폐수 처리를 위한 반폐쇄생태계 규모의 건설 습지 설계

요약

건설된 습지 처리 시스템은 수십 년 동안 폐수를 처리하는 데 사용되어 왔지만 오일 샌드 공정의 영향을 받는 물을 처리하기 위한 적용은 비교적 새로운 것입니다. 이러한 잠재력을 탐구하기 위해 표면 유동 반폐쇄 생태계 설계와 실험 방법이 간략하게 설명되어 있습니다. 이 접근 방식은 주요 설계 매개변수에 대한 이해를 높이고 치료 효과를 개선하는 것을 목표로 합니다.

초록

캐나다 앨버타에서 지표 채광을 통한 역청 추출의 부산물인 오일 샌드 공정 영향 물(OSPW)에는 나프텐산 분획 화합물(NAFC)을 비롯한 다양한 우려 성분이 포함되어 있습니다. 이러한 유기 화합물은 환경에서의 독성과 지속성으로 인해 특히 우려됩니다. 건설된 습지 처리 시스템(CWTS)은 식물 및 관련 미생물을 사용하여 폐수의 오염 물질을 감쇠합니다. 현장 규모 CWTS는 특히 NAFC를 분해하기 위해 OSPW에 대한 잠재적인 대규모 치료 옵션으로 제시되었습니다. OSPW에서 NAFC의 대규모 치료를 위한 CWTS의 사용을 최적화하기 위해서는 다양한 설계 매개변수에 대한 이해를 심화하고 효능을 향상시키는 방법을 모색하는 것이 필수적입니다.

반폐쇄우주 규모의 실험은 복잡한 현장 시험과 통제된 실험실 환경 사이의 격차를 해소하는 귀중한 중개자 역할을 합니다. 반폐쇄 생태계는 기질, 식물 종, 온도 및 체류 시간과 같은 다양한 매개변수의 영향을 연구할 수 있는 통제되고 복제 가능한 환경을 제공하는 동시에 설계에 생태학적 복잡성을 통합합니다. 발표된 이전 연구는 이 방법이 OSPW에서 NAFC를 감쇠시키기 위해 CWTS의 효능에 대한 다양한 매개변수의 영향을 평가하는 데 성공적임을 보여주었습니다. 이 프로토콜은 OSPW에서 NAFC를 처리하기 위한 실험적 접근 방식과 함께 표면 흐름 습지 반폐쇄 생태계의 설계 및 설정을 간략하게 설명합니다. 이 방법은 다양한 지리적 위치에 걸쳐 다른 폐수를 처리하는 데 적용할 수 있습니다.

서문

캐나다 앨버타 북부의 오일샌드 지역은 세계에서 세 번째로 큰 석유 매장량을 보유하고 있으며 매일 300만 배럴 이상의 원유를 생산합니다¹. 그러나 지표 채광에서 역청을 추출하면 상당한 양의 광미와 오일 샌드 공정 영향 물(OSPW)이 부산물로 생성됩니다. 앨버타의 무배출 정책으로 인해 이러한 부산물은 채굴 가능한 오일 샌드 지역의 광미 연못에 저장됩니다. 2023년 현재 약 391.1mm3의 OSPW가 광미 연못에 자유수로 존재하며 광미 침하² 동안 계속 방출될 공극수는 포함하지 않습니다. OSPW는 <5%의 고형분을 함유하고 있으며 유기 오염 물질뿐만 아니라 염, 미량 금속 수치가 높은 것이 특징입니다³.

OSPW에는 나프텐산 분획 화합물(NAFC), 다환 방향족 탄화수소(PAH), BTEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌), 페놀 및 중금속을 포함한 여러 주요 종류의 오염 물질이 존재합니다 ^3,4. NAFC는 역청의 유기 화합물로, 추출 과정에서 용해되고 농축되며 OSPW 급성 독성의 주요 원인으로 일관되게 확인되고 있습니다 ^5,6. OSPW는 혼합물의 부피, 복잡성 및 독성으로 인해 여러 가지 환경 및 경제적 문제를 제기합니다. 화학적 산화 및 여과와 같은 기존 방법은 대규모 응용 분야에 대한 실현 가능성이 제한되어 있기 때문에 OSPW에 대한 비용 효율적이고 수동적이며 확장 가능한 처리 기술을 개발하는 것이 중요합니다. CWTS(Constructed Wetland Treatment Systems)는 폐수의 오염 물질을 감쇠하기 위해 식물 및 관련 미생물의 사용에 의존하는 저에너지, 비용 효율적이며 지속 가능한 수처리 시스템입니다. 그들은 OSPW ^{7,8,9,10,11,12}를 치료하기 위한 유망한 대안으로 부상했습니다.

CWTS는 자연 습지의 여과 기능을 복제하도록 설계된 엔지니어링 습지입니다. 원래 빗물과 도시 폐수를 처리하도록 설계된 CWTS는 현재 농업 폐기물, 산성 광산 배수, 산업 폐수 및 기타 개선 노력을 포함한 광범위한 응용 분야에 활용되고 있습니다¹³. 이러한 시스템에는 기질, 물 및 식물의 세 가지 기본 구성 요소가 있습니다. CWTS는 수평 또는 수직으로 흐르도록 구성된 물의 이동과 함께 표면 흐름 또는 지하 흐름 시스템으로 설계 될 수 있습니다^{13, 14}. 수생 습지 식물은 지속적으로 포화 된 토양 조건에 적응하기 때문에 CWTS에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 CWTS는 일반적으로 Typha sp.(부들), Juncus sp.(돌진) 및 Carex sp.(사초)와 같은 창발 식물 종을 사용합니다.

CWTS는 수처리를 위해 다양한 메커니즘을 사용합니다. 부유 물질은 오염 물질을 흡착하고 침전하여 식물 성장을 촉진하는 퇴적층을 형성할 수 있습니다. 또한 식물은 생물 및 비생물 메커니즘의 조합을 통해 용해된 오염 물질을 전달하거나 변형시킬 수 있습니다. 비생물적 메커니즘에는 여과, 침전, 침전, 흡착, 화학적 산화/환원, 착화, 광분해 및 휘발이 포함됩니다. 생물적 과정은 생물 변형(biotransformation (미생물 또는 식물 매개 변수), 식물 축적(phytoaccumulation), 식물 안정화(phytostabilization)를 포함한다^13,14. CWTS는 일반적으로 시간이 지남에 따라 더 효율적이 되는 자급자족 시스템으로서 상당한 이점을 제공한다¹⁴. 이러한 시스템은 다재다능하며 여러 오염 물질을 동시에 처리할 수 있는 동시에 환경적으로 지속 가능하고 공개적으로 수용 가능합니다. 또한 기존 처리 방법에 비해 운영 및 자본 비용이 낮기 때문에 OSPW와 같은 많은 양의 폐수를 처리하는 데 적합합니다. 그러나 OSPW에서 동시에 발생하는 다양한 비생물적 및 생물학적 과정의 복잡성으로 인해 최대 치료 효능을 위해 CWTS를 최적화하기 위한 신중한 설계가 필요합니다. 실험대, 파일럿 및 시연 규모에서의 체계적인 테스트와 결합된 치료 목표에 대한 명확한 이해는 시스템을 최적화하고 전체 규모 구현의 성공을 예측하는 데 필수적입니다¹⁴.

종종 반폐쇄 생태계 실험이라고 하는 파일럿 규모 실험은 일반적으로 개별 치료 세포를 시뮬레이션하는 욕조 또는 탱크를 사용하여 수행됩니다. 반폐쇄 생태계는 현장 기반 실험으로 실내 또는 실외에서 수행할 수 있습니다. 반폐쇄 생태계는 벤치 규모 실험보다 생태학적 복잡성이 더 크면서도 개별 설계 매개변수가 오염 물질 제거에 미치는 영향을 평가할 수 있는 충분한 제어 및 복제를 유지하는 부분적으로 폐쇄된 시스템입니다. 치료 기전을 확인하고 더 작은 규모에서 합병증을 발견하기 위해서는 반폐쇄생태계 규모 연구가 필요하며, 이를 통해 설계 수정 및 조정을 시행할 수 있다¹⁴. 이 프로토콜은 실내 반폐쇄 생태계 규모의 수평 표면 흐름 CWTS의 설정 및 작동을 설명하며, 특히 OSPW에서 NAFC의 감쇠를 위해 CWTS 연구를 설계하기 위한 실용적인 프레임워크를 제공합니다.

프로토콜

1. 반폐쇄 생태계 건설

참고: 반폐쇄 생태계 건설에 필요한 재료의 포괄적인 목록은 재료 표를 참조하고 반폐쇄 생태계 건설의 개략도는 그림 1 을 참조하십시오.

1. 필요한 경우 폴리에틸렌 탱크(129.5cm x 30.0cm)의 상단을 제거합니다.
2. 배수구를 준비하십시오. 폴리프로필렌 탱크의 같은 쪽에 두 개의 구멍(부품 #1 및 #2)을 뚫습니다. 수나사가 바깥쪽을 향하도록 PVC 격벽 피팅(파트 #3)을 두 구멍에 놓습니다. 방수 실런트를 사용하여 격벽 피팅의 바깥쪽 가장자리를 밀봉합니다.
   1. 토양 배수 구멍(파트 #2): 이것을 탱크의 모서리 바닥에 배치하여 격벽 피팅을 위한 충분한 공간이 있는지 확인합니다.
   2. 지표수 배수 구멍(파트 #1): 탱크 중앙에 가까운 토양 수준 높이보다 높게 놓습니다.
3. 격벽 피팅 내부에 필터 스크린(파트 #4)이 있는 호스 와셔(파트 #5)를 놓고 실런트로 고정합니다.
4. 내부 배수 배관 설정:
   1. 지표수 배수구(파트 #1)의 경우 먼저 PVC 수 어댑터(파트 #10)를 격벽 피팅(파트 #3)에 연결한 다음 90° PVC 엘보우(파트 #11)를 부착합니다.
   2. 원하는 수위의 높이와 일치하도록 절단된 PVC 파이프(부품 #12) 조각을 90° 엘보우에 삽입합니다.
5. 외부 배수 배관을 설정합니다. 다음 단계에서 압착 링을 사용하여 PEX를 피팅에 고정합니다.
   1. 3/4인치 PEX x 3/4인치 MPT 황동 어댑터(부품 #6)의 나사산에 테프론 테이프를 감고 격벽 피팅(부품 #3)에 연결합니다.
   2. 3/4인치 PEX(파트 #7)의 동일한 길이 두 개를 자르고 MPT 황동 어댑터(파트 #6)에 부착합니다.
   3. PEX 파이프(파트 #7)에 플라스틱 확장 엘보우 피팅을 추가하고, 지표수 배수 구멍은 아래를 향하고 토양 배수 구멍은 탱크 중심을 향합니다.
   4. 토양 배수 구멍(파트 #2)의 경우 PEX 파이프를 엘보우에 연결한 다음 볼 밸브, 다른 PEX 세그먼트 및 플라스틱 팽창 티를 연결합니다. PEX 길이를 조정하여 확장 티의 상단을 지표수 배수 배관에 맞춥니다.
   5. 지표수 배수구의 경우 PEX 파이프를 플라스틱 확장 엘보우에 연결하여 확장 티에 연결합니다.
   6. 시스템이 연결되면 아래쪽을 향한 플라스틱 확장 엘보우로 끝나는 플라스틱 확장 티에 PEX(파트 #7)의 다른 조각을 추가합니다.
   7. 플라스틱 팽창 엘보 피팅 바닥에 PEX(파트 #7)를 하나 더 추가하여 물이 저수지 탱크로 배수되도록 합니다.
6. 반폐쇄 생태계의 구조적 무결성 향상:
   1. 13인치 x 2인치 목재 조각을 사용하여 프레임(파트 #129.5, 길이 37.0cm x 너비 37.0cm)을 만듭니다.
   2. 나무 나사로 프레임을 고정합니다.
   3. 프레임을 반폐쇄 cosm에 놓고 배관 피팅에 놓이지 않도록 합니다.
   4. 반폐쇄 생태계 외부를 알루미늄 호일로 감싸 반폐쇄 측면에서 토양으로 들어오는 빛을 줄입니다.

2. 반폐쇄 생태계 설정 및 유지 관리

1. 씨앗에서 실험을 위해 식물을 성장시킵니다.
   1. 필요에 따라 시드를 계층화합니다.
   2. 씨앗을 이탄을 플러그 스톡으로 포함하는 표준 스티로블록 용기에 넣습니다.
   3. 묘목이 발아하면 수용성 식물 식품을 사용하여 일주일에 3번 묘목을 비옥하게 합니다(24-8-16).
   4. 묘목이 최소 3-5개월 동안 자라도록 하여 치료 반응을 위한 최적의 크기에 도달하도록 합니다.
      참고: 정확한 시간은 종의 크기와 유형에 따라 다릅니다. 묘목을 재배하지 않고 구입하는 경우 이 단계를 생략할 수 있습니다.
2. 온실에 반폐쇄 생태계를 배치합니다.
   1. (선택 사항) 반폐쇄 생태계의 무게를 지탱하기 위해 합판으로 온실 테이블을 강화합니다.
   2. 온실 베이 테이블 전체에 반폐쇄 생태계를 고르게 분포시켜 처리의 무작위 배치를 보장하고 환경 조건의 변화를 최소화합니다(그림 2).
   3. 저장 탱크로 적절하게 배수할 수 있도록 배관을 테이블 가장자리에 매달아 놓습니다(그림 2).
3. 저장 탱크 설정:
   1. 57L 개방형 플라스틱 산업용 드럼을 배수구 배관 아래에 놓습니다.
   2. 탱크 중앙과 하단 사이에 수중 파워헤드 순환 펌프를 설치하여 지속적인 탱크 내 혼합이 가능합니다. 전원 코드를 탱크 외부에 고정합니다.
4. 기판을 추가하고 포화시킵니다.
   1. 반폐쇄 생태계에 기판을 고르게 펴고 원하는 높이까지 적당한 압력으로 기판을 밟습니다.
      참고: 기질의 높이는 연구 목적과 식물 종에 따라 다릅니다.
   2. 기판을 역삼투압(RO) 물로 완전히 포화시키고 첨가된 물의 양을 측정합니다. 이것은 기질의 공극 물의 부피와 동일합니다.
      알림: 공극 물은 기판이 포화될 때 추가되는 물의 양으로, 수위가 기판의 상단과 일치할 때 관찰할 수 있습니다. 이 프로세스는 최대 하루가 걸릴 수 있습니다. 공극 물의 양은 시스템의 정확한 물의 양을 결정하고 유속을 계산하는 데 중요합니다.
5. 유량을 결정합니다.
   1. 선행 연구 및 연구 목표에 따라 보존 시간을 선택합니다.
   2. 반폐쇄 생태계의 총 물의 양을 계산합니다.
      
   3. 유량을 계산합니다.
      
6. 펌프 설치:
   1. 인접한 두 개의 반폐쇄 생태계 사이에 하나의 펌프를 배치합니다.
      참고: 필요한 경우 하나의 반폐쇄 생태계에 하나의 펌프를 사용할 수도 있습니다.
   2. 수-수 USB 케이블을 사용하여 모든 펌프를 함께 연결하고 마지막 펌프를 컨트롤러에 연결합니다.
   3. 밸브 내 튜브를 저장소에 담그고 제자리에 고정하거나 무게를 줄여 제자리에 유지합니다.
   4. 아웃 밸브 튜브를 반폐쇄 생태계의 뒤쪽 상단 모서리에 고정하여 흘수선 위에 유지되도록 합니다.
   5. 조류 성장을 방지하기 위해 튜브를 알루미늄 호일로 감쌉니다.
   6. 제조업체의 지침에 따라 펌프, 파워 바 및 컨트롤러를 설정하고 보정하십시오¹⁵.
   7. 계산된 유량으로 펌프를 조정합니다.
7. 식물 종을 심고 적응하십시오 :
   1. 온도를 조정하고 LED 성장 조명을 식물 성장에 최적의 수준으로 조정하는 동시에 식물 종을 반폐쇄 생태계에 맞게 조절합니다.
   2. 반폐쇄 생태계의 단위 면적당 동일한 바이오매스를 보장하기 위해 6-12개의 개별 식물 종을 고르게 심습니다.
      참고: 개체의 수는 연구 목적과 종의 생리학에 따라 변경될 수 있습니다(예: Typha latifolia 가 뿌리에 묶임에 따라 개체 수가 줄어들 수 있음).
   3. RO 수위를 점차적으로 높이고 1-2일 동안 하나의 수위를 유지하고 필요에 따라 PVC 파이프(1.4.2단계)를 수위와 일치하도록 교체합니다.
   4. 최종 원하는 유량으로 펌프를 켭니다.
   5. 원하는 수위에 도달하면 온실 조명과 온도를 실험 설정으로 조정하고 식물이 ~35일 동안 적응하도록 합니다.
8. 시스템을 비우고 세척합니다.
   1. PVC 스탠드 파이프를 제거하고 볼 밸브를 열어 시스템을 완전히 배수하십시오. 최대 2일이 소요될 수 있습니다.
   2. OSPW로 시스템을 세척하고 완전히 배수시켜 PVC 파이프가 꺼져 있고 볼 밸브가 열려 있는지 확인합니다. 플러싱 중에 사용된 OSPW가 실험 중에 사용되지 않는지 확인하십시오.
   3. 세척되면 볼 밸브를 닫고 원하는 수위에 맞게 PVC 파이프를 추가합니다.
9. OSPW 추가:
   1. 기질이나 식물을 방해하지 않도록 OSPW를 각 반폐쇄 생태계에 조심스럽게 붓고 원하는 수위에 도달할 때까지 채웁니다.
   2. 여러 배치의 물을 사용하는 경우 화학적 특성이 일관되는지 확인하거나 모든 반폐쇄 생태계에 고르게 분포됩니다.
   3. 저장 탱크 탱크를 OSPW로 채우고 상단에서 약 5cm의 공간을 남겨 둡니다.
10. 증발 관리:
    1. 필요에 따라 저수지 탱크에 RO 물을 다시 채우고 수위를 상단에서 약 5cm 아래로 유지합니다.

3. 샘플링

1. 식물 종 측정:
   1. 모든 보유 시간 주기마다 식물 건강 및 성장 지표를 측정합니다¹⁶. 식물 건강 지표에는 백화증 및 곤충 피해와 같은 눈에 띄는 스트레스 징후가 포함되며 식물 성장 지표에는 폐사율, 높이 및 % 피복률이 포함됩니다.
   2. 실험이 끝나면 원하는 경우 식물 지상 바이오매스 및 식물 조직 화학에 대한 샘플을 채취합니다.
      참고: 사용된 모니터링 간격 및 측정값은 NAFC가 식물 건강에 미치는 영향을 연구하는 데 권장되며 실험 목적에 따라 다를 수 있습니다.
2. 기판 측정:
   1. 기준선 특성화: 각 반폐쇄 생태계에 기질을 추가하기 전에 일련의 파라미터(예: pH, 전기 전도도(EC), 산화 환원 전위(ORP), 주요 음이온/양이온, 영양소, NAFC 및 기타 관련 오염 물질)을 측정합니다.
   2. 첫 번째 체류 주기 동안 각 반폐쇄 생태계에서 기질 샘플을 수집하여 일반 화학의 기준선을 얻습니다. 각 반폐쇄 생태계의 임의의 위치에서 기질 샘플을 수집합니다.
   3. 머무름 시간 주기마다 적절한 ORP 프로브를 사용하여 기질 ORP를 측정합니다.
   4. 실험이 끝나면 각 반폐쇄 생태계에서 기질 샘플을 수집하고 기준선 특성화와 동일한 매개변수(예: pH, EC, ORP, 주요 음이온/양이온, 영양소, NAFC 및 기타 관련 오염 물질)를 측정합니다.
3. 물 측정:
   1. 기준선 특성화: OSPW를 각 반폐쇄 생태계에 추가하기 전에 일련의 매개변수(예: pH, EC, ORP, 주요 음이온/양이온, 영양소, NAFC 및 기타 관련 오염 물질)를 측정합니다.
   2. 실험이 시작된 후 며칠(머무름 주기 1 종료) 후 각 반분모생태계에서 OSPW의 초기 샘플을 채취하여 OSPW 내의 퇴적물이 가라앉고 OSPW가 공극수 공간을 채울 수 있도록 합니다. 각 반폐쇄 생태계의 전면에서 OSPW 샘플을 수집합니다.
   3. 모든 머무름 시간 주기마다 참조된 기기를 사용하여 용존 산소(DO), ORP, pH, EC 및 온도를 측정합니다.
   4. 실험이 끝나면 최종 물 샘플을 수집하여 일반 화학을 측정하고 일련의 매개변수(예: DO, pH, EC, ORP, 주요 음이온/양이온, 영양소, NAFC 및 기타 관련 오염 물질)를 측정합니다.

그림 1: 반폐쇄 생태계 설계 및 실험 설정의 개략도. (A) 반폐쇄 생태계 구성 및 필요한 구성 요소의 개략도. (B) 저장소 배치와 함께 기질 및 식물 추가를 포함한 실험 설정 예. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 반폐쇄 생태계 및 저수지 레이아웃 예. (A) 알루미늄 호일이 없는 온실의 반폐쇄 생태계 및 저수지 탱크의 배치. (B) 빛의 침투를 제한하기 위해 반폐쇄 생태계를 감싸고 있는 알루미늄 호일이 있는 반폐쇄 생태계와 저수지 탱크를 보여주는 레이아웃으로, 2개의 반폐쇄 생태계당 하나의 펌프가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

결과

이 반폐쇄 생태계 구축 습지 프로토콜의 성공은 식물 종의 강력한 성장과 발달, 환경 매개변수에 대한 지속적인 모니터링, 시간이 지남에 따라 오염 물질의 효율적인 제거에 의해 입증됩니다. Trepanier et ^al.17 이 수집한 데이터는 이 방법의 효능과 예상 결과를 보여줍니다. 이 연구는 아한대 습지에서 흔히 발견되는 물사초인 Carex aquatilis의 능력을 평가하여 OSPW에서 NAFC를 감소시켰습니다. 이 연구는 OSPW 또는 실험실에서 만든 공정수를 사용하여 C. aquatilis 가 있는 반폐쇄 생태계의 성능을 식물이 없는 것과 비교했습니다. 반폐쇄 생태계는 10cm의 이탄 광물 혼합물(PMM)과 25cm의 OSPW가 층을 이룬 10cm의 굵은 모래 광미(CST)의 기판으로 구성되었습니다. 실험 전에 식물을 3개월 동안 평균 높이 83cm까지 성장시킨 다음 시스템에 이식했습니다. 식물이 반폐쇄 생태계에 적응하도록 RO 물을 첨가했으며(그림 3), 시스템은 32일 동안 20 ^°C로 유지되었습니다.

그림 3: 파종 및 RO 물 추가. (A) 변조된 기질의 추가 및 기질에 종을 심는 예. (B) 반폐쇄 생태계 전체에 걸쳐 식물 종의 균일한 분포. (C) 식물 적응 기간 동안 반폐쇄 생태계에 RO 물을 추가합니다. 약기 : RO = 역삼투. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

식물은 실험 전반에 걸쳐 높이와 덮개가 눈에 띄게 증가하면서 강력한 성장을 보여주었습니다(그림 4). 그림 5 는 C. aquatilis 의 꾸준한 성장을 추가로 보여주며, 안정기 40일째까지 약 150cm의 높이에 도달합니다. 이것은 C. aquatilis의 예상 성장 범위인 20-155cm 내에 있었습니다. 식물 생존율은 98%로 높았으며, 실험이 끝날 때까지 99%가 식물 조직이 살아 있었습니다. 그러나 대부분의 식물은 백화증, 괴사 및/또는 얼룩무늬의 징후를 보였으며 경우에 따라 잎이 변형되고 주름졌습니다¹⁷. 식물 상태에 대한 정기적인 모니터링은 해충 침입과 같은 잠재적인 문제를 식별하는 데 매우 중요합니다.

그림 4: 실험 시작과 끝에서 식물이 자라는 사진. 0일차부터 78일차까지 Carex aquatilis의 성장과 건강을 보여주는 예시 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: Carex aquatilis를 포함하는 반폐쇄 생태계에서 시간 경과에 따른 식물 높이. 반폐쇄 생태계에서 Carex aquatilis 의 평균 식물 높이(n = 48). Day 0은 OSPW가 시스템에 추가된 시간입니다. 식물 적응 기간은 OSPW가 추가되기 전에 반폐쇄 생태계에 RO 물이 포함된 기간을 말합니다. 오차 막대는 평균의 1 표준 편차를 나타냅니다. 이 그림은 Trepanier et ^al.17에서 발췌한 것입니다. 약어: RO = 역삼투; OSPW = 오일 샌드 공정의 영향을 받는 물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

적절한 산소 수준을 유지하는 것이 식물 건강과 CWTS의 효과적인 오염 물질 제거에 중요하기 때문에 최적의 시스템 성능을 보장하기 위해 물 DO 및 기질 산화 환원과 같은 주요 환경 매개변수를 정기적으로 모니터링했습니다. 기질 산화 환원 값은 실험 전반에 걸쳐 변동했으며, 이식되지 않은 반폐쇄 생태계는 50 mV에서 100 mV 사이의 산화 조건에 남아 있는 반면, C. aquatilis를 포함하는 반폐쇄 생태계는 때때로 0 mV에 접근했습니다. OSPW는 실험 내내 5ppm> DO 수준을 유지했으며, 특히 실험이 끝날 무렵에는 식물이 없는 반폐쇄 생태계에서 DO가 전반적으로 더 높았습니다(그림 6). 8ppm의 DO는 종종 식물 성장에 이상적인 것으로 간주됩니다. 그러나 5ppm 이상의 DO 값은 허용됩니다. 일상적인 모니터링을 통해 간헐적인 DO의 저하를 식별할 수 있으며, 이를 통해 펌프 기능 검증과 같은 시스템 점검을 요청하여 일관된 작동을 보장할 수 있습니다.

그림 6: 반폐쇄 생태계 내의 용존 산소 및 토양 산화 환원 측정. (A) OSPW의 용존 산소 및 (B) Carex aquatilis를 사용한 반폐쇄 생태계의 토양 산화 환원 잠재력 및 OSPW만 사용한 비식재 처리. 데이터 포인트는 4개의 반복 반폐쇄 생태계(n = 4)의 평균을 나타내며, 오차 막대는 평균의 1개의 표준 오차를 나타냅니다. 약어 : OSPW = 오일 샌드 공정의 영향을받는 물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 연구의 주요 목적은 반폐쇄 생태계 CWTS를 사용하여 OSPW의 NAFC 감쇠 가능성을 평가하는 것이었습니다. 그림 7 은 실험 전반에 걸쳐 NAFC 농도의 점진적인 감소를 보여주며 시스템의 효과를 보여줍니다. C. aquatilis 의 존재는 NAFC 제거를 강화하여 82일 동안 NAFC가 76% 감소(초기 72.1mg/L에서 최종 17.1mg/L)인 반면, 82일 동안 이식되지 않은 대조군 처리에서는 8.5%(초기 64.5mg/L에서 최종 59.0mg/L)¹⁷. NAFC의 농도를 성공적으로 감소시키고 건강한 식물 성장 및 유리한 환경 조건을 충족한 것은 반폐쇄 생태계 설정이 효과적으로 작동하고 있음을 확인시켜줍니다. 이러한 결과는 건설된 습지를 시뮬레이션하고 OSPW의 독성을 줄이는 데 CWTS의 역할에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 시스템의 능력을 보여줍니다.

그림 7: 반폐쇄 생태계에서 시간 경과에 따른 NAFC 농도. Carex aquatilis 를 사용한 반폐쇄 생태계의 나프텐산 분획 화합물 농도 및 OSPW만 사용한 심지 않은 처리. 데이터 포인트는 4개의 반복 반폐쇄 생태계(n = 4)의 평균을 나타내며, 오차 막대는 평균의 1개의 표준 오차를 나타냅니다. 평균 간의 문자가 다르면 유의한 차이를 나타냅니다(P < 0.05). 이 그림은 Trepanier et ^al.17에서 발췌한 것입니다. 약어: OSPW = 오일 샌드 공정의 영향을 받는 물; NAFC = 나프텐산 분획 화합물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

CWTS는 많은 폐수에 대한 수동적이고 비용 효율적인 처리로 사용되어 왔습니다¹³; 그러나 NAFC 감쇠 7,8,9,10,11,12,17,18에 대한 OSPW를 처리하는 비교적 새로운 방법입니다. 이 논문에 설명된 방법을 사용하여 다양한 설계 매개변수를 평가하여 CWTS의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

반폐쇄는 그림 1과 같이 조립되어 적절한 배수 배관이 설치되었는지 확인합니다. 배출구를 막는 기판으로 인한 잠재적인 흐름 문제 또는 고르지 않은 체류 시간을 방지하기 위해 필터 스크린이 있는 호스 와셔를 하단 배수 플러그에 배치하고 상단 배수 구멍을 기판 레벨 위에 배치합니다. 이러한 조치에도 불구하고 막힘이 발생하면 배수 오거 또는 공기 압력을 사용하여 막힘을 제거할 수 있습니다.

반폐쇄 생태계는 합판으로 보강된 온실 테이블에 배치되며, 물 재순환을 위해 테이블 끝에 저수지 양동이가 배치됩니다. 물은 중력 흐름을 사용하여 시스템을 통해 순환하여 입구 호스에서 들어가고 표면 배수 구멍 끝에서 빠져 나와 저장소로 다시 순환합니다. 보존 시간(일)은 이전에 건설된 습^{지 연구7}에 기초하여 선택되었다. 수중 순환 펌프는 저장소의 지속적인 혼합을 보장하는 데 사용됩니다. 도징 펌프는 반폐쇄 생태계와 저장소 사이의 물 이동을 용이하게 하는 데 사용됩니다. 하나의 도징 펌프를 두 개의 반폐쇄 생태계에 연결할 수 있습니다. 펌프는 원하는 유속과 체류 시간을 달성하기 위해 실험 목표에 따라 설정되어야 합니다.

반폐쇄 형성 후, 기질은 반폐쇄 생태계에 고르게 포장되고, 식물이 이식되고, RO 물이 추가됩니다. RO 물은 실험을 시작하기 전에 건강한 식물이 잘 작동하는 시스템을 보장하기 위해 식물 적응 기간 동안 초기에 사용됩니다. 적응 기간이 끝나면 반폐쇄를 배수하고 24시간 동안 100% OSPW로 플러시하여 공극수를 교체한 다음 실험을 시작하기 전에 OSPW로 다시 채웁니다.

완료해야 하는 주요 측정에는 식물 건강 및 성장 지표, 기질 및 수질 화학 매개변수, 대상 오염 물질의 농도가 포함됩니다. 물과 기질 매개변수의 일상적인 측정은 반폐쇄 생태계가 예상대로 작동하는지 확인하기 위해 사이클당 한 번 수행됩니다. DO, ORP, pH 및 전도도를 포함한 수질 매개변수는 YSI Professional Plus Multiparameter 기기를 사용하여 사이클당 한 번 측정하는 것이 좋습니다. 토양, ORP 및 물 DO는 반폐쇄 생태계가 호기성 조건을 유지하는지 확인하기 위해 모니터링해야 하는 주요 매개변수입니다.

설명된 방법은 적응성이 뛰어나며 치료 목표에 따라 변경될 수 있습니다. 주요 처리 수정에는 식물 종, 여러 식물 종의 사용, 체류 시간, 환경 조건, 기질 구성 및 깊이, 비료 첨가가 포함되지만 이에 국한되지 않습니다. 식물 종은 식물의 생존과 식물 정화 효과를 향상시키는 특성에 따라 선택해야 합니다. 지역 기후에 적응한 토착 습지 식물 종을 선택하면 성공적인 성장과 생존 가능성이 높아진다 11,13,14. CWTS에 사용하기에 적합한 식물 종에는 깊고 넓은 뿌리, 강한 뿌리 줄기, 빠른 성장, 충분한 산소 운반을 발달시키고 염분 영향을 상쇄하는 메커니즘을 가진 식물 종이 포함됩니다^{17 , 19 , 20} . 식물 다양성이 증가하면 CWTS의 효능에 대한 확실성이 감소할 수 있으므로 식물 종의 혼합물을 심는 것을 피하는 것이 좋습니다. 특히 한 식물이 우세하게 되면 CWTS가 어떻게 행동할지 모델링하기 어렵다¹⁴. 선택된 식물 종은 또한 증발산에 영향을 미치며, 이는 염분 및 기타 오염 물질의 농도 효과를 가질 수 있습니다.

시스템에서 증발산이 고려되도록 하는 것이 중요합니다. RO-water로 OSPW 수준이 유지되도록 합니다. 도시 또는 비 RO 물의 사용은 다른 성분 (예 : 염화물, 칼슘, 불소)의 증가로 이어질 수 있으며, 이는 반폐쇄 생태계 연구 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 머무름 시간을 변경하면 폭기에 도움이 될 수 있으며, 반폐쇄 생태계 내의 다양한 구성 요소와 수준이 혐기성이 되어 미생물 군집과 식물 건강에 영향을 미치지 않도록 할 수 있습니다.

펄스 또는 간헐적 유입을 사용하여 자연 습지 역학(즉, 폭풍 현상 및 계절적 유출)을 시뮬레이션할 수 있습니다. 환경 변수(온도, 조명 조건 및 계절적 변화)가 연구 영역의 변수와 유사한지 확인하는 것은 시스템에 영향을 미칠 새로운 변수의 수를 줄이고 이러한 변수가 NAFC 감쇠에서 CWTS의 효율성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석을 줄이기 때문에 작업을 대규모 CWTS로 외삽하는 데 중요합니다. 더 큰 규모의 CWTS에 사용할 수 있는 반폐쇄 생태계용 기질을 선택하면 향후 설계에 정보를 제공하고 치료 시스템의 효능을 높이는 데 도움이 될 것입니다. 오일샌드 채굴에서 굵은 모래 광미와 이탄-광물 혼합물은 기질이며, 식물 건강을 개선하고, 유익한 미생물 군집을 늘리고, NAFC의 감쇠를 돕기 위한 최적의 기질을 결정하기 위해 이전에 반폐쇄 생태계 연구에서 테스트되었습니다¹⁷.

이 방법의 주요 한계는 반폐쇄 생태계의 크기와 깊이가 제한되어 뿌리 성장에 영향을 미치고 식물이 뿌리에 묶일 수 있다는 것입니다. 이러한 제약 조건은 실험 기간 및/또는 사용되는 개별 플랜트의 수를 줄임으로써 극복할 수 있습니다. 동일한 반폐쇄 생태계에서 여러 종을 사용하는 경우 경쟁으로 인한 시너지 효과 또는 추가 효과가 있을 수 있습니다. 궁극적으로 반폐쇄 생태계의 크기와 깊이로 인해 실험 기간이 단축되어 수집되는 데이터의 양이 제한될 수 있습니다. 장기적인 실험을 통해 식물 찌꺼기와 뿌리 삼출물의 축적 및 느린 분해를 통해 유기물이 시스템에 추가될 때 발생하는 영양소 순환과 같은 과정을 조사할 수 있습니다. 이는 미생물 군집과 오염 물질의 감쇠 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 이 반폐쇄 생태계 설계의 상대적으로 짧은 실험 기간은 향후 실험을 향상시키는 데 사용할 수 있는 빠른 피드백을 제공합니다. 반폐쇄 생태계에 영양소를 추가할 수 있습니다. 그러나 첨가되는 비료의 종류와 양은 조류 대발생을 방지하기 위해 광범위한 모니터링이 필요합니다.

온실의 조건은 최적의 성장 환경을 조성하도록 설정됩니다. 온도 범위는 해당 지역의 계절 온도를 적절하게 반영하도록 설정되며, 자연적인 일주일 변동을 시뮬레이션하기 위해 점진적인 변화가 구현됩니다. 습도 수준은 또한 지역 기후를 대표하는 범위 내에서 변하도록 관리됩니다. 또한 온실은 지정된 일광 시간 동안 약 200W/m²의 주변 일광에 해당하는 25,000lux를 수신하도록 설계되었습니다. 일관된 광 강도를 보장하기 위해 자연광 수준이 이 임계값 이하로 떨어질 때마다 LED 조명이 활성화됩니다. 온실을 사용하는 것도 한계가 있습니다. 온실은 통제된 환경을 제공하지만 해충 침입, 온실 효과 및 부자연스러운 환경 조성과 같은 고유한 문제를 제시할 수도 있습니다. 해충 감염은 온실 환경에서 특히 흔하며 식물의 건강과 성장에 영향을 미칠 수 있습니다. 살충제 사용을 줄이려면 자연 포식자나 물리적 해충 제거가 좋은 대안입니다. 이러한 어려움에도 불구하고 온실은 개별 매개변수를 정밀하게 제어하고 검사할 수 있기 때문에 파일럿 연구를 수행하기에 최적의 환경으로 남아 있습니다¹⁴.

이 방법은 반폐쇄 생태계 실험을 설계하는 여러 접근 방식 중 하나입니다. 파일럿 규모의 CWTS 실험은 실외 ^10,21 또는 실내 ^4,17에서 수행 할 수 있습니다. 실외 반폐쇄 생태계는 복잡하고 예측할 수 없는 방식으로 상호 작용할 수 있는 다변량 환경 요인의 영향을 받습니다. 이러한 상호 작용으로 인해 개별 변수를 모델링하거나 관찰된 결과를 유도하는 특정 메커니즘을 설명하는 것이 어렵습니다. 결과적으로 CWTS 성능에 기여하는 요인을 확인하고 시스템 설계를 개선할 수 있는 기회를 식별하기가 어려워집니다. 그러나 그들은 본격적인 CWTS 조건¹⁴을 더 밀접하게 복제합니다. 반면, 실내 반폐쇄 생태계는 보다 통제된 환경을 제공하여 자연 및 기타 외부 영향의 영향을 최소화하여 프로세스를 더 쉽게 이해하고 성능을 향상시킬 수 있는 설계 매개변수를 식별할 수 있습니다.

CWTS 설계는 일반적으로 수평 표면 흐름 ^4,10,17,18 또는 수직 지하 흐름¹⁸을 특징으로 합니다. 여기에 설명된 방법은 수평 표면 흐름 반폐쇄 생태계 설계를 나타냅니다. 수직 유동 시스템은 중력에 의존하여 수직 물의 이동을 촉진하여 더 나은 산소화를 제공하고 더 적은 공간을 필요로 하는 반면, 수평 유동 시스템은 보다 안정적인 조건을 유지하고¹⁰ 식물 정화 잠재력을 향상시킵니다²². 반폐쇄 생태계는 필수 구성 요소를 테스트하고 미래의 대규모 응용 분야를 위한 효율성을 향상시켜 주변 환경의 재현 가능성 및 제어를 허용하고 개별 실험 매개변수의 분리 및 측정을 가능하게 하는 동시에 생체 변화 및 화학적 소산 경로를 추적함으로써 CWTS 개발에 상당한 이점을 제공합니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-inch x 4-inch x 12 ft Lumber	Any Supplier	N/A
3/4-inch Brass PEX Ball Valve	Any Supplier	N/A
3/4-inch Copper PEX Crimp Ring for PEX Pipe	Any Supplier	N/A
3/4-inch IPEX Schedule 40 PVC 90° Welding Street Elbow	Any Supplier	N/A
3/4-inch PEX Stick White	Any Supplier	N/A	For the outside of the mesocosm
3/4-inch PEX x 3/4-inch MPT Brass adapter	Any Supplier	N/A
3/4-inch Plastic Expansion Elbow Fitting for PEX	Any Supplier	N/A
3/4-inch Plastic Expansion Tee for PEX	Any Supplier	N/A
3/4-inch PVC Bulkhead Fitting Water Tank Connector Adapter	Any Supplier	N/A
3/4-inch PVC Schedule 40 / 90 Degree Elbow	Any Supplier	N/A
3/4-inch PVC Schedule 40 Male Adapter	Any Supplier	N/A
3/4-inch PVC White	Any Supplier	N/A	For the inside of the mesocosm
4-inch Wood Screws	Any Supplier	N/A
Aluminum Foil	Any Supplier	N/A
Aquarium Submersible Powerhead Circulation Pump	Any Supplier	N/A	Suction cup or magnetic
Hose Washer	Any Supplier	N/A
Miracle Grow water-soluble plant food	Miracle Grow	N/A	24-8-16 formula
Neptune Apex A3 Aquarium Controller and Power Bar	Neptune Systems	N/A
Neptune Apex DOS Quiet Drive Dosing Pump	Neptune Systems	N/A
Neptune AquaBus Cable - 15-Foot Male/Male	Neptune Systems	N/A
Neptune DOS DDR Tubing	Neptune Systems	N/A
Open Top Plastic Industrial Drum	Any Supplier	N/A	57 L
Petri dish	Any Supplier	N/A	For seed stratication
Peat	Any Supplier	N/A
Polypropylene Tank	D&M Plastics Inc.	RW1016	50.8 cm height × 33.0 cm width × 129.5 cm length; 248.1 L
Silicone All-Purpose Waterproof Sealant (Aquarium Grade)	Any Supplier	N/A
Standard styroblock containers (415A)	Any Supplier	N/A
Teflon Tape	Any Supplier	N/A
YSI Professional Plus Multiparameter instrument	YSI Inc.	6050000