Evaluation of phytoremediation in wastewater treatment with a focus on macrophyte selection, pollutant removal and biomass characteristics

Abstract

The success of phytoremediation depends on carefully selecting plants to effectively remove water pollutants. The choice should consider the water type, specific pollutants, and treatment system conditions. This thesis comprises three technical-scientific papers. The first article conducted a review study on the relationship between environmental factors and the removal of iron (Fe), copper (Cu), and manganese (Mn), from wastewater, through phytoremediation. Emergent macrophytes showed the best results for Fe and Mn removal. Significant correlations were found between physical factors and the plants' ability to bioconcentrate Fe, Cu and Mn. Short exposures increased metal removal but hindered Fe and Cu absorption. Reduced light favored Cu and Mn removal, while lower pH favored Cu and Mn removal. High concentrations of phosphorus and dissolved oxygen increased Cu absorption in plants. In the second article, Lemna minuta, Landoltia punctata, Azolla microphylla, and Salvinia minima treated synthetic swine wastewater over a 10-day exposure period. Azolla microphylla experienced the least stress, and L. minuta showed the highest growth and lipid production. These two plants were more efficient in removing acute and chronic wastewater toxicity. All four plants exhibited removal rates exceeding 60% for COD and P-PO43-, and over 40% for N-NO3- and Cu. The Entropy-Fuzzy AHP TOPSIS method deemed Azolla microphylla the most suitable for treatment. This approach proved reliable in macrophyte selection, supported by individual evaluation and sensitivity analysis methods. The third article evaluated the impacts of LED light, considering its duration and intensity, as well as the phytohormone cytokinin, on Azolla microphylla's performance in treating synthetic swine wastewater. Results confirmed that both LED light and varying cytokinin doses influenced reduced concentrations of organic matter, metals, and sulfamethoxazole (SMX) in swine wastewater. Under optimal treatment conditions, Azolla removed COD (89.2% to 90.8%), N-NH4+ (72.6% to 91.2%), N-NO3- (84.4% to 88.6%), Cu (75.4% to 86.4%), SMX (77% to 79%), P-PO43- (54.1% to 59.9%), and dissolved organic carbon (67.4% to 71.3%). However, these conditions resulted in a moderate reduction for Zn. The influence of these factors varied for each pollutant, highlighting the importance of carefully considering treatment parameters. The research in this papers underscores the critical role of precise plant selection and treatment conditions in water remediation, emphasizing the need for multidisciplinary approaches and the potential for biomass reuse. Keywords: Phytoremediation; Biotope; Doehlert matrix; Multicriteria decision-making; Azolla; Swine Wastewater.O sucesso da fitorremediação depende da seleção cuidadosa de plantas para remover eficientemente poluentes da água. A escolha deve considerar o tipo de água, poluentes específicos e condições do sistema de tratamento. Esta tese é composta por três artigos técnico- científicos. No primeiro artigo, foi realizado um estudo de revisão sobre a relação entre fatores ambientais e a remoção de ferro (Fe), cobre (Cu) e manganês (Mn), de água residuária, por meio de fitorremediação. As macrófitas emergentes apresentaram os melhores resultados para remoção de Fe e Mn. Foram encontradas correlações significativas entre fatores físicos e a capacidade das plantas de bioconcentrar Fe, Cu e Mn. Exposições curtas aumentaram a remoção de metais, mas prejudicaram a absorção de Fe e Cu. Luz reduzida favoreceu a remoção de Cu e Mn, enquanto pH mais baixo favoreceu a remoção de Cu e Mn. Altas concentrações de fósforo e oxigênio dissolvido aumentaram a absorção de Cu nas plantas. No segundo artigo, Lemna minuta, Landoltia punctata, Azolla microphylla e Salvinia minima trataram águas residuárias sintéticas suinícolas ao longo de um período de 10 dias de exposição. Azolla microphylla experimentou o menor estresse, e L. minuta apresentou o maior crescimento e produção de lipídios. Essas duas plantas foram mais eficientes na remoção de toxicidade aguda e crônica das águas residuárias. Todas as quatro plantas apresentaram taxas de remoção superiores a 60% para DQO e P-PO43- , e mais de 40% para N-NO3- e Cu. O método Entropia-Fuzzy AHP TOPSIS considerou a Azolla microphylla a mais apropriada para tratamento. A abordagem proposta demonstrou ser confiável na seleção de macrófitas, sendo respaldada por métodos individuais de avaliação e análise de sensibilidade. O terceiro artigo avaliou os impactos da luz de LED, considerando sua duração e intensidade, bem como do fito-hormônio citocinina, no desempenho da Azolla microphylla em tratar de águas residuárias sintéticas suinícolas. Os resultados confirmaram que tanto a luz de LED quanto doses de citocinina influenciaram reduções das concentrações de matéria orgânica, metais e sulfametoxazol (SMX) nas águas residuárias suinícolas. Sob condições de tratamento ótimas, a Azolla removeu DQO (89,2% a 90,8%), N-NH4+ (72,6% a 91,2%), N-NO3- (84,4% a 88,6%), Cu (75,4% a 86,4%), SMX (77% a 79%), P-PO43-(54,1% a 59,9%), e carbono orgânico dissolvido (67,4% a 71,3%). No entanto, essas condições resultaram em uma redução mais moderada para Zn. A influência desses fatores variou para cada poluente, destacando a importância de considerar cuidadosamente os parâmetros de tratamento. A pesquisa desenvolvida nessa tese destaca a importância da seleção precisa de plantas e condições de tratamento para a fitorremediação de águas residuárias, enfatizando a necessidade de abordagens multidisciplinares e o potencial de reaproveitamento da biomassa vegetal. Palavras-chave: Fitorremediação; Biótopo; Matriz Doehlert; Tomada de Decisão Multicritério; Azolla; Águas residuárias de suinocultura.