Crimpringe, um PEX an den Armaturen zu befestigen.
   1. Wickeln Sie Teflonband um die Gewinde des 3/4-Zoll-PEX- x 3/4-Zoll-MPT-Messingadapters (Teil #6) und verbinden Sie ihn mit den Schottanschlüssen (Teil #3).
   2. Schneiden Sie zwei gleich lange 3/4-Zoll-PEX (Teil #7) ab und befestigen Sie es an MPT-Messingadaptern (Teil #6).
   3. Fügen Sie dem PEX-Rohr (Teil #7) einen Dehnungsbogen aus Kunststoff hinzu, der für das Abflussloch des Oberflächenwassers nach unten und für das Bodenabflussloch in die Mitte des Tanks zeigt.
   4. Für das Bodendrainageloch (Teil #2) schließen Sie ein PEX-Rohr an den Winkel an, gefolgt von einem Kugelhahn, einem weiteren PEX-Segment und einem Kunststoff-Expansions-T-Stück. Passen Sie die PEX-Längen an, um die Oberseite des Expansions-T-Stücks mit den Oberflächenwasserablaufleitungen auszurichten.
   5. Für das Abflussloch für das Oberflächenwasser verbinden Sie ein PEX-Rohr mit dem Kunststoff-Expansionsbogen und verbinden es mit dem Expansions-T-Stück.
   6. Sobald das System angeschlossen ist, fügen Sie ein weiteres Stück PEX (Teil #7) zum Kunststoff-Expansions-T-Stück hinzu, das mit einem nach unten gerichteten Kunststoff-Expansionsbogen endet.
   7. Bringen Sie ein weiteres Stück PEX (Teil #7) an der Unterseite des Kunststoff-Dehnungsbogens an, um sicherzustellen, dass das Wasser in den Vorratsbehälter abfließt.
6. Erhöhung der strukturellen Integrität des Mesokosmos:
   1. Baue einen Rahmen (Teil #13, 129,5 cm Länge x 37,0 cm Breite) aus 2 x 4 Zoll großen Holzstücken.
   2. Befestigen Sie den Rahmen mit Holzschrauben.
   3. Platzieren Sie den Rahmen auf dem Mesokosmos und stellen Sie sicher, dass er nicht auf den Armaturen sitzt.
   4. Wickeln Sie die Außenseite des Mesokosmos in Aluminiumfolie ein, um das Eindringen von Licht von den Seiten des Mesokosmos in den Boden zu reduzieren.

2. Einrichtung und Wartung des Mesokosmen

1. Züchten Sie Pflanzen für das Experiment aus Samen:
   1. Stratifizieren Sie die Samen nach Bedarf.
   2. Geben Sie die Samen in Standard-Styroblock-Behälter, die Torf als Pfropfen enthalten.
   3. Sobald die Sämlinge gekeimt sind, düngen Sie die Sämlinge 3x pro Woche mit wasserlöslicher Pflanzennahrung (24-8-16).
   4. Lass die Sämlinge mindestens 3-5 Monate wachsen, um sicherzustellen, dass sie eine optimale Größe für das Ansprechen auf die Behandlung erreichen.
      HINWEIS: Die genaue Dauer hängt von der Größe und Art der Art ab. Dieser Schritt kann entfallen, wenn Setzlinge gekauft und nicht angebaut werden.
2. Platzieren Sie die Mesokosmen im Gewächshaus:
   1. (Fakultativ) Verstärken Sie die Gewächshaustische mit Sperrholz, um das Gewicht der Mesokosmen zu tragen.
   2. Verteilen Sie die Mesokosmen gleichmäßig über die Gewächshaus-Erkertische, um eine zufällige Platzierung der Behandlungen zu gewährleisten und Schwankungen der Umweltbedingungen zu minimieren (Abbildung 2).
   3. Positionieren Sie die Rohrleitungen so, dass sie an der Tischkante hängen, um eine ordnungsgemäße Entleerung in den Vorratsbehälter zu gewährleisten (Abbildung 2).
3. Richten Sie den Vorratsbehälter ein:
   1. Stellen Sie die nach oben offene 57-Liter-Industrietrommel aus Kunststoff unter die Abflussleitung.
   2. Installieren Sie eine Tauchumwälzpumpe zwischen der Mitte und dem Boden des Tanks, um ein kontinuierliches Mischen im Tank zu ermöglichen. Befestigen Sie das Netzkabel an der Außenseite des Tanks.
4. Fügen Sie das Substrat hinzu und sättigen Sie es:
   1. Verteilen Sie das Substrat gleichmäßig im Mesokosmen und drücken Sie das Substrat mit mäßigem Druck auf die gewünschte Höhe ab.
      HINWEIS: Die Höhe des Substrats hängt von den Forschungszielen und der Pflanzenart ab.
   2. Sättigen Sie das Substrat vollständig mit Umkehrosmosewasser (RO), messen Sie die Menge des zugesetzten Wassers; Dies entspricht dem Volumen des Porenwassers im Untergrund.
      HINWEIS: Das Porenwasser ist die Wassermenge, die hinzugefügt wird, wenn das Substrat gesättigt ist, was beobachtet werden kann, wenn der Wasserstand mit der Oberseite des Substrats übereinstimmt. Dieser Vorgang kann bis zu einem Tag dauern. Das Porenwasservolumen ist wichtig, um die genaue Wassermenge im System zu bestimmen und die Durchflussmenge zu berechnen.
5. Bestimmen Sie die Durchflussmenge:
   1. Wählen Sie eine Verweildauer basierend auf früheren Studien und Studienzielen.
   2. Berechnen Sie das gesamte Wasservolumen im Mesokosmos.
      
   3. Berechnen Sie die Durchflussmenge.
      
6. Installieren Sie die Pumpen:
   1. Positionieren Sie eine Pumpe zwischen zwei benachbarten Mesokosmen.
      HINWEIS: Bei Bedarf kann eine Pumpe auch für einen Mesokosmen verwendet werden.
   2. Verbinden Sie alle Pumpen über ein USB-Stecker-Kabel miteinander und verbinden Sie die letzte Pumpe mit der Steuerung.
   3. Tauchen Sie den Schlauch in den Behälter ein und sichern oder beschweren Sie ihn, damit er an Ort und Stelle bleibt.
   4. Befestigen Sie den Schlauch mit dem Auslassventil an der hinteren oberen Ecke des Mesokosmos, um sicherzustellen, dass er über der Wasserlinie bleibt.
   5. Wickeln Sie den Schlauch in Alufolie ein, um Algenwachstum zu verhindern.
   6. Richten Sie die Pumpen, die Leistungsleiste und den Regler gemäß den Anweisungen des Herstellers ein und kalibrieren^{Sie sie 15}.
   7. Stellen Sie die Pumpen auf die berechnete Fördermenge ein.
7. Pflanzen und akklimatisieren Sie die Pflanzenarten:
   1. Passe die Temperatur und die LED-Anbaulampen auf ein optimales Niveau für das Pflanzenwachstum an, während du die Pflanzenarten auf den Mesokosmen konditionierst.
   2. Pflanzen Sie 6-12 einzelne Pflanzenarten gleichmäßig, um eine gleichmäßige Biomasse pro Flächeneinheit im Mesokosmos zu gewährleisten.
      HINWEIS: Die Anzahl der Individuen kann sich je nach Forschungsziel und Physiologie der Art ändern (z. B. wenn Typha latifolia wurzelgebunden wird, kann sich die Anzahl der Individuen verringern).
   3. Erhöhen Sie allmählich den RO-Wasserstand, halten Sie einen Wasserstand für 1-2 Tage und ersetzen Sie das PVC-Rohr (Schritt 1.4.2) nach Bedarf, um es an den Wasserstand anzupassen.
   4. Schalten Sie die Pumpen mit der gewünschten Durchflussmenge ein.
   5. Sobald der gewünschte Wasserstand erreicht ist, passen Sie das Gewächshauslicht und die Temperatur an die Versuchseinstellungen an und lassen Sie die Pflanzen ~35 Tage lang akklimatisieren.
8. Entleeren und spülen Sie das System:
   1. Entfernen Sie das PVC-Standrohr und öffnen Sie den Kugelhahn, um das System vollständig zu entleeren. Dies kann bis zu 2 Tage dauern.
   2. Spülen Sie das System mit OSPW und lassen Sie es vollständig ablaufen, wobei Sie darauf achten, dass das PVC-Rohr abgeschaltet bleibt und der Kugelhahn geöffnet ist. Stellen Sie sicher, dass das OSPW, das während des Spülens verwendet wurde, während des Experiments nicht verwendet wird.
   3. Schließen Sie nach dem Spülen den Kugelhahn und fügen Sie das PVC-Rohr hinzu, um es dem gewünschten Wasserstand anzupassen.
9. OSPW hinzufügen:
   1. Gießen Sie das OSPW vorsichtig in jeden Mesokosmos, um das Substrat oder die Pflanzen nicht zu stören, und füllen Sie es, bis der gewünschte Wasserstand erreicht ist.
   2. Wenn Sie mehrere Chargen Wasser verwenden, stellen Sie sicher, dass die chemischen Eigenschaften konsistent sind, oder verteilen Sie sie gleichmäßig auf alle Mesokosmen.
   3. Füllen Sie den Vorratsbehälter mit OSPW, wobei Sie ca. 5 cm Platz von oben lassen.
10. Verdunstung steuern:
    1. Füllen Sie den Vorratsbehälter bei Bedarf mit RO-Wasser auf und halten Sie den Wasserstand ca. 5 cm unter der Oberseite.

3. Probenahme

1. Maße der Pflanzenarten:
   1. Messen Sie in jedem Retentionszeitzyklus die Pflanzengesundheit und das Pflanzenwachstum¹⁶. Zu den Kennzahlen zur Pflanzengesundheit gehören sichtbare Anzeichen von Stress wie Chlorose und Insektenschäden, während zu den Kennzahlen des Pflanzenwachstums Sterblichkeit, Höhe und prozentuale Bedeckung gehören.
   2. Am Ende des Versuchs werden auf Wunsch Proben für die oberirdische Biomasse der Pflanzen und die Chemie des Pflanzengewebes entnommen.
      HINWEIS: Die Überwachungsintervalle und Messungen werden für die Untersuchung der Auswirkungen von NAFC auf die Pflanzengesundheit empfohlen und können je nach Versuchszielen unterschiedlich sein.
2. Maße des Untergrunds:
   1. Basischarakterisierung: Bevor Substrate zu jedem Mesokosmen hinzugefügt werden, messen Sie eine Reihe von Parametern (z. B. pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit (EC), Oxidations-Reduktionspotenzial (ORP), wichtige Anionen/Kationen, Nährstoffe, NAFCs und alle anderen relevanten Verunreinigungen).
   2. Während des ersten Retentionszyklus werden Substratproben aus jedem Mesokosmen entnommen, um eine Grundlage für die allgemeine Chemie zu erhalten. Sammeln Sie Substratproben von zufälligen Orten in jedem Mesokosmos.
   3. Messen Sie bei jedem Retentionszeitzyklus das Redoxpotenzial des Substrats mit einer geeigneten Redox-Sonde.
   4. Am Ende des Experiments werden Substratproben aus jedem Mesokosmen entnommen und die gleichen Parameter wie bei der Basischarakterisierung gemessen (z. B. pH, EC, ORP, die wichtigsten Anionen/Kationen, Nährstoffe, NAFCs und alle anderen relevanten Kontaminanten).
3. Wassermessungen:
   1. Basischarakterisierung: Bevor der OSPW zu jedem Mesokosmen hinzugefügt wird, messen Sie eine Reihe von Parametern (z. B. pH, EC, ORP, wichtige Anionen/Kationen, Nährstoffe, NAFCs und alle anderen relevanten Kontaminanten).
   2. Nachdem das Experiment begonnen hat, entnehmen Sie nach einigen Tagen (Ende des Retentionszyklus 1) erste OSPW-Proben aus jedem Mesokosmos, damit sich das Sediment im OSPW absetzen und das OSPW den Porenwasserraum füllen kann. Entnehmen Sie die OSPW-Proben von der Vorderseite jedes Mesokosmos.
   3. Messen Sie bei jedem Retentionszeitzyklus gelösten Sauerstoff (DO), Redox, pH, EC und Temperatur mit dem referenzierten Gerät.
   4. Entnehmen Sie am Ende des Experiments endgültige Wasserproben, um die allgemeine Chemie zu messen und eine Reihe von Parametern zu messen (z. B. DO, pH, EC, ORP, wichtige Anionen/Kationen, Nährstoffe, NAFCs und alle anderen relevanten Verunreinigungen).

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Mesokosmen-Designs und des Versuchsaufbaus. (A) Schematische Darstellung des Mesokosmenaufbaus und der benötigten Komponenten. (B) Beispiel für einen Versuchsaufbau, einschließlich der Zugabe von Substrat und Pflanze sowie der Platzierung des Reservoirs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Beispiel für ein Layout des Mesokosmos und des Reservoirs. (A) Anordnung der Mesokosmen und Reservoirs im Gewächshaus ohne Aluminiumfolie. (B) Layout zeigt Mesokosmen und Reservoirtanks mit Aluminiumfolie, die um die Mesokosmen gewickelt ist, um das Eindringen von Licht zu begrenzen, mit einer Pumpe pro zwei Mesokosmen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der Erfolg dieses Mesokosmen-Programms für Pflanzenkläranlagen zeigt sich in dem robusten Wachstum und der Entwicklung von Pflanzenarten, der kontinuierlichen Überwachung von Umweltparametern und der effizienten Entfernung von Schadstoffen im Laufe der Zeit. Die von Trepanier et ^al.17 gesammelten Daten veranschaulichen die Wirksamkeit der Methode und die erwarteten Ergebnisse. Die Studie untersuchte die Fähigkeit von Carex aquatilis, einer Wassersegge, die häufig in borealen Feuchtgebieten vorkommt, NAFCs in OSPW zu reduzieren. Sie verglich die Leistung von Mesokosmen mit C. aquatilis mit denen ohne Pflanzen, wobei entweder OSPW oder im Labor hergestelltes Prozesswasser verwendet wurde. Die Mesokosmen wurden mit einem Substrat von 10 cm groben Sandrückständen (CST) erstellt, die mit 10 cm Torfmineralmischung (PMM) und 25 cm OSPW überlagert wurden. Vor dem Experiment wurden die Pflanzen 3 Monate lang auf eine durchschnittliche Höhe von 83 cm gezüchtet und dann in das System umgepflanzt. Um die Pflanzen an den Mesokosmos zu gewöhnen, wurde Umkehrosmosewasser hinzugefügt (Abbildung 3), und die Systeme wurden 32 Tage lang bei 20 ^°C gehalten.

Abbildung 3: Pflanzarten und RO-Wasserzugabe. (A) Zugabe des manipulierten Substrats und eines Beispiels für Pflanzarten in das Substrat. (B) Gleichmäßige Verteilung der Pflanzenarten im Mesokosmos. (C) Zugabe von RO-Wasser zu den Mesokosmen für die Akklimatisierungsphase der Pflanze. Abkürzung: RO = Umkehrosmose. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die Pflanzen zeigten während des gesamten Experiments ein robustes Wachstum, mit bemerkenswerten Zuwächsen in Höhe und Bedeckung (Abbildung 4). Abbildung 5 veranschaulicht das stetige Wachstum von C. aquatilis, das am Tag 40 eine Höhe von etwa 150 cm erreichte, bevor es ein Plateau erreichte. Dies lag innerhalb des erwarteten Wachstumsbereichs von 20-155 cm für C. aquatilis. Die Überlebensrate der Pflanzen war mit 98 % hoch, wobei am Ende des Experiments 99 % lebendes Pflanzengewebe vorhanden waren. Die meisten Pflanzen zeigten jedoch Anzeichen von Chlorose, Nekrose und/oder Fleckenbildung und in einigen Fällen deformierte und zerknitterte Blätter¹⁷. Die routinemäßige Überwachung der Pflanzengesundheit ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Probleme wie Schädlingsbefall zu identifizieren.

Abbildung 4: Fotos des Pflanzenwachstums zu Beginn und am Ende des Versuchs. Ein Beispielfoto des Wachstums und der Gesundheit von Carex aquatilis von Tag 0 bis Tag 78. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Pflanzenhöhe im Zeitverlauf im Mesokosmos, der Carex aquatilis enthält. Mittlere Pflanzenhöhe für Carex aquatilis in Mesokosmen (n = 48). Tag 0 ist der Tag, an dem OSPW zum System hinzugefügt wurde. Die Akklimatisierungsphase der Pflanzen bezieht sich auf den Zeitraum, in dem Mesokosmen vor der OSPW-Zugabe RO-Wasser enthielten. Fehlerbalken geben eine Standardabweichung des Mittelwerts an. Diese Abbildung wurde von Trepanier et ^al.17 übernommen. Abkürzungen: RO = Umkehrosmose; OSPW = Ölsande sind prozessbeeinflusstes Wasser. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Wichtige Umgebungsparameter, wie z. B. Wasser-DO und Substratredox, wurden routinemäßig überwacht, um eine optimale Systemleistung zu gewährleisten, da die Aufrechterhaltung eines angemessenen Sauerstoffgehalts für die Pflanzengesundheit und eine effektive Schadstoffentfernung in CWTS von entscheidender Bedeutung ist. Die Redoxwerte des Substrats schwankten während des Experiments, wobei unbepflanzte Mesokosmen unter oxidierenden Bedingungen zwischen 50 mV und 100 mV verblieben, während Mesokosmen, die C. aquatilis enthielten, gelegentlich nahe 0 mV lagen. Der OSPW behielt während des gesamten Experiments DO-Werte > 5 ppm bei, und in Mesokosmen ohne Pflanzen war der DO insgesamt höher, insbesondere am Ende des Experiments (Abbildung 6). Ein DO von 8 ppm wird oft als ideal für das Pflanzenwachstum angesehen; Ein DO-Wert über 5 ppm ist jedoch akzeptabel. Die routinemäßige Überwachung ermöglicht die Identifizierung gelegentlicher Rückgänge des DO, was zu Systemüberprüfungen führen kann, z. B. zur Überprüfung der Pumpenfunktionalität, um einen konsistenten Betrieb zu gewährleisten.

Abbildung 6: Messungen von gelöstem Sauerstoff und Bodenredoxen in den Mesokosmen. (A) Gelöster Sauerstoff in OSPW und (B) Bodenredoxpotenzial für Mesokosmen mit Carex aquatilis und unbepflanzte Behandlungen mit nur OSPW. Die Datenpunkte stellen Durchschnittswerte aus vier replizierten Mesokosmen (n = 4) dar, wobei Fehlerbalken einen Standardfehler des Mittelwerts anzeigen. Abkürzung: OSPW = Ölsande prozessbeeinflusstes Wasser. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Das primäre Ziel der Studie war es, das Potenzial für eine NAFC-Abschwächung durch OSPW mit Hilfe eines Mesokosmen-CWTS zu bewerten. Abbildung 7 zeigt einen allmählichen Rückgang der NAFC-Konzentrationen während des gesamten Experiments, was die Wirksamkeit des Systems demonstriert. Das Vorhandensein von C. aquatilis verbesserte die NAFC-Entfernung und erreichte eine 76%ige Reduktion der NAFCs über 82 Tage (72,1 mg/l initial auf 17,1 mg/l final), verglichen mit 8,5% bei der nicht bepflanzten Kontrollbehandlung über 82 Tage (64,5 mg/l initial bis 59,0 mg/l final)¹⁷. Die erfolgreiche Reduzierung der Konzentration von NAFCs, zusammen mit einem gesunden Pflanzenwachstum und günstigen Umweltbedingungen, bestätigen, dass der Mesokosmen-Aufbau effektiv funktioniert. Diese Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Systems, Pflanzenkläranlagen zu simulieren, und liefern wertvolle Einblicke in die Rolle von CWTS bei der Reduzierung der Toxizität von OSPW.

Abbildung 7: NAFC-Konzentration im Zeitverlauf in den Mesokosmen. Konzentration von Naphthensäurefraktionsverbindungen in Mesokosmen mit Carex aquatilis und nicht bepflanzten Behandlungen nur mit OSPW. Die Datenpunkte stellen Durchschnittswerte aus vier replizierten Mesokosmen (n = 4) dar, wobei Fehlerbalken einen Standardfehler des Mittelwerts anzeigen. Unterschiedliche Buchstaben zwischen den Mittelwerten weisen auf einen signifikanten Unterschied hin (P < 0,05). Diese Abbildung wurde von Trepanier et ^al.17 übernommen. Abkürzungen: OSPW = Ölsande prozessbeeinflusstes Wasser; NAFC = Verbindungen der Naphthensäurefraktion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

CWTS wurden als passive und kostengünstige Behandlung für viele Abwässer eingesetzt¹³; Sie sind jedoch eine relativ neue Methode zur Behandlung von OSPW bei NAFC-Dämpfung 7,8,9,10,11,12,17,18. Mit den in dieser Arbeit beschriebenen Methoden kann die Wirksamkeit von CWTS durch die Bewertung verschiedener Designparameter gesteigert werden.

Die Mesokosmen werden wie in Abbildung 1 gezeigt zusammengebaut, um sicherzustellen, dass die richtigen Entwässerungsleitungen installiert sind. Um mögliche Durchflussprobleme oder ungleichmäßige Verweilzeiten zu vermeiden, die durch Verstopfung des Substrats an den Auslässen verursacht werden, wird ein Schlauchwascher mit einem Filtersieb auf den unteren Abflussstopfen aufgesetzt und die obere Abflussöffnung über dem Substratniveau positioniert. Kommt es trotz dieser Maßnahmen zu Verstopfungen, kann eine Entwässerungsschnecke oder Luftdruck verwendet werden, um die Verstopfungen zu beseitigen.

Die Mesokosmen stehen auf Gewächshaustischen, die mit Sperrholz verstärkt sind, mit Reservoireimern, die an den Enden der Tische für die Wasserzirkulation positioniert sind. Das Wasser zirkuliert durch das System durch die Schwerkraft, tritt am Einlassschlauch ein und tritt am Ende des Oberflächenentwässerungslochs aus, bevor es wieder in das Reservoir zurückkehrt. Die Verweilzeit (Tage) wurde auf der Grundlage früherer Studien zu Pflanzenkläranlagen⁷ gewählt. Tauchpumpen werden eingesetzt, um eine kontinuierliche Durchmischung des Behälters zu gewährleisten. Dosierpumpen werden eingesetzt, um die Wasserbewegung zwischen Mesokosmen und Reservoir zu erleichtern. Es ist möglich, eine Dosierpumpe an zwei Mesokosmen anzuschließen. Die Pumpen sollten auf der Grundlage experimenteller Ziele eingestellt werden, um die gewünschte Durchflussrate und Verweilzeit zu erreichen.

Nach dem Aufbau des Mesokosmen wird das Substrat gleichmäßig in die Mesokosmen gepackt, die Pflanzen werden umgepflanzt und Umkehrosmosewasser wird hinzugefügt. RO-Wasser wird zunächst während einer Eingewöhnungsphase der Pflanzen verwendet, um ein gut funktionierendes System mit gesunden Pflanzen zu gewährleisten, bevor das Experiment gestartet wird. Nach der Akklimatisierungsphase werden die Mesokosmen entleert, 24 Stunden lang mit 100 % OSPW gespült, um den Austausch des Porenwassers zu gewährleisten, und dann vor Beginn des Experiments wieder mit OSPW aufgefüllt.

Zu den wichtigsten Messungen, die durchgeführt werden sollten, gehören die Pflanzengesundheit und das Pflanzenwachstum, die chemischen Parameter des Substrats und des Wassers sowie die Konzentrationen der Zielverunreinigung. Routinemäßige Messungen der Wasser- und Substratparameter werden einmal pro Zyklus durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Mesokosmen wie erwartet funktioniert. Es wird empfohlen, Parameter der Wasserqualität, einschließlich DO, Redox, pH und Leitfähigkeit, einmal pro Zyklus mit einem YSI Professional Plus Multiparameter-Gerät zu messen. Die ORP des Bodens und der Sauerstoffgehalt des Wassers sind wichtige Parameter, die überwacht werden müssen, um sicherzustellen, dass die Mesokosmen aerobe Bedingungen aufrechterhalten.

Die beschriebene Methode ist sehr anpassungsfähig und kann je nach Behandlungsziel verändert werden. Zu den wichtigsten Behandlungsmodifikationen gehören unter anderem Pflanzenarten, die Verwendung mehrerer Pflanzenarten, die Verweilzeit, die Umweltbedingungen, die Substratzusammensetzung und -tiefe sowie die Zugabe von Düngemitteln. Die Pflanzenarten sollten auf der Grundlage von Merkmalen ausgewählt werden, die das Überleben der Pflanze und die Wirksamkeit der Phytosanierung verbessern. Die Wahl einheimischer Feuchtgebietspflanzenarten, die an das lokale Klima angepasst sind, verbessert die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Wachstums und Überlebens 11,13,14. Zu den Pflanzenarten, die sich gut für den Einsatz in CWTS eignen, gehören solche, die tiefe und breite Wurzeln entwickeln, starke Rhizome, schnelles Wachstum, ausreichenden Sauerstofftransport und Mechanismen aufweisen, um Salzgehaltseffekten entgegenzuwirken 17,19,20. Es wird oft empfohlen, Pflanzmischungen von Pflanzenarten zu vermeiden, da eine erhöhte Pflanzenvielfalt zu einer verminderten Sicherheit in Bezug auf die Wirksamkeit des CWTS führen kann. Insbesondere wenn eine Pflanze dominant wird, ist es schwierig zu modellieren, wie sich das CWTS verhalten^{wird 14}. Die ausgewählten Pflanzenarten wirken sich auch auf die Evapotranspiration aus, was einen Konzentrationseffekt von Salz und anderen Schadstoffen haben könnte.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Evapotranspiration im System berücksichtigt wird. Sicherstellung, dass der OSPW-Pegel mit RO-Wasser aufrechterhalten wird. Die Verwendung von kommunalem oder nicht-RO-Wasser kann zu einem Anstieg anderer Bestandteile (z. B. Chlorid, Kalzium, Fluorid) führen, was sich auf die Ergebnisse der Mesokosmen-Studie auswirken kann. Eine Änderung der Retentionszeit kann bei der Belüftung hilfreich sein und sicherstellen, dass die verschiedenen Komponenten und Ebenen innerhalb des Mesokosmos nicht anaerob werden, was zu Auswirkungen auf die mikrobiellen Gemeinschaften und die Pflanzengesundheit führen könnte.

Gepulste oder intermittierende Zuflüsse können verwendet werden, um die natürliche Dynamik von Feuchtgebieten (d. h. Sturmereignisse und saisonalen Abfluss) zu simulieren. Die Sicherstellung, dass die Umgebungsvariablen (Temperatur, Lichtverhältnisse und saisonale Schwankungen) denen im Untersuchungsgebiet ähnlich sind, ist wichtig für die Extrapolation der Arbeit auf ein groß angelegtes CWTS, da dies die Anzahl neuer Variablen reduziert, die sich auf das System auswirken, und die Analyse, wie sich diese Variablen auf die Wirksamkeit des CWTS bei der Abschwächung von NAFCs auswirken. Die Auswahl von Substraten für die Mesokosmen, die in einem größeren CWTS verwendet werden können, wird dazu beitragen, das zukünftige Design zu beeinflussen und die Wirksamkeit des Aufbereitungssystems zu erhöhen. Im Ölsandbergbau sind grobe Sandrückstände und Torf-Mineral-Gemische Substrate und wurden zuvor in Mesokosmenstudien getestet, um das optimale Substrat zur Verbesserung der Pflanzengesundheit, zur Erhöhung der nützlichen mikrobiellen Gemeinschaften und zur Abschwächung von NAFCs zu bestimmen¹⁷.

Die Haupteinschränkung dieser Methode ist die begrenzte Größe und Tiefe des Mesokosmos, die das Wurzelwachstum beeinträchtigen und dazu führen kann, dass die Pflanzen wurzelgebunden werden. Diese Einschränkungen können überwunden werden, indem die Dauer des Versuchs und/oder die Anzahl der verwendeten Einzelpflanzen reduziert wird. Wenn mehrere Spezies im selben Mesokosmos verwendet werden, könnte es zu synergistischen oder additiven Effekten durch Konkurrenz kommen. Letztendlich kann die Größe und Tiefe des Mesokosmos zu einer kürzeren Dauer des Experiments führen, wodurch die Menge der gesammelten Daten begrenzt wird. Längerfristige Experimente können Prozesse wie den Nährstoffkreislauf untersuchen, der auftritt, wenn dem System durch die Anhäufung und langsame Zersetzung von Pflanzenresten und Wurzelexsudaten organisches Material zugeführt wird. Dies kann sich auf die mikrobiellen Gemeinschaften und die Geschwindigkeit der Abschwächung von Schadstoffen auswirken. Darüber hinaus bietet der relativ kurze experimentelle Zeitrahmen dieses Mesokosmen-Designs eine schnelle Rückkopplung, die zur Verbesserung zukünftiger Experimente genutzt werden kann. Nährstoffe können dem Mesokosmensystem zugeführt werden; Die Art und Menge des zugesetzten Düngers erfordert jedoch eine umfangreiche Überwachung, um Algenblüten zu verhindern.

Die Bedingungen im Gewächshaus sind so eingestellt, dass eine optimale Anbauumgebung geschaffen wird. Die Temperaturbereiche sind so eingestellt, dass sie die saisonalen Temperaturen der Region angemessen widerspiegeln, wobei allmähliche Änderungen vorgenommen werden, um natürliche Tagesschwankungen zu simulieren. Die Luftfeuchtigkeit wird ebenfalls so gesteuert, dass sie innerhalb eines für das regionale Klima repräsentativen Bereichs schwankt. Darüber hinaus ist das Gewächshaus für 25.000 Lux ausgelegt, was etwa 200 W/m² Umgebungstageslicht während der vorgesehenen Tageslichtstunden entspricht. Um eine gleichbleibende Lichtintensität zu gewährleisten, werden LED-Leuchten immer dann aktiviert, wenn die natürliche Lichtstärke unter diesen Schwellenwert fällt. Die Nutzung eines Gewächshauses hat auch ihre Grenzen. Gewächshäuser bieten zwar eine kontrollierte Umgebung, können aber auch einzigartige Herausforderungen mit sich bringen, wie z. B. Schädlingsbefall, Treibhauseffekte und die Schaffung unnatürlicher Umgebungen. Schädlingsbefall tritt besonders häufig in Gewächshäusern auf und kann sich auf die Gesundheit und das Wachstum der Pflanzen auswirken. Um den Einsatz von Insektiziden zu reduzieren, sind natürliche Feinde oder die physische Schädlingsbekämpfung gute Alternativen. Trotz dieser Herausforderungen bleibt ein Gewächshaus die optimale Umgebung für die Durchführung einer Pilotstudie, da es eine präzise Kontrolle und Untersuchung einzelner Parameter ermöglicht¹⁴.

Diese Methode stellt einen von vielen Ansätzen dar, um Mesokosmen-Experimente zu entwerfen. CWTS-Experimente im Pilotmaßstab können entweder im Freien^10,21 oder in Innenräumen ^4,17 durchgeführt werden. Mesokosmen im Freien werden von multivariaten Umweltfaktoren beeinflusst, die auf komplexe und unvorhersehbare Weise interagieren können. Diese Wechselwirkungen machen es schwierig, einzelne Variablen zu modellieren oder die spezifischen Mechanismen aufzuklären, die die beobachteten Ergebnisse beeinflussen. Infolgedessen wird es schwierig zu bestimmen, welche Faktoren zur CWTS-Leistung beitragen, und Möglichkeiten zur Verbesserung des Systemdesigns zu identifizieren. sie replizieren jedoch die CWTS-Bedingungen im Originalmaßstab^{genauer 14}. Im Gegensatz dazu bieten Mesokosmen in Innenräumen eine kontrolliertere Umgebung, die die Auswirkungen der Natur und anderer äußerer Einflüsse minimiert und das Verständnis von Prozessen und die Identifizierung von Designparametern erleichtert, die die Leistung verbessern können.

CWTS-Konstruktionen weisen typischerweise entweder eine horizontale Oberflächenströmung 4,10,17,18 oder eine vertikale Untergrundströmung¹⁸ auf. Die hier beschriebene Methode stellt ein horizontales Oberflächenströmungs-Mesokosmen-Design dar. Während vertikale Strömungssysteme auf die Schwerkraft angewiesen sind, um die vertikale Wasserbewegung zu erleichtern, eine bessere Sauerstoffversorgung zu bieten und weniger Platz zu benötigen, sorgen horizontale Strömungssysteme für stabilere Bedingungen¹⁰ und erhöhen das Phytosanierungspotenzial²². Mesokosmen bieten erhebliche Vorteile für die Entwicklung von CWTS, indem sie integrale Komponenten testen und die Effizienz für zukünftige großtechnische Anwendungen verbessern, die Reproduzierbarkeit und Kontrolle der Umgebung ermöglichen und die Isolierung und Messung einzelner experimenteller Parameter ermöglichen, während gleichzeitig biotische Veränderungen und chemische Dissipationswege verfolgt werden.

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.

Die Finanzierung dieser Forschung wurde durch das Genome Canada Large Scale Applied Research Project (LSARP, Grant #18207) und das Förderprogramm Cumulative Effects des Canadian Forest Service bereitgestellt. Wir danken Imperial Oil Ltd. für die Bereitstellung der Materialien, die für diese Forschung verwendet wurden. Wir möchten uns auch bei allen bedanken, die an den Experimenten mitgewirkt haben: 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 und Christine Martineau. Wir danken auch Douglas Muench für das experimentelle und mesokosme Design. Wir möchten uns auch bei den Mitarbeitern des Northern Forestry Centre und den Sommerstudenten bedanken, die während der gesamten Experimente geholfen haben. Wir möchten anerkennen, dass unsere Forschungen auf dem Gebiet des Vertrags 6 durchgeführt wurden und die Materialquellen für diese Experimente auf dem Gebiet des Vertrags 8 gesammelt wurden. Wir würdigen und ehren die First Nations, Métis und Inuit, die auf diesem Land lebten, sich versammelten und reisten.