תכנון ביצות בנוי בקנה מידה מזוקוסמוס לטיפול בשפכים

מערכות בנויות לטיפול בביצות שימשו במשך עשרות שנים לטיפול בשפכים, אך היישום שלהן לטיפול במים המושפעים מתהליך חולות הנפט הוא חדש יחסית. כדי לחקור את הפוטנציאל הזה, מתוארים תכנון מזוקוסמוס של זרימת פני השטח ושיטות ניסוי. גישה זו נועדה לשפר את ההבנה שלנו לגבי פרמטרי עיצוב מרכזיים ולשפר את יעילות הטיפול.

מים המושפעים מתהליך חולות נפט (OSPW), תוצר לוואי של הפקת ביטומן באמצעות כרייה עילית באלברטה, קנדה, מכילים מרכיבים שונים מדאיגים, כולל תרכובות שבר חומצה נפתנית (NAFCs). תרכובות אורגניות אלו מדאיגות במיוחד בשל רעילותן והתמדתן בסביבה. מערכות בנויות לטיפול בביצות (CWTS) משתמשות בצמחים ובחיידקים הקשורים אליהם כדי להחליש מזהמים בשפכים. CWTS בקנה מידה שדה הוצגו כאפשרות טיפול פוטנציאלית בקנה מידה גדול עבור OSPW, במיוחד עבור NAFCs משפילים. כדי לייעל את השימוש ב-CWTS לטיפול בקנה מידה גדול ב-NAFCs ב-OSPW, חיוני להעמיק את ההבנה שלנו בפרמטרי עיצוב שונים ולחקור דרכים לשיפור היעילות.

ניסויים בקנה מידה מזוקוסמוס משמשים כמתווך רב ערך, המגשר על הפער בין ניסויי שדה מורכבים לסביבות מעבדה מבוקרות. מזוקוסמוס מספק סביבה מבוקרת וניתנת לשכפול לחקר ההשפעות של פרמטרים שונים כגון מצע, מיני צמחים, טמפרטורה וזמן שימור תוך שילוב מורכבויות אקולוגיות בעיצובם. עבודות שפורסמו וקודמות הראו כי שיטה זו מצליחה להעריך את ההשפעות של פרמטרים שונים על היעילות של CWTS להחלשת NAFCs ב-OSPW. פרוטוקול זה מתאר את התכנון וההגדרה של מזוקוסמוס ביצות עם זרימת פני השטח, יחד עם הגישה הניסיונית לטיפול ב-NAFCs ב-OSPW. ניתן להתאים שיטה זו לטיפול בשפכים אחרים במיקומים גיאוגרפיים מגוונים.

אזור חולות הנפט בצפון אלברטה, קנדה, מכיל את עתודות הנפט השלישיות בגודלן בעולם, המפיק למעלה מ-3 מיליון חביות נפט גולמי^{מדי יום}. עם זאת, הפקת ביטומן מכרייה עילית מייצרת כמויות משמעותיות של פסולת ומים המושפעים מתהליך חולות נפט (OSPW) כתוצרי לוואי. בשל מדיניות אפס ההזרמה של אלברטה, תוצרי לוואי אלה מאוחסנים בבריכות פסולת ברחבי אזור חולות הנפט הניתנים לכרייה. נכון לשנת 2023, כ-391.1 מ"מ³ של OSPW קיימים כמים חופשיים בבריכות פסולת ואינם כוללים את מי הנקבוביות שימשיכו להשתחרר במהלך התיישבות הפסולת². OSPW מכיל <5% מוצקים ומאופיין ברמות גבוהות של מלחים, מתכות קורט, כמו גם מזהמים אורגניים³.

מספר סוגים עיקריים של מזהמים קיימים ב-OSPW, כולל תרכובות שבר חומצה נפתנית (NAFCs), פחמימנים ארומטיים פוליציקליים (PAHs), BTEX (בנזן, טולואן, אתילבנזן וקסילנים), פנולים ומתכות כבדות ^3,4. NAFCs הם תרכובות אורגניות בביטומן המסיסות ומרוכזות במהלך תהליך המיצוי ומזוהות באופן עקבי כמקור העיקרי לרעילות חריפה OSPW ^5,6. OSPW מציב מספר אתגרים סביבתיים וכלכליים בשל הנפח, המורכבות והרעילות של התערובת. פיתוח טכנולוגיות טיפול חסכוניות, פסיביות וניתנות להרחבה עבור OSPW הוא קריטי מכיוון ששיטות קונבנציונליות, כגון חמצון וסינון כימיים, נותרות מוגבלות בהיתכנותה ליישומים בקנה מידה גדול. מערכות טיפול ביצות בנויות (CWTS) הן מערכות טיפול במים בעלות אנרגיה נמוכה, חסכוניות ובנות קיימא המסתמכות על שימוש בצמחים ובחיידקים הקשורים אליהם כדי להחליש מזהמים בשפכים; הם התגלו כחלופה מבטיחה לטיפול ב-OSPW 7,8,9,10,11,12.

CWTS הם אדמות ביצות מהונדסות שנועדו לשכפל את פונקציות הסינון של אדמות ביצות טבעיות. תוכנן במקור לטיפול במי סערה ובשפכים עירוניים, CWTS משמש כעת למגוון רחב של יישומים, כולל פסולת חקלאית, ניקוז מכרות חומצה, שפכים תעשייתיים ומאמצי תיקון אחרים¹³. למערכות אלו שלושה מרכיבים בסיסיים: מצע, מים וצמחייה. ניתן לתכנן CWTS כמערכות זרימה עילית או תת קרקעית, כאשר תנועת מים מוגדרת לזרום אופקית או אנכית^13,14. צמחי ביצות הידרופיטיים נמצאים בשימוש נרחב ב-CWTS בשל הסתגלותם לתנאי קרקע רוויים בהתמדה. באופן כללי, CWTS משתמש בדרך כלל במיני צמחים מתעוררים כגון Typha sp. (cattails), Juncus sp. (ראש) ו-Carex sp. (גומאים).

CWTS משתמשת במנגנונים שונים לטיפול במים. מוצקים מרחפים יכולים לספוג מזהמים ולהתייצב, וליצור מצע משקעים המקדם את צמיחת הצמח. בנוסף, צמחים יכולים להעביר או לשנות מזהמים מומסים באמצעות שילוב של מנגנונים ביוטיים ואביוטיים. מנגנונים אביוטיים כוללים סינון, שקיעה, משקעים, ספיגה, חמצון/הפחתה כימית, קומפלקסציה, פירוק פוטו ונידוף. תהליכים ביוטיים כוללים טרנספורמציה ביולוגית (מיקרוביאלית או בתיווך צמחי), הצטברות פיטו, ויציבות פיטו-13,14. CWTS מציעים יתרונות משמעותיים כמערכות המקיימות את עצמן שבדרך כלל הופכות ליעילות יותר עם הזמן¹⁴. מערכות אלו הן רב-תכליתיות ומסוגלות לטפל במספר מזהמים בו זמנית תוך היותן בנות קיימא מבחינה סביבתית ומקובלות על הציבור. יתר על כן, עלויות התפעול וההון הנמוכות שלהם בהשוואה לשיטות טיפול קונבנציונליות הופכות אותם למתאימים היטב לטיפול בכמויות גדולות של שפכים, כגון OSPW. עם זאת, המורכבות של התהליכים האביוטיים והביוטיים השונים המתרחשים בו זמנית ב-OSPW דורשת תכנון קפדני כדי לייעל את CWTS ליעילות טיפול מקסימלית. הבנה ברורה של יעדי הטיפול, בשילוב עם בדיקות שיטתיות בספסל המעבדה, פיילוט וסולמות הדגמה, חיונית לאופטימיזציה של המערכת ולניבוי הצלחת היישום בקנה מידה מלא¹⁴.

ניסויים בקנה מידה פיילוט, הנקראים לעתים קרובות ניסויי מזוקוסמוס, נערכים בדרך כלל באמצעות אמבטיות או מיכלים המדמים תאי טיפול בודדים. מזוקוסמוס יכול להתבצע בפנים או בחוץ כניסוי מבוסס שדה. מזוקוסמוס הן מערכות סגורות חלקית המציעות מורכבות אקולוגית גדולה יותר מאשר ניסויים בקנה מידה ספסל, תוך שמירה על בקרה ושכפול מספיקים כדי להעריך את ההשפעות של פרמטרים עיצוביים בודדים על הסרת מזהמים. מחקרי קנה מידה מזוקוסמוס נחוצים כדי לאשר מנגנוני טיפול ולחשוף סיבוכים בקנה מידה קטן יותר, שבו ניתן ליישם תיקונים והתאמות תכנון¹⁴. פרוטוקול זה מתאר את ההגדרה והתפעול של CWTS זרימת פני שטח אופקית בקנה מידה מזוקוסמוס, המספק מסגרת מעשית לתכנון מחקרי CWTS, במיוחד להנחתה של NAFCs ב-OSPW.

1. בניית מזוקוסמוס

הערה: ראה טבלת חומרים לרשימה מקיפה של חומרים הנדרשים לבניית מזוקוסמוס ואיור 1 לסכימה של בניית מזוקוסמוס.

1. הסר את החלק העליון של מיכל הפוליאתילן (129.5 ס"מ על 30.0 ס"מ) במידת הצורך.
2. הכן חורי ניקוז; קדחו שני חורים (חלקים #1 ו-#2) באותו צד של מיכל הפוליפרופילן. הנח התאמת מחיצה PVC (חלק #3) לתוך שני החורים כשהחוטים הזכריים פונים כלפי חוץ. אטום את הקצה החיצוני של אביזר המחיצה באמצעות חומר איטום עמיד למים.
   1. חור ניקוז מי קרקע (חלק #2): מקם אותו בבסיס הפינתי של המיכל, וודא שיש מספיק מקום להתאמת המחיצה.
   2. חור ניקוז מים עיליים (חלק #1): הנח אותו מעל גובה מפלס האדמה, קרוב למרכז המיכל.
3. הנח מכונת כביסה לצינור (חלק #4) עם מסך מסנן (חלק #5) בחלק הפנימי של אביזר המחיצה ואבטח אותו עם חומר איטום.
4. הגדר אינסטלציה פנימית לניקוז:
   1. עבור חור ניקוז המים העיליים (חלק #1), חבר תחילה את מתאם הזכר PVC (חלק #10) למתקן המחיצה (חלק #3) ואחריו את מרפק ה-PVC 90° (חלק #11).
   2. הכנס חתיכת צינור PVC (חלק #12) חתוך כך שיתאים לגובה מפלס המים הרצוי למרפק 90°.
5. הגדר צנרת ניקוז חיצונית. לאורך השלבים הבאים, השתמש בטבעות לחיצה כדי לאבטח את PEX לאביזרים.
   1. עטפו סרט טפלון סביב החוטים של מתאם פליז MPT בגודל 3/4 אינץ' PEX x 3/4 אינץ' (חלק #6) וחברו לאביזרי המחיצה (חלק #3).
   2. חותכים שני אורכים שווים של 3/4 אינץ' PEX (חלק #7) ומחברים למתאמי פליז MPT (חלק #6).
   3. הוסף התאמת מרפק הרחבה מפלסטיק לצינור ה-PEX (חלק #7), פונה כלפי מטה לחור ניקוז המים העיליים ופונה למרכז המיכל לחור ניקוז האדמה.
   4. עבור חור ניקוז האדמה (חלק #2), חבר צינור PEX למרפק, ואחריו שסתום כדור, קטע PEX נוסף וטי הרחבה מפלסטיק. התאם את אורכי ה-PEX כדי ליישר את החלק העליון של טי ההרחבה עם צנרת ניקוז המים העיליים.
   5. עבור חור ניקוז המים העיליים, חבר צינור PEX למרפק הרחבת הפלסטיק, וקשר אותו לטי ההרחבה.
   6. לאחר חיבור המערכת, הוסף חתיכה נוספת של PEX (חלק #7) לטי ההרחבה מפלסטיק, ומסתיים במרפק הרחבה מפלסטיק הפונה כלפי מטה.
   7. הוסף חתיכה נוספת של PEX (חלק #7) לתחתית אביזר מרפק הרחבת הפלסטיק כדי להבטיח שהמים מתנקזים למיכל המאגר.
6. הגדל את השלמות המבנית של המזוקוסמוס:
   1. בנה מסגרת (חלק #13, אורך 129.5 ס"מ x רוחב 37.0 ס"מ) באמצעות חתיכות עץ בגודל 2 אינץ' x 4 אינץ'.
   2. אבטח את המסגרת בעזרת ברגי עץ.
   3. הנח את המסגרת על המזוקוסמוס, וודא שהיא לא יושבת על אביזרי האינסטלציה.
   4. עטפו את החלק החיצוני של המזוקוסמוס בנייר אלומיניום כדי להפחית את כניסת האור לאדמה מדפנות המזוקוסמוס.

2. הגדרה ותחזוקה של מזוקוסמוס

1. לגדל צמחים לניסוי מזרע:
   1. שכבדו זרעים לפי הצורך.
   2. הכניסו את הזרעים למיכלי סטירובלוק סטנדרטיים המכילים כבול כפקק.
   3. לאחר שהשתילים נבטו, יש לדשן את השתילים 3 פעמים בשבוע באמצעות מזון צמחי מסיס במים (24-8-16).
   4. תן לשתילים לגדול לפחות 3-5 חודשים כדי להבטיח שהם יגיעו לגודל אופטימלי לתגובה לטיפול.
      הערה: משך הזמן המדויק יהיה תלוי בגודל ובסוג המין. שלב זה עשוי להיות מושמט אם שתילים נרכשים ולא מגדלים.
2. מניחים את המזוקוסמוס בחממה:
   1. (אופציונלי) חיזוק שולחנות חממה עם דיקט כדי לתמוך במשקל המזוקוסמוס.
   2. פזרו את המזוקוסמוס באופן שווה על פני שולחנות מפרץ החממה כדי להבטיח מיקום אקראי של טיפולים ולמזער שינויים בתנאי הסביבה (איור 2).
   3. מקם את הצנרת כך שתלויה מקצה השולחן לניקוז תקין לתוך מיכל המאגר (איור 2).
3. הגדר את מיכל המאגר:
   1. הנח את תוף הפלסטיק התעשייתי הפתוח בנפח 57 ליטר מתחת לצנרת הניקוז.
   2. התקן משאבת זרימה טבולה בין אמצע לתחתית המיכל כדי לאפשר ערבוב רציף בתוך המיכל. אבטח את כבל החשמל לחלק החיצוני של המיכל.
4. הוסף והרווי את המצע:
   1. מורחים את המצע באופן שווה במזוקוסמוס ומהדקים את המצע בלחץ מתון לגובה הרצוי.
      הערה: גובה המצע תלוי במטרות המחקר ובמיני הצמחים.
   2. להרוות את המצע במלואו במי אוסמוזה הפוכה (RO), למדוד את נפח המים שנוספו; זה שווה ערך לנפח מי הנקבוביות במצע.
      הערה: מי הנקבוביות הם נפח המים שנוספו כאשר המצע רווי, אותו ניתן לראות כאשר מפלס המים תואם את החלק העליון של המצע. תהליך זה עשוי להימשך עד יום. נפח מי הנקבוביות חשוב כדי לקבוע את כמות המים המדויקת במערכת ולחשב את קצב הזרימה.
5. קבע את קצב הזרימה:
   1. בחר זמן שמירה על סמך מחקרים קודמים ויעדי מחקר.
   2. חשב את נפח המים הכולל במזוקוסמוס.
      
   3. חשב את קצב הזרימה.
      
6. התקן את המשאבות:
   1. מקם משאבה אחת בין שני מזוקוסמוסים סמוכים.
      הערה: ניתן להשתמש במשאבה אחת גם למזוקוסמוס אחד במידת הצורך.
   2. חבר את כל המשאבות יחד באמצעות כבל USB זכר-זכר, המחבר את המשאבה האחרונה לבקר.
   3. טבלו את הצינור בתוך השסתום במאגר, אבטחו או שקלו אותו כדי להישאר במקומו.
   4. אבטח את צינור השסתום החיצוני לפינה העליונה האחורית של המזוקוסמוס, וודא שהוא נשאר מעל קו המים.
   5. עטפו את הצינור בנייר אלומיניום כדי לסייע במניעת צמיחת אצות.
   6. הגדר וכייל את המשאבות, סרגל החשמל והבקר בהתאם להוראות היצרן¹⁵.
   7. התאם את המשאבות לקצב הזרימה המחושב.
7. לשתול ולאקלם את מיני הצמחים:
   1. התאם את הטמפרטורה ואת נורות הגידול LED לרמות אופטימליות לגידול צמחים תוך התאמת מיני הצמחים למזוקוסמוס.
   2. שתלו 6-12 מיני צמחים בודדים באופן שווה כדי להבטיח ביומסה שווה ליחידת שטח במזוקוסמוס.
      הערה: מספר הפרטים עשוי להשתנות בהתאם למטרות המחקר ולפיזיולוגיה של המין (למשל, כאשר Typha latifolia הופך להיות קשור לשורש, מספר הפרטים עשוי להצטמצם).
   3. העלו בהדרגה את מפלס המים RO, שמרו על מפלס מים אחד למשך 1-2 ימים, והחליפו את צינור ה-PVC (שלב 1.4.2) לפי הצורך כדי להתאים למפלס המים.
   4. הפעל את המשאבות עם קצב הזרימה הרצוי הסופי.
   5. לאחר הגעה למפלס המים הרצוי, התאם את אור החממה והטמפרטורה להגדרות הניסוי ואפשר לצמחים להתאקלם במשך ~35 יום.
8. מסננים ושוטפים את המערכת:
   1. הסר את צינור ה- PVC ופתח את שסתום הכדור כדי לנקז את המערכת לחלוטין; התהליך עשוי להימשך עד יומיים.
   2. שטפו את המערכת עם OSPW ותנו לה להתנקז לחלוטין, וודאו שצינור ה-PVC נשאר כבוי ושסתום הכדור פתוח. ודא שלא נעשה שימוש ב-OSPW המשמש במהלך השטיפה במהלך הניסוי.
   3. לאחר השטיפה, סגור את שסתום הכדור והוסף את צינור ה-PVC כך שיתאים למפלס המים הרצוי.
9. הוסף OSPW:
   1. יוצקים בזהירות את ה-OSPW לכל מזוקוסמוס כדי למנוע הפרעה למצע או לצמחים, וממלאים עד להגעה למפלס המים הרצוי.
   2. אם משתמשים במספר קבוצות מים, ודא שהתכונות הכימיות עקביות, או פזר באופן שווה על פני כל המזוקוסמוס.
   3. מלאו את מיכל המאגר ב-OSPW, והשאירו כ-5 ס"מ של מקום מלמעלה.
10. נהל אידוי:
    1. מלאו מחדש את מיכל המאגר במי RO לפי הצורך, תוך שמירה על מפלס המים כ-5 ס"מ מתחת לחלק העליון.

3. דגימה

1. מדידות מיני צמחים:
   1. בכל מחזור זמן שמירה, מדוד מדדי בריאות וצמיחה של הצמח¹⁶. מדדי בריאות הצמח כוללים סימני לחץ גלויים כגון כלורוזיס ונזק לחרקים, בעוד שמדדי צמיחת הצמח כוללים תמותה, גובה ואחוז כיסוי.
   2. בסוף הניסוי, קח דגימות לביומסה של צמחים מעל הקרקע וכימיה של רקמות צמחים אם תרצה.
      הערה: מרווחי הניטור והמדידות המשמשות מומלצים לחקר ההשפעה של NAFCs על בריאות הצמח ועשויים להשתנות בהתאם למטרות הניסוי.
2. מידות מצע:
   1. אפיון בסיסי: לפני הוספת מצעים לכל מזוקוסמוס, מדוד חבילת פרמטרים (למשל, pH, מוליכות חשמלית (EC), פוטנציאל חמצון-הפחתת (ORP), אניונים/קטיונים עיקריים, חומרים מזינים, NAFCs וכל מזהם רלוונטי אחר).
   2. במהלך מחזור השמירה הראשון, אסוף דגימות מצע מכל מזוקוסמוס כדי לקבל קו בסיס לכימיה כללית. אסוף דגימות מצע ממיקומים אקראיים בכל מזוקוסמוס.
   3. בכל מחזור זמן שמירה, מדוד את ORP המצע באמצעות בדיקת ORP מתאימה.
   4. בסוף הניסוי, אספו דגימות סובסטרט מכל מזוקוסמוס ומדדו את אותם פרמטרים כמו באפיון הבסיס (למשל, pH, EC, ORP, אניונים/קטיונים עיקריים, חומרים מזינים, NAFCs וכל מזהם רלוונטי אחר).
3. מדידות מים:
   1. אפיון בסיסי: לפני הוספת ה-OSPW לכל מזוקוסמוס, מדוד חבילת פרמטרים (למשל, pH, EC, ORP, אניונים/קטיונים עיקריים, חומרים מזינים, NAFCs וכל מזהם רלוונטי אחר).
   2. לאחר תחילת הניסוי, קחו דגימות ראשוניות של OSPW מכל מזוקוסמוס לאחר מספר ימים (סוף מחזור השמירה 1) כדי לאפשר למשקעים בתוך ה-OSPW להתיישב ול-OSPW למלא את חלל המים הנקבוביים. אסוף את דגימות ה-OSPW מהחלק הקדמי של כל מזוקוסמוס.
   3. בכל מחזור זמן שמירה, מדוד חמצן מומס (DO), ORP, pH, EC וטמפרטורה באמצעות המכשיר המוזכר.
   4. בסוף הניסוי, אספו דגימות מים סופיות למדידת כימיה כללית, מדדו חבילת פרמטרים (למשל, DO, pH, EC, ORP, אניונים/קטיונים עיקריים, חומרים מזינים, NAFCs וכל מזהם רלוונטי אחר).

איור 1: סכמטי של תכנון המזוקוסמוס ומערך הניסוי. (A) סכמטי של מבנה המזוקוסמוס והרכיבים הנדרשים. (ב) מערך ניסוי לדוגמה, כולל תוספת מצע וצמח, יחד עם מיקום המאגר. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: דוגמה למזוקוסמוס ופריסת מאגר. (א) פריסת מזוקוסמוס ומכלי מאגר בחממה ללא רדיד אלומיניום. (B) פריסה שמציגה מזוקוסמוס ומכלי מאגר עם רדיד אלומיניום כרוך סביב המזוקוסמוס כדי להגביל את חדירת האור, עם משאבה אחת לכל שתי מזוקוסמוס. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

הצלחתו של פרוטוקול ביצות בנוי מזוקוסמוס זה מודגמת על ידי צמיחה והתפתחות חזקה של מיני צמחים, ניטור מתמשך של פרמטרים סביבתיים והסרה יעילה של מזהמים לאורך זמן. נתונים שנאספו על ידי Trepanier et ^al.17 ממחישים את יעילות השיטה ואת התוצאות הצפויות. המחקר העריך את יכולתו של Carex aquatilis, גומא מים הנפוץ בביצות צפוניות, להפחית NAFCs ב-OSPW. הוא השווה את הביצועים של מזוקוסמוס עם C. aquatilis לאלה ללא צמחים, תוך שימוש ב-OSPW או במי תהליך מתוצרת מעבדה. המזוקוסמוס נבנה עם מצע של 10 ס"מ של זנב חול גס (CST) עם 10 ס"מ של תערובת מינרלים כבול (PMM) ו-25 ס"מ של OSPW שכיסה את המצעים. לפני הניסוי גידלו צמחים במשך 3 חודשים לגובה ממוצע של 83 ס"מ ולאחר מכן הושתלו במערכת. מי RO נוספו (איור 3) כדי להתאים את הצמחים למזוקוסמוס, והמערכות נשמרו בטמפרטורה של 20 ^{מעלות צלזיוס}במשך 32 ימים.

איור 3: שתילת מינים ותוספת מים RO. (A) הוספת המצע הפגום ודוגמה לשתילת מינים לתוך המצע. (B) התפלגות אחידה של מיני הצמחים ברחבי המזוקוסמוס. (ג) הוספת מי RO למזוקוסמוס לתקופת ההתאקלמות של הצמח. קיצור: RO = אוסמוזה הפוכה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

צמחים הפגינו גדילה חזקה לאורך כל הניסוי, עם עלייה ניכרת בגובה ובכיסוי (איור 4). איור 5 ממחיש עוד יותר את הצמיחה המתמדת של C. aquatilis, שמגיעה לגבהים של כ-150 ס"מ ביום ה-40 לפני המישור. זה היה בטווח הגידול הצפוי של 20-155 ס"מ עבור C. aquatilis. הישרדות הצמח הייתה גבוהה ב-98%, עם 99% רקמת צמח חיה עד סוף הניסוי. עם זאת, רוב הצמחים הראו סימנים של כלורוזיס, נמק ו/או כתמים, ובמקרים מסוימים, עלים מעוותים ומקומטים¹⁷. ניטור שגרתי של בריאות הצמח חיוני בזיהוי בעיות פוטנציאליות, כגון נגיעות מזיקים.

איור 4: תמונות של גדילת צמחים בתחילת הניסוי ובסופו. תמונה לדוגמה של הצמיחה והבריאות של Carex aquatilis מיום 0 עד יום 78. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: גובה הצמח לאורך זמן במזוקוסמוס המכיל Carex aquatilis. גובה הצמח הממוצע עבור Carex aquatilis במזוקוסמוס (n = 48). היום ה-0 הוא השלב שבו OSPW נוסף למערכת. תקופת ההתאקלמות של הצמח מתייחסת לתקופה שבה מזוקוסמוס הכילו מי RO לפני הוספת OSPW. קווי שגיאה מציינים סטיית תקן אחת של הממוצע. נתון זה אומץ מ-Trepanier et ^al.17. קיצורים: RO = אוסמוזה הפוכה; OSPW = מים המושפעים מחולות נפט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

פרמטרים סביבתיים מרכזיים, כגון DO מים וחמצון חיזור מצע, נוטרו באופן שגרתי כדי להבטיח ביצועי מערכת מיטביים מכיוון ששמירה על רמות חמצן נאותות היא קריטית לבריאות הצמח ולהסרת מזהמים יעילה ב-CWTS. ערכי חמצון החיזור של המצע השתנו לאורך הניסוי, כאשר מזוקוסמוס לא נטוע נשאר בתנאי חמצון בין 50 mV ל-100 mV, בעוד שמזוקוסמוס המכיל C. aquatilis התקרב מדי פעם ל-0 mV. ה-OSPW שמר על רמות DO >-5 חל"מ לאורך כל הניסוי, ו-DO היה גבוה יותר באופן כללי במזוקוסמוס ללא צמחים, במיוחד בסוף הניסוי (איור 6). DO של 8 ppm נחשב לעתים קרובות לאידיאלי לגידול צמחים; עם זאת, ערך DO מעל 5 עמודים לדקה מקובל. ניטור שגרתי מאפשר לזהות ירידות מזדמנות ב-DO, מה שעשוי לעורר בדיקות מערכת, כגון אימות פונקציונליות המשאבה, כדי להבטיח פעולה עקבית.

איור 6: מדידות חמצן מומס וחמצון חיזור בקרקע בתוך המזוקוסמוס. (A) חמצן מומס ב-OSPW ו-(B) פוטנציאל חמצון חיזור בקרקע עבור מזוקוסמוס עם Carex aquatilis וטיפולים לא נטועים עם OSPW בלבד. נקודות נתונים מייצגות ממוצעים מארבעה מזוקוסמוסים משוכפלים (n = 4), כאשר קווי שגיאה מציינים שגיאת תקן אחת של הממוצע. קיצור: OSPW = מים המושפעים מתהליך חולות נפט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

המטרה העיקרית של המחקר הייתה להעריך את הפוטנציאל להנחתת NAFC מ-OSPW באמצעות CWTS מזוקוסמוס. איור 7 ממחיש ירידה הדרגתית בריכוזי NAFC לאורך הניסוי, ומדגים את יעילות המערכת. הנוכחות של C. aquatilis שיפרה את הסרת ה-NAFC, והשיגה ירידה של 76% ב-NAFCs במשך 82 ימים (72.1 מ"ג/ליטר בהתחלה ל-17.1 מ"ג/ליטר סופי), בהשוואה ל-8.5% בטיפול בביקורת לא נטוע במשך 82 ימים (64.5 מ"ג/ליטר בהתחלה עד 59.0 מ"ג/ליטר סופי)¹⁷. ההפחתה המוצלחת בריכוז ה-NAFCs, יחד עם צמיחה בריאה של צמחים ותנאי סביבה נוחים, מאשרים כי מערך המזוקוסמוס פועל ביעילות. תוצאות אלו מדגימות את יכולתה של המערכת לדמות אדמות ביצות בנויות ומספקות תובנות חשובות לגבי תפקיד ה-CWTS בהפחתת הרעילות של OSPW.

איור 7: ריכוז NAFC לאורך זמן במזוקוסמוס. ריכוז תרכובות שבר חומצה נפתנית במזוקוסמוס עם Carex aquatilis וטיפולים לא נטועים עם OSPW בלבד. נקודות נתונים מייצגות ממוצעים מארבעה מזוקוסמוסים משוכפלים (n = 4), כאשר קווי שגיאה מציינים שגיאת תקן אחת של הממוצע. אותיות שונות בין האמצעים מצביעות על הבדל משמעותי (P < 0.05). נתון זה אומץ מ-Trepanier et ^al.17. קיצורים: OSPW = מים המושפעים מתהליך חולות נפט; NAFC = תרכובות שבר חומצה נפתנית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

CWTS שימשו כטיפול פסיבי וחסכוני בשפכים רבים¹³; עם זאת, מדובר בשיטה חדשה יחסית לטיפול ב-OSPW להנחתת NAFC 7,8,9,10,11,12,17,18. באמצעות השיטות המתוארות במאמר זה, ניתן לשפר את היעילות של CWTS על ידי הערכת פרמטרים שונים של תכנון.

מזוקוסמוס מורכב כפי שמוצג באיור 1, ומבטיח התקנת צנרת ניקוז מתאימה. כדי למנוע בעיות זרימה פוטנציאליות או זמני שמירה לא אחידים הנגרמות כתוצאה מסתימת המצע לשקעים, מכונת כביסה עם מסך פילטר מונחת על פקק הניקוז התחתון, וחור הניקוז העליון ממוקם מעל מפלס המצע. אם מתרחשים סתימות למרות אמצעים אלה, ניתן להשתמש במקדחת ניקוז או בלחץ אוויר כדי לנקות את הסתימות.

מזוקוסמוס מונח על שולחנות חממה מחוזקים בדיקט, כאשר דליי מאגר ממוקמים בקצות השולחנות למחזור מים. מים מסתובבים דרך המערכת באמצעות זרימת כוח הכבידה, נכנסים בצינור הכניסה ויוצאים בקצה חור הניקוז לפני שהם חוזרים למאגר. זמן השמירה (ימים) נבחר על סמך מחקרי ביצות שנבנו^{בעבר 7}. משאבות זרימה טבולות משמשות להבטחת ערבוב רציף של המאגר. משאבות מינון משמשות כדי להקל על תנועת המים בין המזוקוסמוס למאגר. אפשר לחבר משאבת מינון אחת לשתי מזוקוסמוס. יש להגדיר את המשאבות על סמך יעדי ניסוי כדי להשיג את קצב הזרימה וזמן השמירה הרצויים.

לאחר בניית מזוקוסמוס, המצע נארז באופן שווה לתוך המזוקוסמוס, צמחים מושתלים ומוסיפים מי RO. מי RO משמשים בתחילה במהלך תקופת התאקלמות של צמחים, כדי להבטיח מערכת מתפקדת היטב עם צמחים בריאים לפני תחילת הניסוי. לאחר תקופת ההתאקלמות, המזוקוסמוס מתנקז, נשטף ב-100% OSPW למשך 24 שעות כדי להבטיח החלפת מי הנקבוביות, ולאחר מכן ממלאים אותו מחדש ב-OSPW לפני תחילת הניסוי.

המדידות העיקריות שיש להשלים כוללות מדדי בריאות וצמיחה של הצמח, פרמטרים כימיים של מצע ומים וריכוזי מזהם המטרה. מדידות שגרתיות של פרמטרי מים ומצע נלקחות פעם אחת בכל מחזור כדי להבטיח שהמזוקוסמוס פועל כצפוי. מומלץ למדוד פרמטרים של איכות מים, כולל DO, ORP, pH ומוליכות, פעם במחזור באמצעות מכשיר מולטי-פרמטר YSI Professional Plus. ORP קרקע ו-DO מים הם פרמטרים מרכזיים לניטור כדי להבטיח שמזוקוסמוס שומר על תנאים אירוביים.

השיטה המתוארת ניתנת להתאמה גבוהה וניתנת לשינוי בהתאם למטרות הטיפול. שינויי הטיפול העיקריים כוללים, בין היתר, מיני צמחים, שימוש במיני צמחים מרובים, זמן שמירה, תנאי סביבה, הרכב ועומק המצע והוספת דשנים. יש לבחור מיני צמחים על סמך מאפיינים המשפרים את הישרדות הצמח ואת יעילות הפיטורמדיטציה. בחירת מיני צמחי ביצות מקומיים המותאמים לאקלים המקומי תשפר את הסיכוי לצמיחה מוצלחת והישרדות 11,13,14. מיני צמחים המתאימים היטב לשימוש ב-CWTS כוללים כאלה המפתחים שורשים עמוקים ורחבים, קני שורש חזקים, צמיחה מהירה, הובלת חמצן מספקת ויש להם מנגנונים לנטרל את השפעות המליחות 17,19,20. לעתים קרובות מומלץ להימנע משתילת תערובות של מיני צמחים מכיוון שמגוון צמחים מוגבר עלול להוביל לירידה בוודאות ביעילות ה-CWTS. במיוחד אם מפעל אחד הופך לדומיננטי, קשה למדל כיצד ה-CWTS יתנהג¹⁴. מיני הצמחים שנבחרו ישפיעו גם על אידוי הדיות, שיכול להיות בעל אפקט ריכוז של מלח ומזהמים אחרים.

חשוב לוודא שהאידוי נלקח בחשבון במערכת; הקפדה על שמירה על רמת OSPW עם RO-water. השימוש במים עירוניים או שאינם RO יכול להוביל לעלייה במרכיבים אחרים (למשל, כלוריד, סידן, פלואוריד), מה שעשוי להשפיע על ממצאי מחקר המזוקוסמוס. שינוי זמן השמירה עשוי לסייע באוורור, להבטיח שהרכיבים והרמות השונות בתוך המזוקוסמוס לא יהפכו לאנאירוביים, מה שעלול להוביל להשפעות על קהילות החיידקים ובריאות הצמח.

ניתן להשתמש בזרימות פועמות או לסירוגין כדי לדמות דינמיקה טבעית של ביצות (כלומר, אירועי סערה ונגר עונתי). הבטחת המשתנים הסביבתיים (טמפרטורה, תנאי אור ושינויים עונתיים) דומים לאלה באזור המחקר חשובה לאקסטרפולציה של העבודה ל-CWTS בקנה מידה גדול, מכיוון שהיא תפחית את מספר המשתנים החדשים שישפיעו על המערכת ואת ניתוח האופן שבו משתנים אלה משפיעים על יעילות ה-CWTS בהחלשת NAFCs. בחירת מצעים למזוקוסמוס שניתן להשתמש בהם ב-CWTS בקנה מידה גדול יותר תעזור ליידע את התכנון העתידי ולהגביר את היעילות של מערכת הטיפול. בכריית חולות נפט, זנב חול גס ותערובת כבול-מינרלים הם מצעים ונבדקו בעבר במחקרי מזוקוסמוס כדי לקבוע את המצע האופטימלי לשיפור בריאות הצמח, להגדלת קהילות חיידקים מועילות ולסייע בהנחתה של NAFCs¹⁷.

המגבלה העיקרית של שיטה זו היא הגודל והעומק המוגבלים של המזוקוסמוס, מה שעלול להשפיע על צמיחת השורשים ולגרום לצמחים להיות קשורים לשורשים. ניתן להתגבר על אילוצים אלה על ידי הפחתת אורך הניסוי ו/או מספר הצמחים הבודדים בהם נעשה שימוש. אם משתמשים במספר מינים באותה מזוקוסמוס, יכולות להיות השפעות סינרגטיות או תוספות מהתחרות. בסופו של דבר, הגודל והעומק של המזוקוסמוס עשויים לגרום למשך קצר יותר של הניסוי, ולהגביל את כמות הנתונים שנאספו. ניסויים ארוכי טווח יכולים לבחון תהליכים כגון מחזור נוטריינטים, המתרחשים כאשר חומר אורגני מתווסף למערכת באמצעות הצטברות ופירוק איטי של פסולת צמחים והפרשות שורשים. זה עשוי להשפיע על קהילות מיקרוביאליות ועל קצב הנחתת המזהמים. בנוסף, מסגרת הזמן הניסויית הקצרה יחסית של תכנון מזוקוסמוס זה מספקת משוב מהיר שניתן להשתמש בו כדי לשפר ניסויים עתידיים. ניתן להוסיף חומרים מזינים למערכת המזוקוסמוס; עם זאת, סוג וכמות הדשן שנוסף דורשים ניטור נרחב כדי למנוע פריחת אצות.

התנאים בחממה מוגדרים ליצור סביבת גידול אופטימלית; טווחי הטמפרטורות מוגדרים כך שישקפו כראוי את הטמפרטורות העונתיות של האזור, עם שינויים הדרגתיים המיושמים כדי לדמות תנודות יומיות טבעיות. רמות הלחות מנוהלות גם בטווח המייצג את האקלים האזורי. בנוסף, החממה מתוכננת לקלוט 25,000 לוקס, שווה ערך לכ-200 וואט/מ"ר של אור יום, בשעות האור המיועדות. כדי להבטיח עוצמת אור עקבית, נורות LED מופעלות בכל פעם שרמות האור הטבעי יורדות מתחת לסף זה. לשימוש בחממה יש גם מגבלות. בעוד שהיא מספקת סביבה מבוקרת, חממות יכולות גם להציב אתגרים ייחודיים כגון נגיעות מזיקים, השפעות חממה ויצירת סביבות לא טבעיות. נגיעות מזיקים שכיחות במיוחד בסביבות חממה ועלולות להשפיע על בריאות הצמח וצמיחתו. כדי להפחית את השימוש בקוטלי חרקים, טורפים טבעיים או הרחקת מזיקים פיזית הם חלופות מצוינות. למרות אתגרים אלה, חממה נותרה הסביבה האופטימלית לביצוע מחקר פיילוט מכיוון שהיא מאפשרת בקרה ובחינה מדויקת של פרמטרים בודדים¹⁴.

שיטה זו מייצגת גישות רבות לתכנון ניסויי מזוקוסמוס. ניסויי CWTS בקנה מידה פיילוט יכולים להתבצע בחוץ^10,21 או בפנים ^4,17. מזוקוסמוס חיצוני מושפע מגורמים סביבתיים רב-משתנים, שיכולים לקיים אינטראקציה בדרכים מורכבות ובלתי צפויות. אינטראקציות אלה מקשות על מידול משתנים בודדים או להבהיר את המנגנונים הספציפיים המניעים את התוצאות הנצפות. כתוצאה מכך, קשה לקבוע אילו גורמים תורמים לביצועי ה-CWTS ולזהות הזדמנויות לשיפור תכנון המערכת; עם זאת, הם משכפלים יותר את תנאי CWTS בקנה מידה מלא¹⁴. לעומת זאת, מזוקוסמוס פנימי מספק סביבה מבוקרת יותר, ממזער את השפעות הטבע והשפעות חיצוניות אחרות, מה שמקל על הבנת תהליכים וזיהוי פרמטרים עיצוביים שיכולים לשפר את הביצועים.

עיצובי CWTS כוללים בדרך כלל זרימת שטח אופקית 4,10,17,18 או זרימה תת-קרקעית אנכית¹⁸. השיטה המתוארת כאן מייצגת עיצוב מזוקוסמוס של זרימת פני השטח אופקית. בעוד שמערכות זרימה אנכיות מסתמכות על כוח הכבידה כדי להקל על תנועת מים אנכית, מציעות חמצון טוב יותר ודורשות פחות מקום, מערכות זרימה אופקיות שומרות על תנאים יציבים יותר¹⁰ ומשפרות את פוטנציאל הפיטורמדיציה²². מזוקוסמוס מציע יתרונות משמעותיים לפיתוח CWTS על ידי בדיקת רכיבים אינטגרליים ושיפור היעילות עבור יישומים עתידיים בקנה מידה גדול, המאפשר שכפול ובקרה של הסביבה הסובבת, ומאפשר בידוד ומדידה של פרמטרים ניסיוניים בודדים, תוך מעקב אחר שינויים ביוטיים ומסלולי פיזור כימיים.

למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.

המימון למחקר זה ניתן על ידי פרויקט המחקר היישומי בקנה מידה גדול של גנום קנדה (LSARP, מענק #18207) ותוכנית המימון של השפעות מצטברות של שירות היערות הקנדי. ברצוננו להודות לאימפריאל אויל בע"מ על אספקת החומרים ששימשו במחקר זה. ברצוננו גם להודות לכל מי שסייע בניסויים: איאן ג'יי ונדר מולן, ג'ייסון מ.א. אהד, שרה קוראה-גרסיה, סיימון מורבן, מארי-ז'וזה ברגרון, דיליני אטוגלה, ליסה גיג, ג'ון ו. הדלי, אטיין ירג'ו וכריסטין מרטינו. ברצוננו גם להודות לדאגלס מונק על העיצוב הניסיוני והמזוקוסמי. ברצוננו להודות גם לצוות במרכז היערנות הצפוני ולתלמידי הקיץ שסייעו במהלך הניסויים. ברצוננו להכיר בכך שהמחקר שלנו נערך בשטח אמנה 6 ומקורות החומרים לניסויים אלה נאספו משטחי אמנה 8. אנו מכירים ומכבדים את האומות הראשונות, המטיס והאינואיטים שחיו, התקבצו וטיילו על אדמות אלה.