Atık su arıtımı için mezokozm ölçekli inşa edilmiş sulak alan tasarımı

İnşa edilmiş sulak alan arıtma sistemleri, atık suları arıtmak için onlarca yıldır kullanılmaktadır, ancak petrol kumları prosesinden etkilenen suları arıtmak için uygulamaları nispeten yenidir. Bu potansiyeli keşfetmek için, bir yüzey akışı mezokozm tasarımı ve deneysel yöntemler ana hatlarıyla belirtilmiştir. Bu yaklaşım, temel tasarım parametreleri hakkındaki anlayışımızı geliştirmeyi ve tedavi etkinliğini artırmayı amaçlamaktadır.

Kanada, Alberta'da yüzey madenciliği yoluyla bitüm ekstraksiyonunun bir yan ürünü olan petrollü kumlar prosesten etkilenen su (OSPW), naftenik asit fraksiyon bileşikleri (NAFC'ler) dahil olmak üzere çeşitli endişe verici bileşenler içerir. Bu organik bileşikler, toksisiteleri ve çevrede kalıcılıkları nedeniyle özellikle endişe vericidir. İnşa edilmiş sulak alan arıtma sistemleri (CWTS), atık sudaki kirleticileri azaltmak için bitkileri ve bunlarla ilişkili mikropları kullanır. Alan ölçeğinde CWTS, özellikle NAFC'leri parçalamak için OSPW için potansiyel büyük ölçekli bir tedavi seçeneği olarak sunulmuştur. OSPW'de NAFC'lerin büyük ölçekli tedavisi için CWTS kullanımını optimize etmek için, çeşitli tasarım parametreleri hakkındaki anlayışımızı derinleştirmek ve etkinliği artırmanın yollarını keşfetmek esastır.

Mezokozm ölçekli deneyler, karmaşık saha denemeleri ile kontrollü laboratuvar ortamları arasındaki boşluğu dolduran değerli bir aracı görevi görür. Mezokozmlar, tasarımlarına ekolojik karmaşıklıkları dahil ederken substrat, bitki türleri, sıcaklık ve alıkonma süresi gibi çeşitli parametrelerin etkilerini incelemek için kontrollü, tekrarlanabilir bir ortam sağlar. Yayınlanmış ve önceki çalışmalar, bu yöntemin OSPW'deki NAFC'leri zayıflatmak için CWTS'nin etkinliği üzerindeki farklı parametrelerin etkilerini değerlendirmede başarılı olduğunu göstermiştir. Bu protokol, OSPW'de NAFC'lerin işlenmesi için deneysel yaklaşımla birlikte bir yüzey akışlı sulak alan mezokozmunun tasarımını ve kurulumunu ana hatlarıyla belirtir. Bu yöntem, farklı coğrafi konumlardaki diğer atık suları arıtmak için uyarlanabilir.

Kanada'nın kuzeyindeki Alberta'daki petrol kumları bölgesi, günde 3 milyon varilden fazla ham petrol üreten, dünyanın en büyük üçüncü petrol rezervini içeriyor¹. Bununla birlikte, yüzey madenciliğinden bitüm ekstraksiyonu, yan ürünler olarak önemli miktarda atık ve petrol kumu prosesinden etkilenen su (OSPW) üretir. Alberta'nın sıfır deşarj politikası nedeniyle, bu yan ürünler mayınlı petrol kumları bölgesindeki atık havuzlarında depolanmaktadır. 2023 yılı itibariyle, tahmini 391,1^Mm3 OSPW, atık havuzlarında serbest su olarak bulunmaktadır ve atık yerleşimi² sırasında salınmaya devam edecek gözenek suyunu içermemektedir. OSPW% <5 katı içerir ve yüksek seviyelerde tuzlar, eser metaller ve organik kirleticiler³ ile karakterize edilir.

OSPW'de naftenik asit fraksiyon bileşikleri (NAFC'ler), polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH'lar), BTEX (benzen, toluen, etilbenzen ve ksilenler), fenoller ve ağır metaller ^3,4 dahil olmak üzere birkaç ana kirletici sınıfı mevcuttur. NAFC'ler, ekstraksiyon işlemi sırasında çözündürülen ve konsantre edilen ve sürekli olarak OSPW akut toksisitesinin^birincil kaynağı olarak tanımlanan bitümdeki organik bileşiklerdir ^5,6. OSPW, karışımın hacmi, karmaşıklığı ve toksisitesi nedeniyle çeşitli çevresel ve ekonomik zorluklar ortaya çıkarmaktadır. OSPW için uygun maliyetli, pasif ve ölçeklenebilir arıtma teknolojileri geliştirmek, kimyasal oksidasyon ve filtrasyon gibi geleneksel yöntemlerin büyük ölçekli uygulamalar için fizibiliteleri sınırlı kaldığından kritik öneme sahiptir. İnşa edilmiş sulak alan arıtma sistemleri (CWTS), atık sudaki kirleticileri azaltmak için bitkilerin ve bunlarla ilişkili mikropların kullanımına dayanan düşük enerjili, uygun maliyetli ve sürdürülebilir su arıtma sistemleridir; OSPW 7,8,9,10,11,12'yi tedavi etmek için umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır.

CWTS, doğal sulak alanların filtreleme işlevlerini çoğaltmak için tasarlanmış tasarlanmış sulak alanlardır. Başlangıçta yağmur suyunu ve belediye atık sularını arıtmak için tasarlanan CWTS, artık tarımsal atıklar, asit maden drenajı, endüstriyel atık su ve diğer iyileştirme çabaları dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır¹³. Bu sistemlerin üç temel bileşeni vardır: substrat, su ve bitki örtüsü. CWTS, su hareketi yatay veya dikey olarak akacak şekilde yapılandırılmış yüzey akışı veya yüzey altı akış sistemleri olarak tasarlanabilir^13,14. Hidrofitik sulak alan bitkileri, sürekli doymuş toprak koşullarına adaptasyonları nedeniyle CWTS'de yaygın olarak kullanılmaktadır. Genel olarak, CWTS yaygın olarak Typha sp. (kedi kuyrukları), Juncus sp. (acele) ve Carex sp. (sazlar).

CWTS, su arıtımı için çeşitli mekanizmalar kullanır. Askıda katı maddeler, kirleticileri adsorbe edebilir ve çökelerek bitki büyümesini destekleyen bir tortu yatağı oluşturabilir. Ek olarak, bitkiler çözünmüş kirleticileri biyotik ve abiyotik mekanizmaların bir kombinasyonu yoluyla aktarabilir veya dönüştürebilir. Abiyotik mekanizmalar arasında filtrasyon, sedimantasyon, çökeltme, sorpsiyon, kimyasal oksidasyon/indirgeme, kompleksleşme, fotodegradasyon ve buharlaşma yer alır. Biyotik süreçler, biyotransformasyonu (mikrobiyal veya bitki aracılı), fitoakümülasyonu ve fitostabilizasyonu içerir^13,14. CWTS, tipik olarak zamanla daha verimli hale gelen kendi kendini idame ettiren sistemler olarak önemli avantajlar sunar¹⁴. Bu sistemler çok yönlüdür ve çevresel olarak sürdürülebilir ve kamu tarafından kabul edilebilir olurken aynı anda birden fazla kirletici maddeyi arıtabilir. Ayrıca, geleneksel arıtma yöntemlerine kıyasla düşük işletme ve sermaye maliyetleri, onları OSPW gibi büyük hacimli atık suların taşınması için çok uygun hale getirir. Bununla birlikte, OSPW'de aynı anda meydana gelen çeşitli abiyotik ve biyotik süreçlerin karmaşıklığı, CWTS'yi maksimum tedavi etkinliği için optimize etmek için dikkatli bir tasarım gerektirir. Laboratuvar tezgahında, pilot ve gösteri ölçeklerinde sistematik testlerle birlikte tedavi hedeflerinin net bir şekilde anlaşılması, sistemi optimize etmek ve tam ölçekli uygulamanın başarısını tahmin etmek için çok önemlidir¹⁴.

Genellikle mezokozm deneyleri olarak adlandırılan pilot ölçekli deneyler, tipik olarak bireysel tedavi hücrelerini simüle eden küvetler veya tanklar kullanılarak gerçekleştirilir. Mezokozmlar, alan temelli bir deney olarak iç mekanlarda veya dış mekanlarda gerçekleştirilebilir. Mezokozmlar, bireysel tasarım parametrelerinin kirleticilerin uzaklaştırılması üzerindeki etkilerini değerlendirmek için yeterli kontrol ve çoğaltmayı sürdürürken, laboratuvar ölçekli deneylerden daha fazla ekolojik karmaşıklık sunan kısmen kapalı sistemlerdir. Mezokozm ölçeği çalışmaları, tedavi mekanizmalarını doğrulamak ve komplikasyonları daha küçük ölçekte ortaya çıkarmak için gereklidir, burada tasarım düzeltmeleri ve ayarlamaları uygulanabilir¹⁴. Bu protokol, özellikle OSPW'deki NAFC'lerin zayıflatılması için CWTS çalışmalarının tasarlanması için pratik bir çerçeve sağlayan, iç mekan mezokozm ölçekli yatay yüzey akışlı CWTS'nin kurulumunu ve çalışmasını açıklar.

1. Mezokozm yapısı

NOT: Mezokozm yapımı için gerekli malzemelerin kapsamlı bir listesi için Malzeme Tablosuna ve mezokozm yapısının şeması için Şekil 1'e bakınız.

1. Gerekirse polietilen tankın üst kısmını (129.5 cm x 30.0 cm) çıkarın.
2. Drenaj delikleri hazırlayın; polipropilen tankın aynı tarafına iki delik (Parça #1 ve #2) açın. Erkek dişler dışa bakacak şekilde her iki deliğe bir PVC bölme bağlantı parçası (Parça #3) yerleştirin. Bölme bağlantısının dış kenarını su geçirmez bir dolgu macunu kullanarak kapatın.
   1. Toprak suyu drenaj deliği (Bölüm #2): Bölme montajı için yeterli alan olduğundan emin olarak bunu tankın köşe tabanına yerleştirin.
   2. Yüzey suyu drenaj deliği (Bölüm #1): Tankın merkezine yakın, toprak seviyesinin yüksekliğinin üzerine yerleştirin.
3. Bölme bağlantısının iç kısmına filtre süzgeci (Parça #4) olan bir hortum rondelası (Parça #5) yerleştirin ve sızdırmazlık maddesi ile sabitleyin.
4. İç drenaj tesisatını ayarlayın:
   1. Yüzey suyu drenaj deliği (Parça #1) için, önce PVC erkek adaptörü (Parça #10) bölme bağlantısına (Parça #3) ve ardından 90° PVC dirseğe (Parça #11) takın.
   2. İstenen su seviyesinin yüksekliğini 12° dirseğe uyacak şekilde kesilmiş bir parça PVC boru (Parça #90) yerleştirin.
5. Harici drenaj sıhhi tesisatını ayarlayın. Aşağıdaki adımlar boyunca, PEX'i bağlantı parçalarına sabitlemek için kıvrımlı halkalar kullanın.
   1. 3/4 inç PEX x 3/4 inç MPT pirinç adaptörün (Bölüm #6) dişlerinin etrafına Teflon bant sarın ve bölme bağlantı parçalarına bağlayın (Parça #3).
   2. İki eşit uzunlukta 3/4 inç PEX (Parça #7) kesin ve MPT pirinç adaptörlere takın (Parça #6).
   3. PEX borusuna (Bölüm #7) plastik bir genleşme dirseği bağlantısı, yüzey suyu drenaj deliği için aşağı bakacak ve toprak drenaj deliği için tankın merkezine bakacak şekilde ekleyin.
   4. Toprak drenaj deliği (Bölüm #2) için dirseğe bir PEX boru, ardından bir küresel vana, başka bir PEX segmenti ve bir plastik genleşme tee bağlayın. Genleşme tee'nin üst kısmını yüzey suyu drenaj tesisatı ile hizalamak için PEX uzunluklarını ayarlayın.
   5. Yüzey suyu drenaj deliği için, plastik genleşme dirseğine bir PEX boru bağlayın ve onu genleşme tee'sine bağlayın.
   6. Sistem bağlandıktan sonra, plastik genleşme tee'sine aşağı bakan bir plastik genleşme dirseği ile biten başka bir PEX parçası (Parça #7) ekleyin.
   7. Suyun rezervuar tankına akmasını sağlamak için plastik genleşme dirseği bağlantısının altına başka bir PEX parçası (Parça #7) ekleyin.
6. Mezokozmin yapısal bütünlüğünü arttırın:
   1. 2 inç x 4 inç kereste parçaları kullanarak bir çerçeve (Parça #13, 129,5 cm uzunluk x 37,0 cm genişlik) oluşturun.
   2. Çerçeveyi ahşap vidalarla sabitleyin.
   3. Çerçeveyi mezokozmos üzerine yerleştirin ve sıhhi tesisat armatürlerinin üzerine oturmadığından emin olun.
   4. Mezokozm kenarlarından toprağa giren ışığı azaltmak için mezokozmin dışını alüminyum folyo ile sarın.

2. Mezokozm kurulumu ve bakımı

1. Tohumdan deney için bitki yetiştirin:
   1. Tohumları gerektiği gibi sınıflandırın.
   2. Tohumları, tapa stoğu olarak turba içeren standart styroblock kaplara yerleştirin.
   3. Fideler filizlendikten sonra, suda çözünür bitki besinleri (24-8-16) kullanarak fideleri haftada 3 kez gübreleyin.
   4. Tedavi yanıtı için optimum boyuta ulaşmalarını sağlamak için fidelerin en az 3-5 ay büyümesine izin verin.
      NOT: Kesin süre, türün boyutuna ve türüne bağlı olacaktır. Fide yetiştirilmek yerine satın alınırsa bu adım atlanabilir.
2. Mezokozmları seraya yerleştirin:
   1. (İsteğe bağlı) Mezokozmların ağırlığını desteklemek için sera masalarını kontrplak ile güçlendirin.
   2. Tedavilerin rastgele yerleştirilmesini sağlamak ve çevresel koşullardaki değişiklikleri en aza indirmek için mezokozmları sera bölmesi masalarına eşit olarak dağıtın (Şekil 2).
   3. Rezervuar tankına uygun drenaj için sıhhi tesisatı masanın kenarından sarkacak şekilde konumlandırın (Şekil 2).
3. Rezervuar tankını kurun:
   1. 57 L üstü açık plastik endüstriyel tamburu drenaj dolgusunun altına yerleştirin.
   2. Sürekli tank içi karıştırmaya izin vermek için tankın ortası ile altı arasına dalgıç bir güç kafası sirkülasyon pompası takın. Güç kablosunu tankın dışına sabitleyin.
4. Alt tabakayı ekleyin ve doyurun:
   1. Alt tabakayı mezokozm içinde eşit şekilde yayın ve alt tabakayı orta derecede basınçla istenen yüksekliğe kadar bastırın.
      NOT: Alt tabakanın yüksekliği, araştırma hedeflerine ve bitki türlerine bağlıdır.
   2. Alt tabakayı ters ozmoz (RO) suyla tamamen doyurun, eklenen su hacmini ölçün; Bu, alt tabakadaki gözenek suyu hacmine eşdeğerdir.
      NOT: Gözenek suyu, alt tabaka doyduğunda eklenen su hacmidir ve su seviyesi alt tabakanın üst kısmıyla eşleştiğinde gözlemlenebilir. Bu işlem bir gün kadar sürebilir. Gözenek suyu hacmi, sistemdeki tam su miktarını belirlemek ve akış hızını hesaplamak için önemlidir.
5. Akış hızını belirleyin:
   1. Önceki çalışmalara ve çalışma hedeflerine göre bir saklama süresi seçin.
   2. Mezokozmdaki toplam su hacmini hesaplayın.
      
   3. Akış hızını hesaplayın.
      
6. Pompaları takın:
   1. Bir pompayı iki bitişik mezokozm arasına yerleştirin.
      NOT: Gerekirse bir mezokozm için bir pompa da kullanılabilir.
   2. Son pompayı kontrolöre bağlayarak bir erkek-erkek USB kablosu kullanarak tüm pompaları birbirine bağlayın.
   3. Valf içi boruyu rezervuara daldırın, yerinde kalması için sabitleyin veya ağırlıklandırın.
   4. Çıkış valfi hortumunu mezokozmin arka üst köşesine sabitleyin ve su hattının üzerinde kalmasını sağlayın.
   5. Yosun oluşumunu önlemeye yardımcı olmak için boruyu alüminyum folyoya sarın.
   6. Pompaları, güç çubuğunu ve kontrol cihazını üreticinin talimatlarına göre kurun ve kalibre edin¹⁵.
   7. Pompaları hesaplanan akış hızına ayarlayın.
7. Bitki türlerini bitki ve iklimlendirin:
   1. Bitki türlerini mezokozma şartlandırırken sıcaklığı ve LED yetiştirme ışıklarını bitki büyümesi için en uygun seviyelere ayarlayın.
   2. Mezokozmosta birim alan başına eşit biyokütle sağlamak için 6-12 ayrı bitki türünü eşit şekilde ekin.
      NOT: Birey sayısı, araştırma hedeflerine ve türün fizyolojisine bağlı olarak değişebilir (örneğin, Typha latifolia köke bağlı hale geldikçe, birey sayısı azalabilir).
   3. RO su seviyesini kademeli olarak yükseltin, 1-2 gün boyunca bir su seviyesini koruyun ve PVC boruyu (adım 1.4.2) su seviyesine uyacak şekilde gerektiği gibi değiştirin.
   4. Pompaları istenen son akış hızıyla açın.
   5. İstenilen su seviyesine ulaşıldığında, sera ışığını ve sıcaklığını deneysel ayarlara ayarlayın ve bitkilerin ~ 35 gün boyunca alışmasına izin verin.
8. Sistemi boşaltın ve yıkayın:
   1. PVC dikey boruyu çıkarın ve sistemi tamamen boşaltmak için küresel vanayı açın; Bu işlem 2 gün kadar sürebilir.
   2. Sistemi OSPW ile yıkayın ve tamamen boşalmasına izin verin, PVC borunun kapalı kaldığından ve küresel vananın açık olduğundan emin olun. Yıkama sırasında kullanılan OSPW'nin deney sırasında kullanılmadığından emin olun.
   3. Yıkandıktan sonra küresel vanayı kapatın ve istenen su seviyesine uygun PVC boruyu ekleyin.
9. OSPW ekleyin:
   1. Alt tabakayı veya bitkileri rahatsız etmemek için OSPW'yi her bir mezokozme dikkatlice dökün ve istenen su seviyesine ulaşılana kadar doldurun.
   2. Birden fazla su partisi kullanıyorsanız, kimyasal özelliklerin tutarlı olduğundan emin olun veya tüm mezokozmlara eşit olarak dağıtın.
   3. Rezervuar tankını üstten yaklaşık 5 cm boşluk bırakarak OSPW ile doldurun.
10. Buharlaşmayı yönetin:
    1. Rezervuar tankını gerektiği gibi RO suyu ile doldurun ve su seviyesini üstten yaklaşık 5 cm aşağıda tutun.

3. Örnekleme

1. Bitki türleri ölçümleri:
   1. Her tutma süresi döngüsünde, bitki sağlığı ve büyüme metriklerini ölçün¹⁶. Bitki sağlığı metrikleri, kloroz ve böcek hasarı gibi görünür stres belirtilerini içerirken, bitki büyüme metrikleri ölüm oranı, boy ve örtü yüzdesini içerir.
   2. Deneyin sonunda istenirse bitki yer üstü biyokütlesi ve bitki doku kimyası için örnekler alın.
      NOT: Kullanılan izleme aralıkları ve ölçümler, NAFC'lerin bitki sağlığı üzerindeki etkisini incelemek için önerilir ve deneysel hedeflere bağlı olarak farklılık gösterebilir.
2. Yüzey ölçümleri:
   1. Temel karakterizasyon: Her mezokozma substratlar eklenmeden önce, bir dizi parametreyi ölçün (örneğin, pH, elektriksel iletkenlik (EC), oksidasyon-indirgeme potansiyeli (ORP), ana anyonlar/katyonlar, besinler, NAFC'ler ve diğer ilgili kirleticiler).
   2. İlk tutma döngüsü sırasında, genel kimya için bir temel elde etmek için her mezokozmostan substrat örnekleri toplayın. Her mezokozmdaki rastgele konumlardan substrat örnekleri toplayın.
   3. Her tutma süresi döngüsünde, uygun bir ORP probu kullanarak substrat ORP'sini ölçün.
   4. Deneyin sonunda, her bir mezokozmdan substrat örnekleri toplayın ve temel karakterizasyondakiyle aynı parametreleri ölçün (örneğin, pH, EC, ORP, ana anyonlar/katyonlar, besinler, NAFC'ler ve diğer ilgili kirleticiler).
3. Su ölçümleri:
   1. Temel karakterizasyon: OSPW her mezokozma eklenmeden önce, bir dizi parametreyi ölçün (örneğin, pH, EC, ORP, ana anyonlar/katyonlar, besinler, NAFC'ler ve diğer ilgili kirleticiler).
   2. Deney başladıktan sonra, OSPW içindeki tortunun çökelmesine ve OSPW'nin gözenek suyu boşluğunu doldurmasına izin vermek için birkaç gün sonra (tutma döngüsü 1'in sonu) her mezokozmdan ilk OSPW örneklerini alın. OSPW örneklerini her mezokozmin önünden toplayın.
   3. Her tutma süresi döngüsünde, referans verilen cihazı kullanarak çözünmüş oksijen (DO), ORP, pH, EC ve sıcaklığı ölçün.
   4. Deneyin sonunda, genel kimyayı ölçmek için son su örneklerini toplayın, bir dizi parametreyi ölçün (örneğin, DO, pH, EC, ORP, ana anyonlar / katyonlar, besinler, NAFC'ler ve diğer ilgili kirleticiler).

Şekil 1: Mezokozm tasarımının ve deney düzeneğinin şeması. (A) Mezokozm yapısının şeması ve gerekli bileşenler. (B) Rezervuar yerleşimi ile birlikte substrat ve bitki ilavesi dahil olmak üzere örnek deney düzeneği. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Mezokozm ve rezervuar yerleşimi örneği. (A) Alüminyum folyo olmadan seradaki mezokozm ve rezervuar tanklarının yerleşimi. (B) Her iki mezokozm için bir pompa olacak şekilde, ışık penetrasyonunu sınırlamak için mezokozmların etrafına sarılmış alüminyum folyo ile mezokozmları ve rezervuar tanklarını gösteren yerleşim. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu mezokozm yapılı sulak alan protokolünün başarısı, bitki türlerinin sağlam büyümesi ve gelişmesi, çevresel parametrelerin sürekli izlenmesi ve kirleticilerin zaman içinde verimli bir şekilde uzaklaştırılması ile gösterilmektedir. Trepanier ve ^ark.17 tarafından toplanan veriler, yöntemin etkinliğini ve beklenen sonuçları göstermektedir. Çalışma, kuzey sulak alanlarında yaygın olarak bulunan bir su sazı olan Carex aquatilis'in OSPW'deki NAFC'leri azaltma yeteneğini değerlendirdi. C. aquatilis ile mezokozmların performansını, OSPW veya laboratuvar yapımı proses suyu kullanarak bitki içermeyenlerle karşılaştırdı. Mezokozmlar, 10 cm turba mineral karışımı (PMM) ve alt tabakaları kaplayan 25 cm OSPW ile kaplanmış 10 cm kaba kum atıklarından (CST) oluşan bir substrat ile inşa edilmiştir. Deneyden önce, bitkiler 3 ay boyunca ortalama 83 cm yüksekliğe kadar büyütüldü ve daha sonra sisteme nakledildi. Bitkileri mezokozme alıştırmak için RO suyu ilave edildi (Şekil 3) ve sistemler 32 gün boyunca 20 ^oC'de tutuldu.

Şekil 3: Dikim türleri ve RO su ilavesi. (A) Kurcalanmış alt tabakanın eklenmesi ve alt tabakaya ekim türlerinin bir örneği. (B) Bitki türlerinin mezokozm boyunca eşit dağılımı. (C) Bitki iklimlendirme süresi için mezokozmoslara RO suyunun eklenmesi. Kısaltma: RO = ters ozmoz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bitkiler, deney boyunca, yükseklik ve örtüde kayda değer artışlarla sağlam bir büyüme gösterdi (Şekil 4). Şekil 5 , C. aquatilis'in istikrarlı büyümesini daha da göstermektedir ve platodan 40. günde yaklaşık 150 cm yüksekliğe ulaşmaktadır. Bu, C. aquatilis için beklenen 20-155 cm büyüme aralığındaydı. Bitki sağkalımı %98 ile yüksekti ve deneyin sonunda %99'u canlı bitki dokusuna sahipti. Bununla birlikte, çoğu bitki kloroz, nekroz ve/veya beneklenme belirtileri gösterdi ve bazı durumlarda deforme olmuş ve buruşuk yapraklar¹⁷. Bitki sağlığının rutin olarak izlenmesi, haşere istilası gibi potansiyel sorunların belirlenmesinde hayati önem taşır.

Şekil 4: Deneyin başlangıcındaki ve sonundaki bitki büyümesinin fotoğrafları. Carex aquatilis'in 0. günden 78. güne kadar büyümesi ve sağlığının örnek bir fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Carex aquatilis içeren mezokozmosta zamanla bitki boyu. Mezokozmlarda Carex aquatilis için ortalama bitki boyu (n = 48). 0. gün, OSPW'nin sisteme eklendiği zamandır. Bitki alışma periyodu, mezokozmların OSPW ilavesinden önce RO suyu içerdiği dönemi ifade eder. Hata çubukları, ortalamanın bir standart sapmasını gösterir. Bu rakam Trepanier ve ^ark.17'den uyarlanmıştır. Kısaltmalar: RO = ters ozmoz; OSPW = petrollü kumlar prosesten etkilenen su. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yeterli oksijen seviyelerinin korunması bitki sağlığı ve CWTS'de kirleticilerin etkili bir şekilde uzaklaştırılması için kritik öneme sahip olduğundan, optimum sistem performansını sağlamak için su çözünmüş oksijen ve substrat redoks gibi temel çevresel parametreler rutin olarak izlenmiştir. Substrat redoks değerleri deney boyunca dalgalandı, ekilmemiş mezokozmlar 50 mV ile 100 mV arasında oksitleyici koşullarda kalırken, C. aquatilis içeren mezokozmlar bazen 0 mV'a yaklaştı. OSPW, deney boyunca DO seviyelerini 5 ppm> korudu ve DO, özellikle deneyin sonunda, bitkisiz mezokozmlarda genel olarak daha yüksekti (Şekil 6). 8 ppm'lik bir DO genellikle bitki büyümesi için ideal olarak kabul edilir; bununla birlikte, 5 ppm'nin üzerinde bir DO değeri kabul edilebilir. Rutin izleme, çözünmüş oksijende ara sıra meydana gelen düşüşlerin belirlenmesine olanak tanır ve bu da tutarlı çalışmayı sağlamak için pompa işlevselliğinin doğrulanması gibi sistem kontrollerini gerektirebilir.

Şekil 6: Mezokozmlar içinde çözünmüş oksijen ve toprak redoks ölçümleri. (A) OSPW'de çözünmüş oksijen ve (B) Carex aquatilis ile mezokozmlar için toprak redoks potansiyeli ve sadece OSPW ile ekilmemiş tedaviler. Veri noktaları, dört kopya mezokozmdan (n = 4) elde edilen ortalamaları temsil eder ve hata çubukları ortalamanın bir standart hatasını gösterir. Kısaltma: OSPW = petrollü kumlar prosesten etkilenen su. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Çalışmanın birincil amacı, bir mezokozm CWTS kullanarak OSPW'den NAFC zayıflama potansiyelini değerlendirmekti. Şekil 7 , deney boyunca NAFC konsantrasyonlarında kademeli bir düşüşü göstermekte ve sistemin etkinliğini göstermektedir. C. aquatilis'in varlığı, 82 gün boyunca ekilmemiş kontrol tedavisinde% 8.5'e kıyasla (72.1 mg / L başlangıçta 17.1 mg / L final) 82 gün boyunca NAFC'lerde% 76'lık bir azalma sağlayarak NAFC uzaklaştırmasını arttırdı (64.5 mg / L başlangıçta 59.0 mg / L final)¹⁷. NAFC'lerin konsantrasyonundaki başarılı azalma, sağlıklı bitki büyümesi ve elverişli çevre koşulları ile birlikte, mezokozm kurulumunun etkili bir şekilde çalıştığını doğrulamaktadır. Bu sonuçlar, sistemin inşa edilmiş sulak alanları simüle etme yeteneğini göstermektedir ve OSPW'nin toksisitesini azaltmada CWTS'nin rolü hakkında değerli bilgiler sağlamaktadır.

Şekil 7: Mezokozmlarda zaman içinde NAFC konsantrasyonu. Naftenik asit fraksiyonu bileşiklerinin Carex aquatilis ile mezokozmlarda konsantrasyonu ve sadece OSPW ile ekilmemiş tedaviler. Veri noktaları, dört kopya mezokozmdan (n = 4) elde edilen ortalamaları temsil eder ve hata çubukları ortalamanın bir standart hatasını gösterir. Ortalamalar arasındaki farklı harfler anlamlı bir farkı gösterir (P < 0.05). Bu rakam Trepanier ve ^ark.17'den uyarlanmıştır. Kısaltmalar: OSPW = petrollü kumlar prosesten etkilenen su; NAFC = naftenik asit fraksiyonu bileşikleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

CWTS, birçok atık su için pasif ve uygun maliyetli bir arıtma olarak kullanılmıştır¹³; bununla birlikte, NAFC zayıflaması 7,8,9,10,11,12,17,18 için OSPW'yi tedavi etmek için nispeten yeni bir yöntemdir. Bu yazıda açıklanan yöntemler kullanılarak, CWTS'nin etkinliği, çeşitli tasarım parametreleri değerlendirilerek arttırılabilir.

Mezokozmlar, Şekil 1'de gösterildiği gibi monte edilir ve uygun drenaj borularının kurulduğundan emin olunur. Alt tabakanın çıkışları tıkamasından kaynaklanan olası akış sorunlarını veya eşit olmayan tutma sürelerini önlemek için, alt drenaj tapasına filtre süzgecine sahip bir hortum yıkayıcı yerleştirilir ve üst drenaj deliği alt tabaka seviyesinin üzerine yerleştirilir. Bu önlemlere rağmen tıkanmalar meydana gelirse, tıkanıklıkları gidermek için bir drenaj burgusu veya hava basıncı kullanılabilir.

Mezokozmlar, kontrplak ile güçlendirilmiş sera masalarına yerleştirilir ve su sirkülasyonu için masaların uçlarına rezervuar kovaları yerleştirilir. Su, yerçekimi akışını kullanarak sistemde dolaşır, giriş hortumundan girer ve rezervuara geri dönmeden önce yüzey drenaj deliği ucundan çıkar. Alıkonma süresi (gün) daha önce inşa edilmiş sulak alan çalışmalarına göre seçilmiştir⁷. Rezervuarın sürekli karıştırılmasını sağlamak için dalgıç sirkülasyon pompaları kullanılır. Dozaj pompaları, mezokozm ve rezervuar arasındaki su hareketini kolaylaştırmak için kullanılır. Bir dozaj pompasını iki mezokozme bağlamak mümkündür. Pompalar, istenen akış hızına ve tutma süresine ulaşmak için deneysel hedeflere göre ayarlanmalıdır.

Mezokozm yapımından sonra, substrat mezokozmosa eşit şekilde paketlenir, bitkiler ekilir ve RO suyu eklenir. RO suyu, deneye başlamadan önce sağlıklı bitkilerle iyi işleyen bir sistem sağlamak için başlangıçta bir bitki alışma döneminde kullanılır. Alışma döneminden sonra mezokozmlar boşaltılır, gözenek suyunun değiştirilmesini sağlamak için 24 saat boyunca %100 OSPW ile yıkanır ve ardından deneye başlamadan önce OSPW ile yeniden doldurulur.

Tamamlanması gereken temel ölçümler arasında bitki sağlığı ve büyüme ölçümleri, substrat ve su kimyası parametreleri ve hedef kirleticinin konsantrasyonları yer alır. Mezokozmun beklendiği gibi çalıştığından emin olmak için su ve substrat parametrelerinin rutin ölçümleri döngü başına bir kez alınır. DO, ORP, pH ve iletkenlik dahil olmak üzere su kalitesi parametrelerinin bir YSI Professional Plus Çok Parametreli cihaz kullanılarak döngü başına bir kez ölçülmesi önerilir. Toprak ORP ve su çözünmüş oksijeni, mezokozmların aerobik koşulları sürdürmesini sağlamak için izlenmesi gereken temel parametrelerdir.

Açıklanan yöntem son derece uyarlanabilir ve tedavi hedeflerine göre değiştirilebilir. Ana arıtma modifikasyonları, bitki türlerini, birden fazla bitki türünün kullanımını, alıkonma süresini, çevresel koşulları, substrat bileşimini ve derinliğini ve gübre ilavesini içerir ancak bunlarla sınırlı değildir. Bitki türleri, bitki sağkalımını ve fitoremediasyon etkinliğini artıran özelliklere göre seçilmelidir. Yerel iklime adapte edilmiş yerli sulak alan bitki türlerinin seçilmesi, başarılı büyüme ve hayatta kalma olasılığını artıracaktır 11,13,14. CWTS'de kullanım için çok uygun olan bitki türleri arasında derin ve geniş kökler, güçlü rizomlar, hızlı büyüme, yeterli oksijen taşınması geliştiren ve tuzluluk etkilerine karşı koyacak mekanizmalara sahip olanlar^bulunur 17,19,20. Bitki çeşitliliğinin artması, CWTS'nin etkinliğinde kesinliğin azalmasına yol açabileceğinden, bitki türlerinin ekim karışımlarından kaçınılması sıklıkla tavsiye edilir. Özellikle bir bitki baskın hale gelirse, CWTS'nin nasıl davranacağını modellemek^{zordur 14}. Seçilen bitki türleri, tuz ve diğer kirleticilerin konsantrasyon etkisine sahip olabilecek evapotranspirasyonu da etkileyecektir.

Sistemde evapotranspirasyonun hesaba katıldığından emin olmak önemlidir; RO-su ile OSPW seviyesinin korunmasını sağlamak. Belediye veya RO olmayan suyun kullanılması, diğer bileşenlerde (örneğin, klorür, kalsiyum, florür) bir artışa yol açabilir ve bu da mezokozm çalışmasının bulgularını etkileyebilir. Alıkonma süresinin değiştirilmesi, mezokozm içindeki çeşitli bileşenlerin ve seviyelerin anaerobik hale gelmemesini sağlayarak havalandırmaya yardımcı olabilir, bu da mikrobiyal topluluklar ve bitki sağlığı üzerinde etkilere yol açabilir.

Darbeli veya aralıklı akışlar, doğal sulak alan dinamiklerini (yani fırtına olayları ve mevsimsel akış) simüle etmek için kullanılabilir. Çevresel değişkenlerin (sıcaklık, ışık koşulları ve mevsimsel değişimler) çalışma alanındakilere benzer olmasını sağlamak, sistemi etkileyecek yeni değişkenlerin sayısını ve bu değişkenlerin CWTS'nin NAFC'leri zayıflatmadaki etkinliğini nasıl etkilediğinin analizini azaltacağı için, çalışmayı büyük ölçekli CWTS'ye tahmin etmek için önemlidir. Daha büyük ölçekli bir CWTS'de kullanılabilecek mezokozmlar için substratların seçilmesi, gelecekteki tasarımı bilgilendirmeye ve arıtma sisteminin etkinliğini artırmaya yardımcı olacaktır. Petrollü kum madenciliğinde, kaba kum atıkları ve turba-mineral karışımı substratlardır ve bitki sağlığını iyileştirmek, faydalı mikrobiyal toplulukları artırmak ve NAFC'lerin zayıflamasına yardımcı olmak için en uygun substratı belirlemek için daha önce mezokozm çalışmalarında test edilmiştir¹⁷.

Bu yöntemin ana sınırlaması, kök büyümesini etkileyebilecek ve bitkilerin köke bağlı hale gelmesine neden olabilecek mezokozsun sınırlı boyutu ve derinliğidir. Bu kısıtlamalar, deneyin uzunluğunun ve/veya kullanılan tek tek bitkilerin sayısının azaltılmasıyla aşılabilir. Aynı mezokozmosta birden fazla tür kullanılırsa, rekabetten kaynaklanan sinerjik veya ilave etkiler olabilir. Sonuç olarak, mezokozsun boyutu ve derinliği, deney için daha kısa bir süre ile sonuçlanabilir ve toplanan veri miktarını sınırlayabilir. Daha uzun süreli deneyler, bitki döküntülerinin ve kök eksüdalarının birikmesi ve yavaş ayrışması yoluyla sisteme organik madde eklendiğinde meydana gelen besin döngüsü gibi süreçleri inceleyebilir. Bu, mikrobiyal toplulukları ve kirleticilerin zayıflama oranını etkileyebilir. Ek olarak, bu mezokozm tasarımının nispeten kısa deneysel zaman çerçevesi, gelecekteki deneyleri geliştirmek için kullanılabilecek hızlı geri bildirim sağlar. Mezokozm sistemine besinler eklenebilir; Bununla birlikte, eklenen gübrenin türü ve miktarı, alg oluşumunu önlemek için kapsamlı bir izleme gerektirir.

Seradaki koşullar, optimum bir yetiştirme ortamı yaratacak şekilde ayarlanmıştır; Sıcaklık aralıkları, bölgenin mevsimsel sıcaklıklarını uygun şekilde yansıtacak şekilde ayarlanmıştır ve doğal günlük dalgalanmaları simüle etmek için kademeli değişiklikler yapılmıştır. Nem seviyeleri de bölgesel iklimi temsil eden bir aralıkta değişmek üzere yönetilmektedir. Ek olarak, sera, belirlenen gündüz saatlerinde yaklaşık 200 W/m² ortam gün ışığına eşdeğer 25.000 lux alacak şekilde tasarlanmıştır. Tutarlı ışık yoğunluğu sağlamak için, doğal ışık seviyeleri bu eşiğin altına düştüğünde LED ışıklar etkinleştirilir. Bir sera kullanmanın da sınırlamaları vardır. Seralar kontrollü bir ortam sağlarken, haşere istilası, sera etkileri ve doğal olmayan ortamların yaratılması gibi benzersiz zorluklar da sunabilir. Haşere istilası özellikle sera ortamlarında yaygındır ve bitki sağlığını ve büyümesini etkileyebilir. Böcek ilaçlarının kullanımını azaltmak için, doğal avcılar veya fiziksel haşere temizleme harika alternatiflerdir. Bu zorluklara rağmen, bir sera, bireysel parametrelerin hassas bir şekilde kontrol edilmesine ve incelenmesine izin verdiği için bir pilot çalışma yürütmek için en uygun ortam olmaya devam etmektedir¹⁴.

Bu yöntem, mezokozm deneyleri tasarlamaya yönelik birçok yaklaşımdan birini temsil eder. Pilot ölçekli CWTS deneyleri açık havada^10,21 veya iç mekanda ^4,17 yapılabilir. Dış mekan mezokozmları, karmaşık ve öngörülemeyen şekillerde etkileşime girebilen çok değişkenli çevresel faktörlerden etkilenir. Bu etkileşimler, bireysel değişkenleri modellemeyi veya gözlemlenen sonuçları yönlendiren belirli mekanizmaları açıklamayı zorlaştırır. Sonuç olarak, CWTS performansına hangi faktörlerin katkıda bulunduğunu belirlemek ve sistem tasarımını iyileştirme fırsatlarını belirlemek zorlaşır; bununla birlikte, tam ölçekli CWTS koşullarını daha yakından kopyalarlar¹⁴. Buna karşılık, iç mekan mezokozmları daha kontrollü bir ortam sağlayarak doğanın ve diğer dış etkilerin etkilerini en aza indirir, süreçleri anlamayı ve performansı artırabilecek tasarım parametrelerini tanımlamayı kolaylaştırır.

CWTS tasarımları tipik olarak yatay yüzey akışı 4,10,17,18 veya dikey yüzey altı akışı ^18'e sahiptir. Burada açıklanan yöntem, yatay yüzey akışlı bir mezokozm tasarımını temsil eder. Dikey akış sistemleri, dikey su hareketini kolaylaştırmak, daha iyi oksijenasyon sağlamak ve daha az alan gerektirmek için yerçekimine güvenirken, yatay akış sistemleri daha kararlı koşulları korur¹⁰ ve fitoremediasyon potansiyelini²² artırır. Mezokozmlar, entegre bileşenleri test ederek ve gelecekteki büyük ölçekli uygulamalar için verimliliği artırarak, çevredeki ortamın tekrarlanabilirliğine ve kontrolüne izin vererek ve bireysel deneysel parametrelerin izolasyonunu ve ölçümünü sağlarken, aynı zamanda biyotik değişiklikleri ve kimyasal dağılım yollarını izleyerek CWTS'nin geliştirilmesi için önemli avantajlar sunar.

Yazarların açıklanacak herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Bu araştırmanın finansmanı, Genome Canada Büyük Ölçekli Uygulamalı Araştırma Projesi (LSARP, hibe #18207) ve Kanada Orman Hizmetleri Kümülatif Etkiler finansman programı tarafından sağlandı. Bu araştırmada kullanılan malzemeleri tedarik ettiği için Imperial Oil Ltd.'ye teşekkür ederiz. Deneylere yardımcı olan herkese de teşekkür ederiz: 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 ve Christine Martineau. Deneysel ve mezokozm tasarımı için Douglas Muench'e de teşekkür ederiz. Ayrıca Kuzey Ormancılık Merkezi'ndeki personele ve deneyler boyunca yardımcı olan yaz öğrencilerine de teşekkür ederiz. Araştırmamızın Antlaşma 6 topraklarında yürütüldüğünü ve bu deneyler için malzeme kaynaklarının Antlaşma 8 topraklarından toplandığını kabul etmek isteriz. Bu topraklarda yaşayan, toplanan ve seyahat eden First Nations, Métis ve Inuit halklarını kabul ediyor ve onurlandırıyoruz.