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Surface water has been used by mankind as the main source of water for domestic agriculture and industrial use in numerous countries around the world. However, water quality can be affected by mining activities which influences the natural environment, human health and aquatic ecosystem. The major pollutants in acid mine drainage are high amount of dissolved sulphate and heavy/toxic metals. Constructed wetlands are promising in situ water treatment methods which helps in the remediation process by stimulating microbial growth within the rhizospheric zone of the plants. The sulphate in constructed wetlands are removed by dissimilatory sulphate reduction in strict anaerobic conditions which helps in the removal of metals as metal sulphides. The objective of this research is to investigate sulphate and metal removal pathways in constructed wetlands treating acid mine drainage. Therefore, several approaches were applied: (a) various types of model wetlands were used to investigate different removal processes (b) intensification of treatment processes with stimulation of the dissimilatory sulfate reduction in an autotrophic way by the use of hydrogen gas. The application of hydrogen gas (as external electron donor) combined with common physico-chemical and biological parameters helped us to intensify the sulphate reduction process and removal of metals in constructed wetlands. In the model wetland systems, the removal efficiencies varied with the types of constructed wetlands. The removal efficiencies of sulphate and metals were high in planted constructed wetlands as compared to unplanted constructed wetland. The combination of gravel bed and plants (Phragmites australis) resulted in the highest removal rate in horizontal subsurface flow constructed wetland. The metals mostly precipitated to the bottom of the constructed wetland as metal sulphides. Though under carbon limited and anoxic conditions, a high mean removal efficiency of sulphate and heavy metals was observed in the experiments with HSSF CW so it is important to take into consideration the importance of electron donor. With hydrogen gas as electron donor the performance efficiency was increased by almost 12% for sulphate removal and almost 6% increase in aluminium removal efficiency. In conclusion, this research exhibit that the combination of physico-chemical measurements along with hydrogen gas as an electron donor is an efficient tool for investigation of sulphate and metal removal processes in constructed wetlands. Such information is not only beneficial for understanding the processes taking place in these wastewater treatment facilities but also necessary for future technological improvement of constructed wetlands. In zahlreichen Ländern der Welt wird Oberflächenwasser von der Menschheit als Hauptwasserquelle für die heimische Landwirtschaft und industrielle Nutzung verwendet. Die Wasserqualität kann jedoch durch Bergbauaktivitäten beeinträchtigt werden, die die natürliche Umwelt, die menschliche Gesundheit und das aquatische Ökosystem beeinflussen. Die Hauptschadstoffe in sauren Grubenwässern sind ein hoher Anteil an aufgelöstem Sulfat und Schwermetallen/toxischen Metallen. Pflanzenkläranlagen bieten vielversprechende in situ Wasseraufbereitungsmethoden, die beim Reinigungsprozess helfen, indem sie das mikrobielle Wachstum in der Rizosphäre der Pflanzen stimulieren. Das Sulfat in Pflanzenkläranlagen wird durch dissimilierende Sulfatreduktion unter strengen anaeroben Bedingungen entfernt, was bei der Entfernung von Metallen wie Metallsulfiden hilft. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Sulfat- und Metallabbauprozesse in Pflanzenkläranlagen zur Aufbereitung der sauren Grubenwässer zu untersuchen. Dazu wurden mehrere Ansätze angewendet: (a) die verschiedenen Arten von Pflanzenkläranlagen wurden verglichen, um unterschiedliche Abbauprozesse zu erforschen (b) die Intensivierung der Aufbereitungsverfahren durch die Stimulation der dissimilatorischen Sulfatreduktion auf autotrophe Weise durch die Verwendung von Wasserstoffgas. Die Anwendung von Wasserstoffgas (als externer Elektronendonator) in Kombination mit gemeinsamen physikalisch-chemischen und biologischen Parametern hat uns geholfen, den Prozess der Sulfatreduktion und der Entfernung von Metallen in Pflanzenkläranlagen zu intensivieren. In den Modell-Pflanzenkläranlagen variierte die Reinigungsleistung je nach Art der Pflanzenkläranlagen. Die Reinigungsleistungen von Sulfat und Metallen waren in bepflanzten Pflanzenkläranlagen im Vergleich zu unbepflanzten Pflanzenkläranlagen hoch. Die Kombination aus Kiesbett und Pflanzen (Phragmites australis) führte zu der höchsten Reinigungsleistung in horizontalen unterirdisch durchströmten Pflanzenkläranlagen. Die Metalle wurden größtenteils als Metallsulfide auf dem Grund der Pflanzenkläranlagen abgelagert. Obwohl unter kohlenstoffbegrenzten und anoxischen Bedingungen eine durchschnittlich hohe Effizienz bei der Entfernung von Sulfat und Schwermetallen in den Experimenten mit HSSF CW beobachtet wurde, ist es wichtig, die Bedeutung des Elektronendonators zu berücksichtigen. Mit Wasserstoffgas als Elektronendonator wurde die Leistungseffizienz bei der Sulfatentfernung um fast 12% und bei der Aluminiumentfernung um fast 6% gesteigert. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass die Kombination von physikalisch-chemischen Messungen zusammen mit Wasserstoffgas als Elektronendonator ein effizientes Werkzeug zur Untersuchung von Sulfat- und Metall abtragenden Verfahren in Pflanzenkläranlagen ist. Diese Informationen sind nicht nur für das Verständnis der Prozesse in diesen Kläranlagen von Vorteil, sondern auch für die zukünftige technologische Verbesserung von Pflanzenkläranlagen insgesamt. |
