Esittely: Lupaus Phytoremedaation Constructed Wetlands

Rakennetut kosteikot ovat suunniteltuja ekosysteemejä, jotka toistavat luonnon kosteikkoprosesseja jäteveden, sadeveden ja teollisuuden jätevesien käsittelyyn. Valjastamalla veden, substraattien, kasvien ja mikro-organismien vuorovaikutukset nämä järjestelmät tarjoavat matalaenergiaisen, kustannustehokkaan ja ympäristön kannalta hyvänlaatuisen vaihtoehdon tavanomaisille käsittelymenetelmille.Kaikkien rakennettujen kosteikkojen keskinen biologinen moottori on sen kasvillisuus. Kasvit eivät ainoastaan tarjoa fysikaalista rakennetta ja hapensiirtoa vaan myös fytoremediaation[].Skoplectus[] (bullrus) ovat osoittautuneet luotettaviksi, vaikka perinteiset lajit, kuten ]Typha[ (cattail) [Cattail:4]]) ja (bullrust) ovatkin tunnistaneet uusia lajeja, joilla on erinomainen toleranssi, kertymäkapasiteetti ja spesifisyys vaikeiden epäpuhtauksien osalta.

Rakennettujen kosteikkojen ja Phytoremediaation ymmärtäminen

Rakennetut kosteikot

Rakennetut kosteikot luokitellaan laajasti kahteen hydrauliseen malliin: vapaa vedenpinta (FWS) ja pinnanalainen virtaus (SSF). HKS kosteikoissa on avovesialueita, joilla on emergentti kasvillisuus; SSF kosteikkoihin kuuluu vaakasuora tai pystysuora virtaus huokoisen väliaineen läpi, usein juurivyöhyke ilmastus. Kukin laji vaikuttaa kasvin valintaan, koska lajien on kestettävä erityisiä veden syvyyttä, virtausjärjestelmiä ja hapen saatavuutta. Viimeaikaiset hybridimallit yhdistävät ominaisuuksia, vaativat monipuolisia kasvilajeja, jotka voivat sopeutua muuttuviin olosuhteisiin.

Phytoremediaation mekanismit

Kasvit edistävät kunnostusta useiden täydentävien mekanismien avulla:

  • Pytouuto:[ Saasteiden (esim. raskasmetallien) ottaminen talteen.
  • Rhizofiltraatio: [ Epäpuhtauksien adsorptio tai saostuminen juuripinnoilla.
  • Fytostabilointi:[ Saasteiden mobilisointi juurivyöhykkeellä liikkuvuuden vähentämiseksi.
  • Pytohajoaminen:[: orgaanisten epäpuhtauksien jakautuminen kasvikudoksissa tai juurien eksudaattien kautta.
  • Pytovolatilointi:[] Saasteiden muuntaminen haihtuviksi muodoiksi ja vapautuminen ilmakehään.
  • Parannettu mikrobiaktiivisuus:[] Juuren eksudaatit tuottavat hiiltä ja happea, mikä lisää ravinteiden ja orgaanisten aineiden mikrobien hajoamista.

Oikean kasvilajin valitseminen tietylle pilaavalle sekoitukselle on siksi ratkaisevan tärkeää näiden toisistaan riippuvien reittien optimoimiseksi.

Perinteiset ja innovatiiviset kasvilajit

Klassisia kosteikkokasveja, kuten ]Typha latifolia[[] (laajalehtinen kattaillu), []Pragmites australis[[] (yleinen ruoko), ja [[]]Juncus effus[[] (pehmeä kiire) on käytetty vuosikymmeniä, koska ne ovat kovia, nopeasti kasvavia ja yleisesti ottaen tehokkaita. Heillä on kuitenkin rajoituksia: monet taistelut korkean suolaisuuden ympäristössä, ovat vaatimattomia metallien kertymisasteita tai ovat vähemmän tehokkaita nousevia vierasaineita kuten lääkkeitä vastaan. Innovatiiviset lajit .

Innovatiiviset kasvilajit Phytoremediaation parantamiseksi

Salicornia europaea (Glasswort)

Salicornia europaea[ on suolasuonissa ja murto-osastoissa kukoistava halofyytikko. Kasvien uudelleenkäsittelyn kandidaattina se osoittaa poikkeuksellista suolaisuuden (meriveden tasoon asti) sietokykyä ja voi kerääntyä huomattavia määriä raskasmetalleja, mukaan lukien kadmium, kupari ja sinkki. Sen kyky lisätä osmogulaatiota yhteensopivien solaattien avulla tekee siitä ihanteellisen suolavesien, kuten maatalouden kuivatus- tai merenelävien jalostuksen, hoitoon. Tutkimus osoittaa, että [ Salicornia[] voi vähentää liuenneiden kiinteiden aineiden ja raskasmetallipitoisuuksien kokonaismäärää pystyvirtaussaaduissa kosteikoissa, kun sen sadonkorjuukelpoista biomassaa voidaan käyttää biopolttoaineen tai suolankestävänä lisäaineena ([]ScienceDirec overview).

Typha orientalis (Cattail)

Vaikka monet -lajit ovat perinteisiä -lajeja, [Typha orientalis[]- (usein sekoittunut []-T. latifolia[]-) erottuvat poikkeuksellisen korkeasta biomassan tuotannosta ja ravinteiden poistotehokkuudesta. Se voi imeä jopa 200 kg N/ha/yr ja 50 kg P/ha/yr optimaaliolosuhteissa. Sen laaja-alainen ritsosfääri tukee vankkoja populaatioita nitrifisoivista ja denitrisoivista bakteereista. Kiinassa tehdyt kenttätutkimukset ovat osoittaneet, että Typha orientalis]-domaatut subsurating kosteikot saavuttavat yli 90% ammoniumin ja fosfaatin poistumisesta kotitalouksista.

Phragmites australis (Common Reed)

Pragmites australis[ on jo rakennettujen kosteikkojen työhevonen, mutta tuore tutkimus korostaa innovatiivisia käyttötapoja. Erityisesti sen kykyä hajottaa orgaanisia mikrosaasteita, kuten ibuprofeenia, nonyylifenolia ja torjunta-aineita eksuoitujen entsyymien (peroksidaasien, laccases) avulla. Lisäksi tietyt ekotyypit osoittavat suolansietokyvyn kohoavan, mikä mahdollistaa tuotetun veden käsittelyn öljy- ja kaasutoiminnoista. Sen syvä, läpäisevä juurijärjestelmä hapettaa substraattia ja luo mikroabitatseja aerobiseen hajoamiseen. Genotyyppiseulonta tuottaa kantoja, joissa on vieläkin suurempia epäpuhtausen hajoamisasteita (EPA Constructed Wetlands Guide).

Juncus effusus (Soft Rush)

Juncus effus[ on monipuolinen emergentti laitos, joka tunnetaan korkeasta metallikertyvyyspotentiaalistaan, erityisesti kadmiumin, nikkelin ja sinkin osalta. Se menestyy huonosti kuivatussa maaperässä ja voi sietää vedenottotiloja, joiden happipitoisuus on alhainen. Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että [Juncus effusus[] parantaa typen ja fosforin poistumista pintavirtauskosteikoissa, jotka käsittelevät maatalouden valumista. Sen fibrous juurijärjestelmä tarjoaa suuren pinta-alan biofilmin kiinnitettämiselle, mikrobien biohajoavuuden edistämiselle. Koska se voi selvitä kohtalaisessa suolavedessä, sitä käytetään usein vaihtelevalaatuisissa jäteveden kiillotuksessa.

Scirpus validus (Softstem Bulrush)

Scirpus validus[] (tunnetaan myös nimellä Schoenoplectus tabernaemontani[])) on aggressiivinen kolonisaationestoaine makean veden kosteikoissa. Se on osoittanut suurta tehokkuutta orgaanisten epäpuhtauksien (esim. bentseeni, tolueeni ja ksyleeni) poistamisessa rhitsosfäärin kautta. Sen vahvat varret ja laaja juurimatto tarjoavat ympärivuotisen käsittelykapasiteetin jopa lauhkeassa ilmastossa, jossa jotkut lajit kuolevat takaisin. Lisäksi se kerää metallien jälkiä, jotka suosivat voimakkaasti kuparia ja mangaania.

Innovatiivisten lajien hyödyntämisen edut

Näiden lajien omaksumisesta on mitattavissa olevia etuja perinteisiin monokulttuuriviljelmiin verrattuna:

  • Parannetaan epäpuhtauksien poistoa:[.
  • Suurempi sietokyky:[ Kyky selviytyä erittäin saastuneissa tai korkea-aineisissa ympäristöissä laajentaa kosteikkojen sovellettavuutta teollisuus- ja rannikkoalueisiin.
  • Nopea kasvu:[) Korkea biomassan tuotanto lisää epäpuhtauspäästöjä ja vähentää maa-alueiden tarpeita.
  • Kostetehokkuus:[ Kemiallisten lisäaineiden ja energiankulutuksen vähentäminen verrattuna mekaaniseen käsittelyyn; käyttäjän valvonnan vähäisyys.
  • Biodiversiteettiarvo:[ Useiden lajien integrointi voi luoda elinympäristöjä luonnonvaraisille eläimille ja lisätä järjestelmän sietokykyä tuholaisilta ja ilmastovaihteluilta.

Kun innovatiiviset kasvilajit yhdistetään asianmukaiseen hydrauliseen suunnitteluun ja esikäsittelyyn, ne voivat muuttaa rakennetut kosteikot tehokkaiksi vedenkäsittelyyksiköiksi.

Haasteet ja näkökohdat

Lupauksistaan huolimatta innovatiiviset kasvilajit asettavat haasteita, joita on hallittava:

  • Perustaminen ja kilpailu:[] Jotkut halofyytit ja hyperakkulat voivat olla aggressiivisten alkuperäisten kasvien alkuvaiheissa; huolellinen istutustiheys ja rikkakasvien valvonta ovat tarpeen.
  • Harjoitus ja hävittäminen:[ Raskasmetalleja keräävät laitokset tarvitsevat määräaikaista korjuuta saasteiden poistamiseksi; biomassan hävittämisen on noudatettava vaarallisia jätteitä koskevia säännöksiä, jos metallipitoisuudet ylittävät turvalliset raja-arvot.
  • Klimaattinen soveltuvuus:[ Monet uudet lajit on mukautettu erityisiin ilmastoihin (esim. Salicornia[ suosii lauhkeita suolasuota); laajamittainen käyttö trooppisilla tai kuivilla alueilla saattaa vaatia lisätutkimusta.
  • Ruokaveden rajoittaminen:[] Joissakin jätevesissä korkea suola- tai orgaaninen kuormitus voi estää kasvua; muutoksia tai sopeutumisaikoja saatetaan tarvita.

Ennen täysimittaista täytäntöönpanoa on välttämätöntä testata kohdekohtaisia pilottihankkeita.

Tulevaisuuden linjaukset ja tutkimus

Kasvien kunnostaminen on edennyt nopeasti rakennetuissa kosteikoissa.

  • Geneettinen parannus:[ Kasvatus- tai insinöörilaitokset, joissa epäpuhtauspitoisuus on suurempi, hajoamisnopeus nopeampi ja stressinsietokyky suurempi.
  • Microbiome engineering:[ Valitaan kasvilajeja, jotka rikastuttavat erityisesti saasteita pilaavia mikrobiyhteisöjä rhitsosfäärissä.
  • Yhdistetyt käsittelyjunat:[] innovatiivisten laitosten integrointi sähköteknisiin tai biosähkökemiallisiin järjestelmiin epäpuhtauksien poistamiseksi ([] tuoreet kosteikkotutkimukset MDPI Waterilla [).
  • Halpo biomassan hyödyntäminen:[] Käyttämällä korjattuja kasvikudoksia biocharmiin, biokaasuun tai biopohjaisiin komposiitteihin käsittelykustannusten kompensoimiseksi.
  • Ilmastomukautus:[ Valitaan lajeja, jotka pystyvät selviytymään lämpötilan vaihtelusta ja äärimmäisistä sateista.

Märkämaan insinöörien, kasvifysiologien ja mikrobiologien välinen yhteistyö ajaa seuraavaa sukupolvea, jossa rakennetut kosteikot ovat tehokkaampia, kestävämpiä ja taloudellisesti elinkelpoisempia.

Päätelmät

Rakennetut kosteikot ovat edelleen kestävän vesihuollon kulmakivi, ja niiden suorituskyky riippuu biologisesti tehokkaista kasvilajeista. Siirrymällä perinteisten monokulttuurien ulkopuolelle ja lisäämällä innovatiivisia lajeja kuten [Salicornia europaea[], [], []], [[]]]Pragmites australis], Juncus effus [[]], ja [[[Scirpus validus[[], ammattilaiset voivat saavuttaa raskaiden metallien, suolojen, ravinteiden ja uusien orgaanisten epäpuhtauksien paremman poistamisen.

Lisätietoja suunnitteluperiaatteista ja tapaustutkimuksista saa EPA Design Manual for Constructed Wetlands -käsikirjasta ja tuoreista tieteellisistä julkaisuista.