بررسی تاثیر روش کاربرد، اندازه ذرات و درصد زئولیت بر کیفیت پساب شهري
چکیده
کمبود آب باعث توجه به منابع آبهاي نامتعارف از جمله پسابها درکشاورزي شده است. براي استفاده از پسابها باتوجه به کیفیت نامناسب آنها، استفاده از مواد اصلاحی مانند زئولیتها در خاك اهمیت پیدا میکند. در این پژوهش به بررسی اثر روش، میزان کاربرد و اندازه زئولیت، بر تغییرات ایجاد شده روي هدایت الکتریکی، pH،، سدیم، مجموع کلسیم و منیزیم پساب ورودي هنگام عبور ازستونهاي خاك پرداخته شد. آزمایشها روي دو BOD5روش کاربرد (مخلوط و لایهاي)، دو نوع اندازه ذره (بین 125 و 63 میکرون و کوچکتر از 63 میکرون)، دو مقدار
مختلف (2 و 4 درصد) و در چهار دور آبیاري (اول، چهارم، نهم و سیزدهم) در داخل 27 ستون پیويسی با قطر اسمی(خارجی) 11 سانتیمتر و ارتفاع 60 سانتیمتر انجام شد. این آزمایشها مشتمل بر 9 تیمار و 3 تکرار بود. تزریق پساب
به داخل خاك 13 مرتبه با تناوب هفتگی تکرار شد. در دور آبیاري یک، چهار، نه و سیزدهم اندازهگیري پارامترهاي ذکر شده، روي پساب ورودي و زهآب خروجی از هر ستون صورت گرفت. نتایج نشان داد که در شرایط انجام آزمایش، کاربردزئولیت باعث افزایش میزان سدیم، pH و هدایت الکتریکی زهآب خروجی از ستونها شد و در مقابل راندمان
جذب مجموع کلسیم و منیزیم در تیمارهاي مخلوط و لایهاي نسبت به تیمار شاهد به ترتیب 142 و 7/75 درصد 5 افزایش یافت. همچنین افزایش راندمان حذف BOD
در تیمار مخلوط و لایهاي نسبت به تیمار شاهد به ترتیب 1/43 و 87 درصد بود.
مقدمه
ایران از جمله کشورهاي خشک و نیمه خشک دنیا به حساب میآید، میزان مصرف آب در بخش کشاورزي بالاترین درصد (بیش از 90 درصد) را بین کلیه مصارف به خود اختصاص داده و در بسیاري از نقاط کشور، افزایش روزافزون مصرف آب و محدودیت منابع آب باعث گردیده که برنامهریزان و مدیران دربرنامه ریزيهاي توسعه، به کلیه منابع متعارف و غیرمتعارف آب توجه نمایند
استفاده از فاضلابها در امر آبیاري و تولید محصولات کشاورزي، به عنوان منبع آب غیر متعارف و داراي عناصرکودي مورد نیاز گیاه، از دیرباز در بسیاري از نقاط دنیارواج داشته است
در صورت استفاده از این منابع به دلیل آبشویی کاتیونهاي محلول به ویژه کلسیم و منیزیم، نیتروژن نیتراتی و کربن آلی از خاك، باید با مدیریت صحیح صورت گیرد
.(از جمله روشهاي مدیریتی استفاده از مواد اصلاحی مانند زئولیت در خاكها براي افزایش ظرفیت تبادلی کاتیونی آنها میباشد
.(زئولیت از آلومینوسیلیکاتهاي بلورین است که از واحدهاي تتراهدرال SiO4 و AlO4 تشکیل شده و اکسیژن عامل اتصال این واحدها است
.(این طریقه اتصال ساختار شبکه بلور را ایجاد کرده و داخل آن حفرههایی با ابعاد مولکولی ایجاد شده است. کلسیم و پتاسیم و دیگر کاتیونهاي تبادلی میتوانند در حفرههاي ساختمان زئولیت نفوذ کرده و جذب شوند
پدیده تبادل یونی یکی از ویژگیهاي زئولیتهاست درپدیده تبادل یونی، یک یون با یون دیگري که به صورت موقت نگهداري میشده، تبادل میگردد تحقیقات انجام شده نشان دهنده توانایی زئولیت در بهبود نسبی کیفیت پسابها بوده است
. ناظم و همکاران نتیجه گرفتند که اضافه کردن زئولیت به خاك سبب جذب نمکهاي بیشتري از شیرابه ورودي شده و در نتیجه هدایت الکتریکی زهآب خروجی از تیمارها کاهش یافته است. زمانیان (بیان کرد که زئولیت تمایل به جذب سدیم موجود در شیرابه را نداردو به دلیل ظرفیت تبادل کاتیونی بالا تمایل بیشتري به جذب کاتیونهاي دو ظرفیتی نسبت به کاتیونهاي یک
ظرفیتی را از خود نشان میدهد. عکاشه و همکاران در تحقیقات خود خروج سدیم از ساختار زئولیت و جایگزینی آن با کلسیم را نتیجه گرفتند و دلیل جذب قويتر کلسیم را دو ظرفیتی بودن آن دانستند. زمانیان در تحقیقات خود کاربرد زئولیت را سبب افزایش pH زهآب خروجی از لایسیمترهاي خاك دانست.
بررسی ها نشان میدهند که خاكها با دارا بودن ویژگیهاي فیزیکوشیمیایی و زیستی بسیار پیچیده، توانایی خوبی در حذف و پالایش آلاینده هاي موجود در پساب رااز خود نشان میدهند
هر چه زمان عبور پساب از بین ذرات خاك طولانیتر باشد، به دلیل تماس بیشتر و در نتیجه تاثیر بیشتر فرایندهاي شیمیایی و بیولوژیک خاك بر کیفیت پساب، امکان انتقال آلایندهها به عمق خاك کاهش مییابد .
(در تحقیق انجام شده در دانشگاه تهران با بهره گیري از پروفیل خاك به عنوان یک فیلتربیولوژیکی مشخص شدکه بسیاري از آلودگیهاي فاضلاب پس از عبور از پروفیل خاك به میزان قابل توجهی کاهش یافته، به گونه اي که میزان متوسط BOD5 (اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی) از 160 میلیگرمدرلیتر درفاضلاب به 9 میلیگرمدرلیتر در زه آب کاهش یافته بود
گزارش کردند که با گذر زمان BOD5 زهآب خروجی از زهکش زمین مورد تحقیق افزایش یافته و علت این امر را کاهش توانایی خاك براي حذف مواد آلی و همچنینBOD5 بالاي پساب عنوان کردند.
چن و همکاران(2008 (میزان BOD5 و COD خروجی از سیستم تصفیهزمینی (زمینهاي مرطوب) به کار رفته در آزمایش را باگذر زمان ثابت دانستند. با توجه به تحقیقات زمانیان (1387 (زئولیت به دلیل ظرفیت تبادل کاتیونی بالا و نیز حفرات و کانالهاي خود میتواند، بعضی از مواد آلی موجود در شیرابه را در خود جاي دهد و از خروج آنها جلوگیري کند و در نتیجه سبب کاهش بیشتر اکسیژن مورد نیاز شیمیایی زهآب خروجی در این تیمارها نسبت به تیمار شاهد شود.
در تصفیه خانه ها فرایندهاي فیزیکی و بیولوژیکی براي تصفیه فاضلابها انجام میشود با توجه به این که این فرایندها براي تصفیه کامل فاضلاب ها کافی نیست بنابراین نیاز به فرایندهاي پیشرفته تر براي تصفیه آنها ضرورت مییابد.
با توجه به این امر تحقیق حاضر با هدف بررسی تغییرات برخی پارامترهاي شیمیایی پساب شهرکرد با استفاده از ترکیب خاك و میکروزئولیت به دو روش مخلوط و لایه اي با اندازه ذرات و درصدهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفته و عملکرد آنها با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفت.
مواد و روشها
تحقیق حاضر به منظور بررسی امکان تصفیه بیشتر برخی پارامترهاي شیمیایی پساب تصفیه خانه شهرکرد بااستفاده از خاك و یا ترکیب خاك و میکروزئولیت به
عنوان یک فیلتر، در سال 1390 و در دانشگاه شهرکرد انجامشد. پساب استفاده شده در این تحقیق از محل تصفیه خانهفاضلاب شهرکرد تأمین شد. برواحدهاي آزمایشی در داخل 27 ستون استوانهاي از جنس لوله ي پی وي سی 110 به قطر داخلی 5/10 سانتیمتر و باارتفاع 60 سانتیمتر پیاده شد. به منظور جلوگیري ازحرکت جانبی آب به طرف پایین ستونها قسمت داخلی ستونها با استفاده از گریس پوشانده شد. به منظور انسدادبخش انتهایی ستونها و در عین حال برقراري امکانخروج آب از توري فلزي با قطر روزنههاي یک میلیمتراستفاده شد.
براي پر کردن ستونها به صورت زیر عمل شد. ابتدا پنج سانتیمتر کف هر ستون با استفاده از فیلترشنی (انتخاب فیلتر به روش USBR (براي جلوگیري ازخروج ذرات خاك پر شد (طباطبائی و همکاران، 1390.(روي فیلتر شنی تا ارتفاع 40 سانتیمتر از خاك یا از ترکیب خاك و زئولیت (بسته به تیمار) پر شد. سپس براي جلوگیري از بهم خوردن سطح خاك، لایهاي از شن
درشت به ارتفاع 5 سانتیمتر داخل هر لوله ریخته شد.
بدین ترتیب 10 سانتیمتر از بالاي هر لوله براي آبیاري ستون خاك باقی ماند. براي پرکردن تیمارهاي لایه اي مشابه تیمارهاي مخلوط عمل شد با این تفاوت که همان میزان زئولیت به صورت لایهاي در وسط نمونه خاك ریخته شد. در ابتداي دوره 27 ستون خاك سه بار بااستفاده از آب معمولی به میزان 5nv/1 تیمار شاهد (nتخلخل و v حجم کل ستون خاك تیمار شاهد) آبیاري شد تا خاك نشست خود را داشته باشد.
. آنالیز آماري با استفاده از نرم افزار SAS صورت گرفت. مقایسه میانگینها به روش آزمون چند دامنهاي دانکن در سطح اطمینان 95 درصد انجام گردید.
نتایج و بحث
– تغییرات pH
میزان pH زهآب خروجی در اثر عبور پساب از داخل ستونها در طول مدت آزمایش نسبت به pH پساب
ورودي افزایش یافت و این افزایش براي تیمارهاي داراي زئولیت بیش از تیمار شاهد بود
بررسی درصد تغییرات pH نشان داد که درصد زئولیت بالاتر وکاربرد آن به صورت مخلوط باعث افزایش بیشتر pHخروجی شد و اختلاف بین تیمارها در سطح یک درصد
معنی دار بود.
دلیل این امر را میتوان اینگونه بیان نمود که به دلیل آنکه زئولیت داراي سدیم است، وجود سدیم در خاك باعث افزایش خاصیت قلیاییت خاك و در نتیجه افزایش pHدر تیمارهاي داراي زئولیت به خصوص در آبیاريهاي ابتدایی شده ولی با افزایش دور آبیاري و با شسته شدن سدیم، قلیاییت خاك کاهش یافته و از میزان pH زهآب خروجی کاسته شد،به گونهاي که در آبیاري سیزدهم هیچ یک از تیمارها اختلاف
معنیداري با هم نداشتند. نتایج بدست آمده با نتایج زمانیان
(1387 تطابق داشت.
تغییرات هدایت الکتریکی (EC (
بررسی میانگین مقدار شوري در زهآب خروجی بیانگر آن است که میانگین مقدار شوري در زهآب خروجی همواره بیشتر از میانگین آن در پساب ورودي است.(افزایش شوري در زهآب خروجی نسبت به پساب ورودي به دلیل کسر آبشویی 85 درصد، قابل توجیه است
(کریستن و همکاران، 2010 نشان داد که درصد زئولیت بالاتر و کاربرد آن به صورت لایهاي هدایت الکتریکی را به صورت معنیداري
افزایش داد. کاهش اندازه ذرات، در تیمارهاي مخلوط و لایهاي به ترتیب باعث افزایش و کاهش درصد تغییرات هدایت الکتریکی گردید. درصد تغییرات هدایت الکتریکی
در دورهاي مختلف آبیاري نشان داد
که در اکثر تیمارهاي ترکیب شده با زئولیت در دور آبیاري اول درصد تغییرات زیاد بوده و با افزایش دور آبیاري درصد تغییرات هدایت الکتریکی به صورت معنیدار کاهش یافت و هدایت الکتریکی زهآب خروجی به هدایت الکتریکی پساب ورودي نزدیک شد.
زئولیت به دلیل هدایت الکتریکی بالا، باعث افزایش هدایت الکتریکی زهآب خروجی در دور اول آبیاري نسبت به تیمار شاهد شد اما با آبشویی زئولیت، میزان EC طی دوره آزمایش کاهش یافت
اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD (بررسی میانگین مقدار BOD5 در نمونه هاي زهآب
جمع آوري شده بیانگر آن است که میانگین مقدار BOD5 زه آبهاي خروجی همواره کمتر از میانگین آن در پساب ورودي است
نتایج آزمون مقایسه میانگین
نشان داد که روش کاربرد به صورت لایهاي و همچنین افزایش درصد وکوچک شدن اندازه ذرات زئولیت
سبب کاهش بیشتر BOD5 زهآب خروجی شده است. به نظر میرسد لایه زئولیت قرار گرفته در وسط تیمارهاي لایهاي مانع عبور مواد آلی موجود در پساب شده و به طبع آن اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی به دلیل غلظت کم مواد آلی در زهآب خروجی کاهش یافته است. تیمارهاي مخلوط تاآبیاري نهم توانایی خود را براي کاهش BOD5 پساب حفظ نمودند ولی در آبیاري سیزدهم میزان BOD5 زه آب به طور معنیداري افزایش یافت. دلیل این امر کاهش قدرت تصفیه کنندگی خاك و زئولیت در جذب مواد آلی بود. اما در تیمارهاي لایه اي با افزایش دور آبیاري میزان BOD5 زهآب خروجی به طور معنیداري افزایش یافت.
زئولیت به دلیل دارا بودن ظرفیت تبادل کاتیونی بالا و نیز حفرات و کانال-هاي خود میتواند مواد آلی موجود در پساب را در خودجاي دهد و از خروج آنها جلوگیري کند به همین دلیل کاهش BOD5 پساب با افزایش میزان زئولیت به کار رفته مشاهده شد .
سدیم (Na (با توجه به نتایج، به جز تیمار شاهد، در سایر تیمارها میزان سدیم پساب در اثر عبور ستونها افزایش یافت (در میان تیمارهاي تحقیق، تیمارهاي مخلوط4 درصد (MB4 و MA4 (میزان سدیم خروجی بیشتري در زه آب نسبت به سایر تیمارها داشتند. میزان سدیم خروجیدر تیمارهاي مخلوط بیشتر از لایه اي بود. با کوچک کردن اندازه ذرات زئولیت میزان سدیم خروجی در تیمارهاي
مخلوط و لایهاي به ترتیب کاهش و افزایش یافت. با افزایش میزان زئولیت درخاك، میزان سدیم زهآب خروجی در هر دو روش کاربرد مخلوط و لایهاي به صورت معنی- داري افزایش یافت (جدول 5 .(بیشترین میزان خروج سدیم در تیمارهاي مخلوط و لایهاي در آبیاري اول مشاهده شد و در تیمارهاي مخلوط به صورت معنیدار میزان سدیم زه آب خروجی در دوره اي آبیاري بعدي کاهش یافت اما در تیمارهاي لایهاي اختلاف معنی داري از لحاظ خروج سدیم در دوره اي آبیاري بعدي مشاهده نشد.
اختلاف هاي میان تیمارها در کلیه دورهاي آبیاري در سطح یک درصد معنیدار شد (01/0
سدیم با توجه به نتایج، به جز تیمار شاهد، در سایر تیمارها میزان سدیم پساب در اثر عبور ستونها افزایش یافت(شکل 8 .(در میان تیمارهاي تحقیق، تیمارهاي مخلوط 4 درصد (MB4 و MA4 (میزان سدیم خروجی بیشتري در زهآب نسبت به سایر تیمارها داشتند. میزان سدیم خروجی در تیمارهاي مخلوط بیشتر از لایهاي بود. با کوچک کردن اندازه ذرات زئولیت میزان سدیم خروجی در تیمارهاي مخلوط و لایهاي به ترتیب کاهش و افزایش یافت. با افزایش میزان زئولیت درخاك، میزان سدیم زهآب خروجی در هر دو روش کاربرد مخلوط و لایهاي به صورت معنی-داري افزایش یافت (جدول 5 .(بیشترین میزان خروج سدیم در تیمارهاي مخلوط و لایهاي در آبیاري اول مشاهده شد و در تیمارهاي مخلوط به صورت معنیدار میزان سدیم زهآب خروجی در دورهاي آبیاري بعدي کاهش یافت اما در تیمارهاي لایهاي اختلاف معنیداري از لحاظ خروج سدیم در دورهاي آبیاري بعدي مشاهده نشد (شکل 9 .(اختلافهاي میان تیمارها در کلیه دورهاي آبیاري در سطح یک درصد معنیدار شد (01/0
کاربرد ذرات ریزتر در تیمارهاي مخلوط سبب کاهش میزان درصد تغییرات SAR شده است در حالی که در روش لایه اي باعث افزایش درصد تغییرات SAR شد. با افزایش میزان زئولیت SAR زه آب خروجی در تیمارهاي مخلوط افزایش یافته است در حالی که در تیمارهاي لایهاي اختلاف معنی داري مشاهده نشد .
نتیجه گیري
– افزودن زئولیت به خاك باعث افزایش میزان pH و هدایت الکتریکی زهآب خروجی به خصوص در دوره اي اولیه شد.
– میانگین سدیم زهآّب خروجی از تیمار شاهد نسبت به میانگین سدیم پساب ورودي 99/64 درصد کاهش نشان داد، در حالی که در تیمارهاي مخلوط و لایهاي، سدیم زه آب خروجی به دلیل استفاده از زئولیت 24/48 و 76/6درصد از میزان سدیم پساب ورودي بیشتر بود.
– میزان BOD5 زه آب خروجی در تیمارهاي شاهد، مخلوط و لایهاي به ترتیب 42/38 ،98/54 و 84/71 درصد نسبت به BOD5 پساب ورودي کمتر بود.
– میزان آبشویی مجموع کلسیم و منیزیم در تیمارهاي شاهد و لایهاي به ترتیب 8/52 و 16/11 درصد بود در حالی که تیمارهاي مخلوط میزان مجموع کلسیم و منیزیم زه آب خروجی 55/22 درصد نسبت به پساب ورودي کمتر بود.
– افزایش میزان زئولیت و کوچک کردن ذرات آن سبب
کاهش معنی دار BOD5 و مجموع کلسیم و منیزیم زه آب خروجی شد.
– اگر هدف از کاربرد زئولیت کنترل BOD5 پساب باشد، کاربرد زئولیت به صورت لایهاي و در صورتی که هدف جذب مجموع کلسیم و منیزیم پساب توسط خاك باشد
کاربرد زئولیت به صورت مخلوط عملکرد بهتري دارد.
– در مجموع میتوان بیان نمود که تیمار لایهاي کارایی بهتري داشته است و درصورتیکه هدف استفاده از زه آب خروجی ستونها باشد، تیمارهاي لایهاي براي این منظور مناسب تر است.