بررسی اثر ارتفاع بیوراکتور پر شده با بیوچار در حذف نیترات و آمونیوم از زه‌آب‌‌زهکش‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب- دانشگاه تهران- پردیس ابوریحان

2 عضوهیات علمی، گروه مهندسی آب، پردیس ابوریحان، دانشگاه تهران

3 عضو هیات علمی گروه مهندسی آب - پردیس ابوریحان- دانشگاه تهران

4 عضو هیات علمی گروه آبیاری و زهکشی - پردیس ابوریحان- دانشگاه تهران- تهران

چکیده

سابقه و هدف: یکی از مهم‏ترین آلاینده‌ها در آب‌های سطحی و زیرزمینی نیتروژن محلول به فرم نیترات می‌باشد. سیستم‌های زهکشی مصنوعی با افزایش نسبی سرعت انتقال زه‌آب به آب‌های سطحی نسبت به حالت طبیعی باعث می‌شوند زمان به وقوع پیوستن فرآیندهای طبیعی از جمله دنیتریفیکاسیون کاهش یابد. بیوراکتورهای دنیتریفیکاسیون با ایجاد یک محیط از منابع کربنی و عبور آب زهکش از میان آن باعث افزایش دنیتریفیکاسیون و حذف نیترات از محیط می‌گردند. در این مطالعه از بیوچار به عنوان دیواره کربنی در بیوراکتور استفاده شده است. در گام نخست به مقایسه عملکرد بیوراکتور پر شده با بیوچار و بیوراکتور پر شده از پوشال گندم در حذف نیترات و آمونیوم از زه‌آب‌ زهکش‌های زیرزمینی پرداخته شد. پس از آن تأثیر ارتفاع بیوراکتور بر غلظت نیترات و آمونیوم خروجی از بیوراکتورهای پر شده با بیوچار پوشال گندم مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این تأثیر گذر زمان بر کارایی بیوراکتورها در حذف نیترات و آمونیوم برای یک دوره چهار ماهه مورد بررسی گردید.
مواد و روش‏ها: در راستای اهدف تحقیق، بیوراکتورهایی با لوله‌های پلی اتیلنی با ارتفاع 125 سانتی متری شبیه سازی شدند. فاکتور تغییر ارتفاع در 4 سطح شامل 5/32، 5/62، 5/92، 125 سانتی متر که به ترتیب با H1 ، H2، H3 و H4 نشان داده شده، مورد بررسی قرار گرفت. شاهد (B0) حاوی 30 درصد حجمی پوشال گندم و بیوراکتورهای نمونه (B1) حاوی 30 درصد حجمی بیوچار پوشال گندم می‌باشند.
یافته‏ها: نتایج نشان داد، غلظت نیترات خروجی از بیوراکتورهای دنیتریفیکاسیون به طور معنی داری تحت تأثیر بیوچار به کار رفته در آن‌ها قرار دارد. میانگین غلظت نیترات خروجی از بیوراکتورهای دارای 30 درصد بیوچار 16/18 میلی گرم در لیتر است در حالیکه این مقدار در بیورکتورهای فاقد بیوچار برابر با 01/49 میلی‌گرم در لیتر می‌باشد. همچنین با افزایش ارتفاع بیوراکتور غلظت نیترات خروجی از بیوراکتور کاهش می‌یابد. در پایان دوره 4 ماهه نمونه‌برداری غلظت نیترات خروجی از تیمارهای نمونه H1B1، H2B1، H3B1 وH4B1 از 160 میلی‌گرم در لیتر به ترتیب به مقادیر 91/20، 85/12، 04/8 و 23/5 میلی‌گرم در لیتر کاهش یافت، در حالیکه در تیمارهای شاهد H1B0، H2B0، H3B0 وH4B0 غلظت نیترات خروجی در پایان دوره نمونه برداری برابر با 17/42، 36/36، 99/28 و 65/19 میلی‌گرم در لیتر است. گذر زمان در سطح 1 درصد تأثیر معنا داری در میزان حذف نیترات دارد و در پایان دوره 4 ماهه آزمایش، میانگین غلظت نیترات خروجی از بیوراکتورهای نمونه به پایین‌ترین حد یعنی 77/21 میلی‌گرم در لیتر می‌رسد، این در حالی است که میانگین غلظت نیترات خروجی در روز اول نمونه برداری 21/59 میلی‌گرم در لیتر مشاهده گردید. غلظت آمونیوم خروجی از بیوراکتورهای حاوی بیوچار و بیوراکتورهای فاقد بیوچار در مقایسه با غلظت آمونیوم ورودی به آن‌ها افزایش یافت، علت این امر را می‌توان اینگونه بیان کرد که بخشی از نیترات توسط باکتری‌های بی‌هوازی به آمونیوم تبدیل می‌گردد. ولی علی رغم این افزایش مقدار آن بسیار ناچیز و کمتر از 5/0 میلی‌گرم در لیتر است.
نتیجه‏گیری: راندمان حذف نیترات در بیوراکتورهای دارای بیوچار بیشتر از بیوراکتورهای فاقد بیوچار هست. افزایش ارتفاع بیوراکتور سبب افزایش حذف نیترات می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of Biochar-filled bioreactor’s height on Nitrate and ammonium reduction of drainage water

نویسندگان [English]

  • maryam ahmadvand 1
  • Jaber Soltani 2
  • Maryam Varavi pour 3
  • seyed ebrahim hashemi garmdare 4
1 Department of Irrigation Engineering, Abouraihan Campus, University of Tehran, Iran
2 Department of Irrigation Engineering, Abouraihan Campus, University of Tehran, Iran
3 Department of Irrigation Engineering, Abouraihan Campus, University of Tehran, Iran
4 irrigation and drainage department- tehran university- tehran
چکیده [English]

Background and objectives: Aqua solutions containing nitrogen as nitrate are considered to be one of the most important pollutants of surface water and underground water. Denitrification bioreactors would provide a carbon sourced environment. Passing drainage water through such bioreactors would result in an increase in denitrification level and also, an increase in nitrate elimination from the environment. Denitrification bioreactors provide a carbon sourced environment. Passing drainage water through such bioreactors results in an increase in denitrification level and nitrate elimination. In this study, biochar is used as carbon wall in bioreactors. At first, nitrate and ammonium elimination performance of biochar-filled bioreactors and wheat straw-filled bioreactors are compared to each other. Later, effect of height of bioreactor on concentration of output nitrate and ammonium is taken under study. Also, performance of bioreactors in nitrate and ammonium elimination is investigated in a four month time period.
Materials and methods: In order to perform this research, poly-ethylene bioreactors with height of 125 centimeters were used. Height factor is taken under study in four levels; H1= 32.5cm, H2=62.5cm, H3=92.5cm, and H4=125cm. Control bioreactors (B0) were filled with 30% wheat straw and sample bioreactors (B1) were filled with 30% Biochar of wheat straw.
Results: Results showed that output nitrate concentration of denitrification bioreactors significantly depends on biochar type. Output concentration of biochar-filled bioreactors (B1) were measured 18.16 mg/liter while the output nitrate concentration of wheat-straw filled bioreactors (B0) were 49.01 mg/liter. Also it has been shown that increasing bioreactor’s height would reduce output nitrate concentration in both bioreactors. After four month of sampling, output nitrate concentration from 160 mg/liter was reduced in different treatments; 20.91 mg/liter in H1B1, 12.85 in H1B2, 8.05 mg/liter in H3B1 and 5.23 in H4B1. Also in control treatments nitrate concentration was reduced to 42.17 mg/liter in H1B0, 36.36 mg/liter in H2B0, 28.99 mg/liter in H3B0 and 19.65 mg/liter in H4B0. Time also has a significant effect on nitrate elimination (P <0.01). after four month of experiment, average concentration of output nitrate in sample bioreactors reached the minimum 21.77 mg/liter, while it was measured 59.21 mg/liter on the first day of experiment. Concentration of output ammonium in both biochar-filled and wheat straw-filled bioreactors was increased comparing to concentration of input ammonium. It can be explained as some of the nitrate is dissimulate to ammonium by anaerobic bacteria. But this increase was less than 0.5 mg/liter, hence was negligible.
Conclusion: performance of nitrate elimination in biochar-filled bioreactors is more than wheat-straw bioreactors. Also height increase in bioreactors would result in more nitrate elimination.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "biochar"
  • "Nitrate"
  • "denitrification"
  • " ammonium"