بررسی آزمایشگاهی اثر پرلیت
بررسی آزمایشگاهی اثر پرلیت، زئولیت و رزین بر کاهش نیترات و فسفات پساب برای استفاده در کشاورزی مطالعه موردی پساب شهر محلات ، جواد مظفری 1 احسان صفری چکیده با توجه به محدودبودن منابع آب و خشکسالیهای اخیر و برداشتهای بیرویه و غیر اصولی از منابع آبهای زیرزمینی،اهمیت استفاده از پساب به عنوان منبعی دائمی، قابل اطمینان و به صرفه جهت تامین آب و حفظ محیط زیست و منابع آبی موجود، بیش از پیش آشکار می گردد. در این راستا استفاده از فیلترها و جاذبهای طبیعی نظیر زئولیتها، پرلیت و رزینهای آنیونی برای بهبود ویژگیهای پساب مورد بررسی قرار گرفت. این پژوهش در 11 ستون PVC به منظور بررسی اثر فیلترهای ترکیبی، شامل زئولیت اصالح شده، پرلیت و رزینهای آنیونی در کاهش آلودگی پساب خروجی انجام شد. آزمایشها شامل دو فاکتور روش کاربرد فیلتر ترکیبی )الیهای و مخلوط( و درصد وزنی ذرات به کار رفته در فیلتر و در مجموع 9 تیمار با دو تکرار انجام گردید. تزریق پساب به داخل خاک به طریق غرقابی و 11 مرتبه با تناوب هفتگی تکرارگردید. اندازهگیریهای نیترات و فسفات زهآب خروجی از ستونهای آزمایش در آزمایشگاه صورت گرفت. نتایج نشان داد کاربرد فیلتر ترکیبی الیهای بیشترین تاثیر را در کاهش نیترات و به طور میانگین تا 81 درصد دارد و بعد از آن فیلتر مخلوط تا 81 درصد سبب کاهش نیترات میشود. همچنین فیلتر ترکیبی الیهای و مخلوط به طور میانگین تا 84 درصد سبب کاهش فسفات میگردند. مقدمه ایران به عنوان یکی از کشورهای خاورمیانه با کاهش منابع آب تجدید شونده مواجه بوده و در حال حاضر در سطح کشور، به ویژه در حواشی شهرهای بزرگ و مراکز استانها، مناطق وسیعی با پسابها و آبهای برگشتی آبیاری میشوند. پسابها حاوی ترکیبات آلی، نمکهای محلول، عناصر ضروری برای گیاهان و مواد سمی شامل فلزات سنگین و پاتوژنها میباشند. در بیشتر مواقع استفاده از پسابها غیر اصولی بوده و برای کشت سبزیجات و صیفیجات به کار رفته و موجب آلودگی محیط زیست، تجمع آلودگی در خاک و انتقال آن به محصولات تولیدی شده است. پیشبینی میشود که در سال 1811 بیش از 11 میلیارد متر مکعب آب در سال در بخش شرب شهری و روستایی و صنعت مصرف خواهد شد. با فرض 41 تا 81 درصد ضریب بازیافت این مصارف، حدود 4 تا 8 میلیارد متر مکعب آب در سال قابل استفاده مجدد بوده و میتواند به طور مستقیم ظرفیت تامین آب کشور برای مصارف کشاورزی و صنعت را افزایش دهد. یکی از مهمترین موارد استفادة پسابها کاربرد در آبیاری محصولات کشاورزی است. باید توجه داشت که شرط استفاده موفقیت آمیز از پساب در کشاورزی، در نظر گرفتن اثرات آن بر محیط زیست و محصوالت کشاورزی میباشد، در غیر این صورت آسیبهای جدی به طبیعت و جوامع انسانی وارد خواهد آمد. از جمله آلودگیهای موجود در پسابها میتوان به نیترات اشاره نمود. پسابهای شهری دارای منابع غنی نیترات هستند زیرا بدن انسان ها به میزان زیادی نیترات دفع می کند )2002., al et Ericson .)یکی از موادی که به منظور جذب نیترات مورد توجه قرار گرفته اند، زئولیتها میباشند )حسینی ابری و همکاران 1714 .)ناظم )1714 )بیان کرد که با افزایش دور آبیاری غلظت کاتیون هاو آنیون ها همراه با زه آب خروجی از ستونهای خاک مخلوط با زئولیت،پرلیت و رزین افزایش یافت. وضعیتی از خاک که باعث افزایش نگهداشت یونهای آمونیوم و نیترات میشود از شدت این مشکل میکاهد. زئولیتهای طبیعی که دارای ظرفیت تبادل یونی باالئی میباشند، ممکن است جهت جذب آمونیم و به تعویق انداختن آبشوئی اضافی نیترات به کار برده شوند )صادقی الری، 1719 .) مهدوی مزده و همکاران )1791 )بیان کردند که زئولیت اصالح شده توسط هگزا دسیل تری متیل ( باالئی آمونیوم بروماید راندمان جذب ) داشت و در غلظت 11 میلیگرم در لیتر ) ( تا 8998 درصد جذب را نشان داد در حالی که زئولیت ( را اصالح نشده فقط 14 درصد جذب ) نشان داد. (2010. (al et Ibrahim در تحقیقات خود به این نتیجه رسیدند که زئولیت ها قادر به جذب عناصر پ سنگین مانند نیکل، سرب، روی و کادمیوم هستند. از زئولیتها در رفع آلودگی مواد رادیواکتیو در حادثه نیروگاه هستهای تری مایل- ایلند آمریکا در سال 1989 استفاده شد )صمدی و همکاران1791 .)هدف اصلی این پژوهش، بررسی تغییرات نیترات و فسفات تصفیه خانه شهرمحالت پس از عبور از ستون حاوی خاک، ذرات پرلیت، زئولیت و رزینهای آنیونی به منظور استفاده در کشاورزی میباشد. مواد و روشها خاک استفاده شده در این تحقیق از محدوده تصفیه خانه محالت تهیه شد . خاک مورد نظر از چندین قسمت واقع در یک قطعه 7 هکتاری برداشته شد و بعد از آوردن به محیط سرپوشیده در هوای آزاد خشک و سپس با هم مخلوط شد. 18 درصد بافت سطحی اراضی محدوده مورد مطالعه، بافتی سنگین و مابقی بافتی متوسط دارد. نتایج پژوهش طباطبائی و همکاران )1791 )و طاهری سودجانی )1791 )نشان داد که استفاده از زئولیت طبیعی موجب کاهش نفوذپذیری و افزایش SAR زهآب خروجی میشود که استفاده از آن را با محدودیت مواجه می کند، لذا برای رفع دو مشکل فوق زئولیت با استفاده از اسیدکلریدریک و کلرید کلسیم اصالح گردید. جهت اصالح زئولیت مقدار یک گرم نمک کلریدکلسیم درون اسید کلریدریک یک نرمال ریخته شد و سپس به محلول حاضر ده گرم زئولیت اضافه گردید به طوری که نسبت فاز جامد به محلول 11:1 بود. محلول مورد نظر به مدت 18 ساعت روی شیکر قرار داده شد. جهت خارج ساختن اسیدهای باقی مانده محلول فوق با آب مقطر شست شو و از کاغذ صافی عبور داده شد و به صورت متوالی PH آن اندازهگیری گردید تا به مقدار ثابتی برسد و پس از آن در ظروف پلی اتیلنی و در هوای آزاد، خشک شد. پرلیت استفاده شده در آزمایش از نوع شکری سفید رنگ تولید کارخانه تبریز میباشد و رزین استفاده شده در آزمایش رزین آردی دارچینی رنگ ساخت کارخانه شیراز میباشد. با توجه به پژوهش طاهری سودجانی )1791 )ذرات کوچکتر زئولیت کارایی بهتری نسبت به ذرات با اندازه بزرگتر داشتند. بنابراین برای این پژوهش ذرات زئولیت، پرلیت و رزین از الک 47 میکرون عبور داده و از مواد فوق در اندازه کوچکتر از 47 میکرون استفاده شد. برای جلوگیری از خروج ذرات خاک از کف ستونها از فیلتر استفاده شد. انتخاب فیلتر به روش USBR انجام گرفت به این صورت که بعد از تعیین D60 از روی منحنی دانه بندی خاک9 حد باال و پائین فیلتر با توجه به استاندارد USBR تعیین شد ,USBR( (1987 .واحدهای آزمایشی در داخل 11 ستون استوانهای از جنس لوله پی وی سی 111میلیمتری به قطر داخلی 1190 سانتی متر و با ارتفاع 41 سانتیمتر پیاده شد. تیمارها در آزمایشگاه پنج سانتیمتر کف هر ستون با استفاده از فیلتر شنی برای جلوگیری از خروج ذرات خاک پر شد. روی فیلتر شنی تا ارتفاع 81 سانتیمتر از خاک یا ترکیب خاک زئولیت اصالح شده و پرلیت و رزین آنیونی به صورت مخلوط و یا به صورت الیهای پر شد. برای پر کردن ستون آزمایشی الیهای مشابه ستون مخلوط عمل میشود با این تفاوت که همان میزان زئولیت و پرلیت و رزین به صورت الیه به الیه با درصد یکسان داخل ستون ریخته میشود. سپس برای جلوگیری از بهم خوردن سطح خاک، الیهای از شن درشت به ارتفاع 0 سانتیمتر داخل هر لوله ریخته شد. بدین ترتیب 11 سانتیمتر از باالی هر لوله برای آبیاری ستون خاک باقی میماند. برای جلوگیری از حرکت جانبی آب به طرف پائین ستونها قسمت داخلی ستونها با استفاده از گریس پوشانده شد. به منظور انسداد بخش انتهائی ستونها و در عین حال برقراری امکان خروج آب، از توری فلزی با قطر روزنههای یک میلیمتر استفاده شد. در ابتدا تمام ستونهای آزمایشی با استفاده از آب معمولی آبیاری میشود. حجم پساب به کار برده شده در سه آبیاری اول، 190nv(n تخلخل ستون خاک و v حجم کل ستون خاک( صورت گرفت تا خاک نشت خود را داشته باشد سپس در سه دور آبیاری بعدی به میزان nv( حجم فضای خالی موجود در خاک پرشده در ستون ها( با روش غرقابی بر مبنای دور ثابت 8 روز به تعداد 4 دور آبیاری شدند. این آزمایش مشتمل بر 9 تیمار و1 تکرار بود. هر یک از تیمارها با عالمت اختصاری sh ،M2 ، نمایش Lp4 ،Lp2 ،Lz4 ،Lz2، Lzpr4 ،Lzpr2 ،M4 داده شده است و اندیسها به صورت زیر تعریف شدند: sh بیانگر ستون شاهد، M بیانگرستون مخلوط با خاک، L بیانگرستون الیهای در خاک، z زئولیت، p پرلیت وr رزین و 1 و 8 درصد وزنی زئولیت، پرلیت و رزین میباشد طرح آماری در قالب طرح کاملا تصادفی با دو فاکتور اجرا گردید. فاکتور اول، روش کاربرد زئولیت اصلاح شده، پرلیت و رزین در دو سطح الیهای و مخلوط و فاکتور دوم درصد مواد زئولیت اصلاح شده، پرلیت و رزین در دو سطح 1 و 8 درصد وزنی میباشد. برای اندازه گیری مولفه های شیمیائی پساب خروجی از ستونها 11 مرتبه تزریق پساب با تناوب هفتگی صورت گرفت و در هر بار تزریق نفوذ اندازهگیری و از پساب خروجی 1 مرتبه نمونه برداشت شد. جمع آوری زه آب خروجی از ستونهای خاک پس از گذشت 18 ساعت از زمان آبیاری انجام شد. پس از دور نهم یک آبشوئی صورت گرفت. سپس نمونهها به آزمایشگاه منتقل شده و اندازهگیری نیترات و فسفات خروجی انجام گردید. نتایج و بحث بررسی تغییرات نفوذ طی دوره آزمایش ،سرعت نفوذ اندازه گیری شده در مراحل تزریق آب را نشان میدهد. با توجه به شکل مذکور در مرحله اول تا پنجم به علت باال بودن میزان مواد جامد معلق پساب و وجود الیههای فیلتر در خاک شدت نفوذ کاهش یافته اما از این مرحله به بعد با اشباع شدن فیلتر به تدریج افزایش نسبی نفوذ در تمام تیمارها مشاهده شد که با نتایج طباطبائی و همکاران )1791 )و قبادینیا و همکاران)1791 )مبنی بر بهبود سرعت نفوذ در استفاده از پساب مطابقت داشت. بیشترین و کمترین سرعت نفوذ به ترتیب متعلق به تیمارهای به روش مخلوط با دو درصد وزنی و روش الیه ای با 8 درصد وزنی به مقدار 81/1 و 14/1 سانتی متر بر دقیقه میباشد.اختلاف معنی داری بین کاربرد فیلتر ترکیبی در سطح و یا در وسط خاک وجود ندارد و اختلاف بین تیمارهای مخلوط و الیهای زیاد نمی باشد. بررسی تغییرات نیترات زه آب خروجی ،میزان نیترات زه آب خروجی در کلیه ستونهای آزمایشی کمتر از میزان ورودی است. قابل ذکر است که میزان نیترات ورودی برابر با 10 میلیگرم در لیتر است. همچنین میزان نیترات زه آب خروجی از ستون شاهد در کلیه آبیاریها بیشتر از ستونهای دارای زئولیت، پرلیت و رزین بوده و از دور پنجم با افزایش دور آبیاری میزان نیترات خروجی در این ستون مجددا افزایش یافته است . نیترات زه آب خروجی در دورههای مختلف با توجه به شکل 0 ،همواره میانگین نیترات زه آب خروجی در کلیه تیمارها کمتر از میزان نیترات ورودی )10 میلی گرم در لیتر( است. تیمار Lzpr4 و sh به ترتیب با تغییرات 10/81 و 0/77 درصد بیشترین و کمترین تاثیر را برای حذف نیترات پساب در بین کلیه تیمارها داشتند. جدول 7 ،تجزیه واریانس درصد تغییرات در کل دوره را نشان میدهد. مطابق جدول اثر تیمارها در کلیه دورههای آبیاری در سطح یک درصد معنی دار بود ستونهای مخلوط و الیهای نسبت به ستون شاهد میزان آبشوئی نیترات را کاهش دادند. بنابراین استفاده از زئولیت، پرلیت و رزین در هر دو شکل مخلوط و الیهای توانائی جذب نیترات توسط خاک را افزایش داده و در فصل رشد گیاه باعث کاهش نیاز به کود نیتراته خواهد شد و در اثر آن از آلودگی آبهای زیرزمینی جلوگیری می شود. حسینی ابری و همکاران )1714 )و صادقی الری و همکاران )1719 )نتایج مشابه ای در این زمینه گرفتند. تغییرات نیترات در روش زئولیت، پرلیت و رزین به صورت الیهای بیشتر از روش مخلوط است. وجود الیه زئولیت، پرلیت و رزین باعث کاهش سرعت نفوذ پساب به داخل خاک شده و در نتیجه زمان ماند نیترات داخل خاک افزایش یافته است و همین امر باعث کاهش آبشوئی نیترات شده است. همانطور که مشاهده شد با آبشوئی ستونهای آزمایشی در دور نهم میزان نیترات زه آب خروجی در دور دهم دوباره کاهش یافت. میزان آبشوئی نیترات از دور ششم به بعد در هر دو ستون مخلوط و الیه ای افزایش یافته است و میزان این افزایش در ستون مخلوط بیشتراز الیهای است. همانطور که مشاهده شد با آبشوئی ستونهای آزمایشی در دور نهم میزان نیترات زه آب خروجی در دور دهم دوباره کاهش یافت بررسی تغییرات فسفات در زه آب خروجی ،میزان فسفات خروجی کمتر از فسقات ورودی )11 میلیگرم در لیتر( بوده و میزان فسفات خروجی از ستون شاهد در کلیه آبیاریها بیشتر از ستونهای دارای زئولیت، پرلیت و رزین بوده است. همانطور که مشاهده می شود تا دور پنجم فسفات کاهش یافته است که دلیل آن کاهش سرعت نفوذ در ستونهای آزمایشی و افزایش زمان تماس پساب با خاک می باشد ولی از دور ششم به بعد با افزایش سرعت نفوذ فسفات خروجی نسبت به دورههای بعد بیشتر شده است. با آبشوئی پس از دور نهم فسفات خروجی در دور دهم مجددا کاهش یافت. ،همواره میانگین فسفات زه آب خروجی در کلیه تیمارها کمتر از میزان ورودی )11 میلیگرم در لیتر( است. تیمار M4 و sh به ترتیب با تغییرات 14/84 و11/78 درصد، بیشترین و کمترین تاثیر را برای حذف فسفات پساب در بین کلیه تیمارها داشتند. ستونهای مخلوط و الیهای نسبت به شاهد میزان آبشوئی فسفات را کاهش دادند. بنابراین استفاده از زئولیت، پرلیت و رزین در هر دو شکل مخلوط و الیهای توانائی جذب فسفات توسط خاک را افزایش داده و در فصل رشد گیاه باعث کاهش نیاز به کود فسفات و آلودگی آبهای زیرزمینی میشود. تغییرات فسفات در روش کاربرد زئولیت، پرلیت و رزین به صورت الیهای بیشتر از روش مخلوط است. وجود الیه زئولیت، پرلیت و رزین در الیههای خاک باعث کاهش سرعت نفوذ به داخل خاک شده و در نتیجه زمان ماند فسفات داخل خاک افزایش یافته و همین امر باعث کاهش آبشوئی فسفات شده است. میزان آبشوئی فسفات تا دور آبیاری پنجم در هر دو ستون مخلوط و الیهای کاهش یافته است و از دور ششم به بعد با افزایش سرعت نفوذ پساب در خاک میزان آبشوئی فسفات در خاک افزایش یافته است. این افزایش در ستون آزمایشی مخلوط بیشتر از الیهای است. با افزایش دور آبیاری غلظت کاتیونها و آنیونها همراه با زهآب خروجی از ستونهای خاک مخلوط با زئولیت، پرلیت و رزین افزایش یافت. با آبشوئی ستونهای آزمایشی در دور نهم میزان فسفات زهآب خروجی در دور دهم دوباره کاهش یافت. نتیجه گیری میزان قابل توجه پسابهای خانگی و نیاز روزافزون استفاده از آب جهت کشاورزی، استفاده از پسابها را در کشاورزی رایج کرده است. بنابراین بررسی آلودگی پسابها و روشهای ارزان قیمت برای کاهش آنها ضروری بنظر میرسد. هدف از این پژوهش بررسی اثرات استفاده از فیلترهای ترکیبی طبیعی جهت کاهش آلودگی پساب تصفیه شده بوده است. روش تحقیق بر اساس اندازهگیری آزمایشگاهی نیترات و فسفات پساب که از ستونهای آزمایشی با فیلترهای طبیعی شامل زئولیت، پرلیت و رزین آنیونی عبور کرده، میباشد. پژوهش شامل دو روش کاربرد )الیهای، مخلوط( و دو مقدار دو و چهار درصد وزنی میباشد. نتایج نشان داد استفاده از زئولیت اصالح شده، پرلیت و رزین آنیونی به عنوان فیلتر ترکیبی به صورت مخلوط دارای آبگذری بیشتری نسبت به کاربرد آن به صورت الیهای است. همچنین، کاربرد مواد فیلتری در این آزمایش به صورت الیهای و بعد از آن به صورت مخلوط بیشترین تاثیر در کاهش نیترات و فسفات خروجی و جذب آن را دارد. تاثیر پرلیت بیشتر از زئولیت در کاهش نیترات و فسفات خروجی و جذب آن میباشد. برای در نظرگیری تاثیر آبشویی، قبل از انجام دور آخر آزمایشات، آبشویی انجام گردید. نتایج نشان داد که با آبشوئی ستونهای آزمایشی از روند افزایشی خروج زهآب کاسته شد. بنابراین با آبشوئی فیلتر در زمان کاهش عملکرد میتوان کیفیت آن را بهتر کرد.