Treatment of arsenic containing artificial wastewater in different laboratory-scale constructed wetlands

Abstract

Knowledge regarding dynamics of As-species and their interactions under gradient redox conditions in the rhizosphere of treatment wetlands is still insufficient. Therefore, it is necessary to understand the fundamental processes and mechanisms operative in treatment wetlands to realise long-term stability and high As-removal efficiencies, both in the presence and absence of wetland plants. In the past, little attention has been paid to the biotransformation processes and metabolism of As in constructed wetlands. Hence, the aim of this investigation was to gain more information on the biotransformation of As and the dynamics of As- species in predominantly multi-gradient (both micro- and macro-) horizontal subsurface-flow constructed wetlands. Experiments were carried out in laboratory-scale wetland systems, two planted with Juncus effusus and one unplanted, using an artificial wastewater containing As (0.2 mg l−1) under defined conditions of organic C- and SO42−-loading. Immobilization of As was found in all systems (both planted and unplanted) under conditions of limited C, obviously due to adsorption and/or co-precipitation. Removal efficiencies were substantially higher in the planted systems (60-70%) as compared to the unplanted system (37% on average). Immobilization under such conditions appeared to decrease over time in all systems. At the beginning, the dosage of organic carbon (COD~340 mg l−1; SO42− ~75 mg l−1) immediately caused intensive microbial dissimilatory sulphate reduction in all systems (in the range of 85-95%) and highly efficient removal of total arsenic (81-96% on average), most likely as As2S3 precipitation. A significant amount of reduced As [As(III)] was found in the effluent of the planted systems (>75% of total As) during this period of efficient microbial sulphate reduction, compared to the unplanted system (>25% of total As). Later on in this operation period, the intensity of sulphate reduction and simultaneous removal of As decreased, particularly in the planted wetlands (ranging from 30-46%). One reason could be the re-oxidation of reduced compounds due to oxygenation of the rhizosphere by the emergent water plants (helophytes). Only traces (2-3 µg As l−1) of DMA were found in the temporal dynamics of the planted wetlands under these conditions. The immobilization of arsenic was found to be more stable in the planted beds than in the unplanted bed in a more oxidised environment with and restricted microbial sulphate reduction (stopping of inflow C-dosage; SO42− ~ 0.2 mg l−1). In principle, both systems (planted and unplanted) were suitable to treat wastewater containing As, particularly under sulphate reducing conditions. The unplanted system seemed to be more efficient regarding the immobilization of As, but planted systems showed a better stability of immobilized As. Total As-mass retention in planted wetlands was substantially higher (nearly 60% of the inflow) than in the unplanted bed (only 43%). In general, a higher level of As was found in the roots than in the shoots in the planted beds. Only 1% of the inflow As-mass was retained in the shoots while more than 55% was sequestered in and/or on the roots and sediments. In conclusion, the obtained results demonstrated that horizontal subsurface-flow constructed wetlands seem to be viable alternatives for effective elimination of elevated As concentration from secondary domestic wastewater effluents prior to disposal to the receiving water bodies (rivers, lakes etc.) or application for agricultural field irrigation purposes. Long-term accumulation of As in the wetland vegetation (mostly in the below-ground biomass) and soil sediments may reduce widespread distribution of As in the environment.

Die Kenntnisse zur Dynamik von As-Spezies und deren Wechselwirkungen unter schwankenden Redoxbedingungen in der Rhizosphäre von Pflanzenkläranlagen sind unzureichend. Deshalb ist es notwendig, die grundlegenden Prozesse und Mechanismen, die in Pflanzenkläranlagen, sowohl mit als auch ohne Bepflanzung, zur Wirkung kommen, zu verstehen, um eine langfristige Stabilisierung und hohe Effizienzen bei der Entfernung von As aus dem Abwasser zu erreichen. In der Vergangenheit blieben die Biotransformationsprozesse und der Metabolismus von As in Pflanzenkläranlagen eher unbeachtet. Das Ziel dieser Untersuchung ist es deswegen, weitere Informationen zur Biotransformation von As und zur Dynamik von As-Spezies in vorwiegend multi-gradienten (sowohl mikro- als auch makro-) horizontal durchflossenen Pflanzenkläranlagen zu gewinnen. Es wurden Versuche in Pflanzenklärsystemen im Labormaßstab durchgeführt. Dabei wurden zwei mit Juncus effusus bepflanzte Systeme und ein unbepflanztes System, sowie ein künstliches As-haltiges Abwasser (0,2 mg l−1) mit einer festgelegten organischen C- und SO42−-Belastung verwendet. In allen Systemen (bepflanzt und unbepflanzt) wurde eine Immobilisierung von As unter C-Mangel festgestellt, die offensichtlich auf Adsorption bzw. Copräzipitation zurückzuführen ist. Die Entfernungseffizienz lag bei den bepflanzten Systemen wesentlich höher (60-70%) als bei dem unbepflanzten System (durchschnittlich 37%). Unter diesen Bedingungen schien die Immobilisierung in allen Systemen im Laufe der Zeit abzunehmen. Zu Beginn verursachte die Dosierung von organischem Kohlenstoff (COD~340 mg l−1; SO42− ~75 mg l−1) sofort eine intensive mikrobielle dissimilatorische Sulfat-Reduktion in allen Systemen (im Bereich von 85-95%) und eine sehr effiziente Entfernung des Gesamtarsens (durchschnittlich 81-96%), höchstwahrscheinlich durch Fällung als As2S3. Während dieser Periode der effizienten mikrobiellen Sulfat-Reduktion wurde im Ablauf der bepflanzten Systeme eine signifikante Menge reduzierten Arsens [As(III)] gefunden, mit >75% des Gesamtarsens im Vergleich zu dem unbepflanzten System mit >25% des Gesamtarsens. Im späteren Verlauf des Versuchs nahm die Intensität der Sulfat-Reduktion und der gleichzeitigen As-Entfernung ab, insbesondere in den bepflanzten Versuchsanlagen (im Bereich von 30-46%). Ein Grund dafür könnte die Re-oxidation der reduzierten Verbindungen durch Sauerstoffanreicherung in der Rhizosphäre durch die Helophyten sein. Unter diesen Bedingungen konnten nur Spuren (2-3 µg As l−1) von DMA in der zeitlichen Dynamik der bepflanzten Systeme gefunden werden. Die Immobilisierung von Arsen unter stärker oxidierten Bedingungen und bei einer begrenzten mikrobiellen Sulfat-Reduktion (ohne C-Dosierung; SO42− ~ 0,2 mg l−1) erwies sich in den bepflanzten Systemen als stabiler als in der unbepflanzten Variante. Prinzipiell eigneten sich beide Systeme (bepflanzt und unbepflanzt) zur Behandlung von As-haltigem Abwasser, insbesondere unter sulfatreduzierenden Bedingungen. Das unbepflanzte System schien effizienter, was die Immobilisierung von As anbelangt, die bepflanzten Systeme zeigten jedoch eine bessere Stabilität des immobilisierten As. Die Retention der Gesamt-As-Masse war in den bepflanzten Systemen wesentlich höher (fast 60% des Zulaufs) als in dem unbepflanzten System (nur 43%). Im Allgemeinen wiesen die Wurzeln in den bepflanzten Beeten eine größere Menge As auf als die Triebe. Nur 1% der zulaufenden As-Masse wurde in den Trieben zurückgehalten, während über 55% in bzw. an den Wurzeln und dem Sediment abgelagert wurden. Kurz zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass horizontal durchflossene Pflanzenkläranlagen eine realisierbare Alternative für die effektive Eliminierung erhöhter As-Konzentrationen aus häuslichen Abwassern darstellen, bevor diese in Gewässer eingeleitet werden (Flüsse, Seen usw.) oder zur landwirtschaftlichen Bewässerung eingesetzt werden. Die langfristige Anreicherung von As in der Vegetation (vor allem in der unterirdischen Biomasse) und in Bodensedimenten kann die Ausbreitung von As in die Umwelt reduzieren.