Ο ρόλος του αερισμού σε πλωτούς υγροτόπους επεξεργασίας
Η διαθεσιμότητα και η δυναμική παροχής νερού είναι ζητήματα που απασχολούν πολύ την κοινωνία . Η ποιότητα του νερού επηρεάζει επίσης τη δυναμική διαθεσιμότητας νερού, επειδή θέλουμε να διασφαλίσουμε ότι το νερό που διαθέτουμε είναι καθαρό και ασφαλές για χρήση ή επαναχρησιμοποίηση. Η ποιότητα του νερού βρέθηκε στο προσκήνιο πρόσφατα λόγω περιστατικών στο Flint, MI, και ανακοινώσεις βρασμού σε όλη την πόλη σε εξέχουσες πόλεις όπως το Austin, TX και η Atlanta, GA. Οι ανθίσεις φυκών μεγάλης κλίμακας, όπως αυτές στα παράκτια ύδατα της Φλόριντα, στον κόλπο Chesapeake και στη λίμνη Erie, μπορούν να προκαλέσουν έναν καταρράκτη αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων, από μειωμένη διαθεσιμότητα οξυγόνου στο νερό μέχρι θανάτους ψαριών μεγάλης κλίμακας. Η άνθηση των φυκών συνδέεται άμεσα με την ποσότητα των θρεπτικών συστατικών, συγκεκριμένα του αζώτου και του φωσφόρου, που βρίσκονται μέσα στο νερό. Επομένως, ρυθμίστε ή αφαιρέστε τα θρεπτικά συστατικά. σταματήστε την άνθηση των φυκιών. αύξηση της ποιότητας του νερού.
Οι κατασκευασμένοι υγρότοποι είναι μια λύση για τον μετριασμό της ρύπανσης των υδάτινων οδών μας από θρεπτικά συστατικά. λειτουργούν μιμούμενοι τις φυσικές ιδιότητες φιλτραρίσματος και καθαρισμού των φυσικών υγροτόπων. Συγκεκριμένα, οι πλωτοί υγρότοποι επεξεργασίας (FTWs) είναι ένας πολλά υποσχόμενος τύπος κατασκευασμένων υγροτόπων για την αποκατάσταση θρεπτικών ουσιών εντός των υδάτινων σωμάτων. Οι πλωτοί υγρότοποι επεξεργασίας διαμορφώνονται σε φυσικά πλωτούς καλαμιώνες που αποσπώνται από την ακτογραμμή. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν μια πλευστή δομή, όπως ένα χαλάκι ή σχεδία, για να υποστηρίξουν τη ζωή των φυτών, με τον βλαστικό βλαστό του φυτού να αιωρείται πάνω από τη γραμμή του νερού και τις ρίζες εκτεθειμένες απευθείας στο νερό. Για όσους γνωρίζουν την υδροπονία, η ιδέα είναι παρόμοια. Επιτρέποντας στις ρίζες να έχουν πρόσβαση απευθείας στο νερό, τα φυτά εργάζονται για να απομακρύνουν την περίσσεια αζώτου και φωσφόρου κατά τη διάρκεια της φυσικής τους ανάπτυξης.
Τα FTW έχουν αναπτυχθεί σε πολλά διαφορετικά συστήματα νερού, από λιμάνια μέχρι ποτάμια, λίμνες και σε λίμνες συγκράτησης. Προηγούμενη έρευνα έχει δείξει ότι άλλοι τύποι κατασκευασμένων υγροτόπων έχουν ωφεληθεί από την προσθήκη αερισμού στην πηγή νερού, προάγοντας την ανάμειξη του νερού, την ανάπτυξη των φυτών και την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών (Bowmer, 1987; Maltais-Landry et al., 2007, 2009; Zhang et al. , 2010). Ωστόσο, οι FTW λειτουργούν πολύ διαφορετικά από άλλους κατασκευασμένους υγροτόπους λόγω της έλλειψης εδάφους ή υποστρώματος. Θα αποδεικνυόταν ωφέλιμη η προσθήκη αερισμού σε συστήματα FTW; Τι θα γινόταν αν η τοπική κοινωνία ήθελε να προσθέσει μια βρύση στη λίμνη συγκράτησης; Θα έβλαπτε την αποτελεσματικότητα των FTW;
Για να κατανοήσουμε καλύτερα γιατί ο αερισμός είναι πραγματικά μεγάλος, υπάρχει αυτό το μικρό φυσικό σύστημα που ονομάζεται κύκλος αζώτου. Θυμήσου το? Οι αγελάδες κάνουν κακά. Τα κόπρανα διασπώνται και γίνονται αμμώνιο. Το αμμώνιο μετατρέπεται σε νιτρώδες. Τα νιτρώδη γίνονται νιτρικά. Τα φυτά προσλαμβάνουν νιτρικά άλατα. Οι αγελάδες τρώνε φυτά. Αυτό που είναι σημαντικό για αυτό το σύστημα είναι ότι ο μετασχηματισμός από αμμώνιο σε νιτρώδες και από νιτρώδη σε νιτρικό άλας πραγματοποιείται αποκλειστικά με νιτροποίηση βακτηρίων. Για να επιβιώσουν, αυτά τα βακτήρια απαιτούν να υπάρχει οξυγόνο στο νερό, που ονομάζονται αερόβιες συνθήκες. Εάν τα επίπεδα οξυγόνου πέσουν πολύ χαμηλά, το σύστημα θεωρείται αναερόβιο (χωρίς οξυγόνο) και ο κύκλος του αζώτου μετατοπίζεται στην παραγωγή αερίου αζώτου. Το αέριο άζωτο απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και δεν καταναλώνεται από τα φυτά, μειώνοντας την πρόσβαση των φυτών στο άζωτο.
Για τη μελέτη μας, εκθέσαμε ένα σετ FTW σε ένα ενυδρείο για να εισάγουμε οξυγόνο στο σύστημα, ενώ στο άλλο σετ FTW δεν παρέχουμε πρόσθετη πηγή οξυγόνου. Ελλείψει αερισμού, τα επίπεδα οξυγόνου διατηρήθηκαν πάνω από 2 mg/L, αλλά όταν αεριζόταν, το μέσο επίπεδο οξυγόνου ήταν πάνω από 7 mg/L. Παρά τις διαφορές στις συγκεντρώσεις οξυγόνου μεταξύ μη αεριζόμενων και αεριζόμενων συστημάτων, η συγκέντρωση οξυγόνου σε μη αεριζόμενα συστήματα δεν μειώθηκε ποτέ σε <1 mg/L ή, με άλλα λόγια, δεν έγινε ποτέ αναερόβια. Ενώ η επίτευξη αναερόβιων συνθηκών είναι δυνατή σε άλλες μορφές κατασκευασμένων υγροτόπων (Butterworth et al., 2013; Fan et al., 2013), τα FTW επιτρέπουν την ανταλλαγή αερίων σε όλη την επιφάνεια του νερού και διατηρούν αποδεκτά επίπεδα αερισμού για διαδικασίες νιτροποίησης χωρίς πρόσθετο τεχνητό αερισμό.
Σε άλλες μελέτες, η προσθήκη αερισμού βοήθησε τους κατασκευασμένους υγροτόπους να παραμείνουν αερόβιοι και ως εκ τούτου αύξησε την παραγωγή νιτρικών, τα οποία τα φυτά μπορούν στη συνέχεια να προσλάβουν και να αφαιρέσουν από το νερό. Βρήκαμε παρόμοια αποτελέσματα όταν χρησιμοποιήσαμε FTW. Τα φυτά που εκτέθηκαν σε αερισμό είχαν μεγαλύτερη ποσότητα αζώτου στους φυτικούς ιστούς σε σύγκριση με εκείνα που δεν είχαν αερισμό. Ωστόσο, όταν εξετάζουμε τη συνολική αποκατάσταση των θρεπτικών ουσιών στη στήλη του νερού, προέκυψε μια διαφορετική ιστορία. τα μη αεριζόμενα συστήματα ήταν στην πραγματικότητα πιο αποτελεσματικά στην αφαίρεση του αζώτου. Έτσι, εάν τα μη αεριζόμενα συστήματα αφαιρούσαν περισσότερο άζωτο από το αεριζόμενο, αλλά λιγότερο άζωτο κατέληγε στα φυτά, πού πήγαινε;
Μετά από μια περίοδο γρατσουνίσματος του κεφαλιού, επιστρέψαμε στα δεδομένα και βρήκαμε δύο εύλογους λόγους. Η πρώτη λύση είναι ευθεία, τα ζιζάνια. Ενώ προσπαθήσαμε να αφαιρέσουμε και να αποτρέψουμε την ανάπτυξη ζιζανίων στα FTW μας, όπως γνωρίζει κάθε κηπουρός, μερικές φορές χάνετε τη μάχη. Με την αξιολόγηση του αριθμού των ζιζανίων και του επιπέδου των θρεπτικών ουσιών που περιέχονται στα ζιζάνια, διαπιστώσαμε ότι είχαμε υψηλότερη παρουσία ζιζανίων στα μη αεριζόμενα FTWs που συνέβαλαν σε κάποιο μικρό κλάσμα απομάκρυνσης αζώτου από το σύστημα. Ωστόσο, αυτό αφορούσε μόνο εκείνα τα ζιζάνια που επέζησαν από το φονικό γάντι μας. Τα ζιζάνια που αφαιρέθηκαν καθ' όλη τη διάρκεια του πειράματος θα αντιπροσώπευαν επίσης κάποιο επίπεδο απομάκρυνσης αζώτου από το σύστημα.
Ο δεύτερος λόγος συνδέεται με τον διαλυμένο οργανικό άνθρακα (DOC) ή την ποσότητα άνθρακα που είναι διαθέσιμη στο σύστημα. Οι συνεισφέροντες στο DOC θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν οργανική ύλη σε αποσύνθεση, φύκια και μεταβολίτες που απελευθερώνονται από συστήματα ριζών φυτών. Κατά την αξιολόγηση της ποσότητας DOC σε κάθε σύστημα, αεριζόμενο και μη αεριζόμενο, διαπιστώσαμε ότι τα μη αεριζόμενα συστήματα είχαν 30% περισσότερο DOC από τα αεριζόμενα συστήματα. Αυτό είναι σημαντικό επειδή το DOC μπορεί να λειτουργήσει ως καταβόθρα θρεπτικών συστατικών, που σημαίνει ότι το άζωτο θα απορροφηθεί από αυτήν την οργανική ύλη και θα αφαιρεθεί από τη στήλη του νερού. Επιπλέον, το υψηλό DOC μπορεί πραγματικά να λειτουργήσει για να ενθαρρύνει τις διαδικασίες απονιτροποίησης παρά το γεγονός ότι δεν επιτυγχάνονται αναερόβιες συνθήκες. Επομένως, η απώλεια αζώτου από τα μη αεριζόμενα συστήματα θα μπορούσε να είναι με τη μορφή αερίου αζώτου, παρά τα υψηλά επίπεδα οξυγόνου.
Τελικά, φαίνεται ότι τα FTW είναι αποτελεσματικά τόσο σε αεριζόμενες όσο και σε μη αεριζόμενες συνθήκες. Ωστόσο, η μορφή απομάκρυνσης του αζώτου από το σύστημα ποικίλλει, με την αφαίρεση φυτών του συστήματος ως κύρια διαδικασία για αεριζόμενα συστήματα και ζιζάνια, την ρόφηση DOC και την πιθανή απελευθέρωση αερίου αζώτου ως κύριες διεργασίες σε μη αεριζόμενες συνθήκες. Και τα δύο συστήματα συμβάλλουν στην αύξηση της ποιότητας του νερού και συμβάλλουν στη διασφάλιση ενός μέλλοντος όπου τα καθαρά επιφανειακά νερά είναι πιθανή.
