بخشی از مقاله
چکیده
امروزه آلودگی آبهاي سطحی و به ویژه زیرزمینی به نیترات در برخی مناطق جهان در حال افزایش است. از آن جا که نیترات داراي اثرات بهداشتی و زیستمحیطی است، افزایش آن در آب زیرزمینی منجر به غیر قابل استفاده شدن منابع آب زیرزمینی شده است. یکی از استراتژيهاي ممکن جهت حذف نیترات از آب زیر زمینی استفاده از دیواره دنیتریفیکاسیون است.
دیواره دنیتریفیکاسیون دیواري نیمه نفوذ پذیر است که بر سر راه سفره آب زیرزمینی آلوده به نیترات ساخته میشود، و آب آلوده پس از عبور از آن تصفیه میشود. هدف از این پژوهش تحلیل حساسیت پارامترهاي تاثیرگذار در طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون جهت دستیابی به حداکثر راندمان حذف نیترات از آب زیرزمینی است. در این پژوهش براي شبیهسازي آب زیرزمینی عبوري از دیواره، از کد نرمافزاري Visual Modflow استفاده شد.
سپس از شبیهسازيها براي مطالعهي حساسیت پارامترهاي مختلف و شناسایی بحرانیترین آنها در طراحی سیستم استفاده گردید. نتایج نشان داد که نشان داد که بحرانیترین و مهمترین پارامترها، ضخامت دیواره و پس از آن طول دیوارههاي دنیتریفیکاسیون است. یک نتیجهي مهم حاصل از آنالیز حساسیت هم این است که افت به نسبت ka/kb حساس نیست یا حساسیت بسیار کمی دارد.
مهمترین نتیجهي این مطالعه این است که منحنیهاي طراحی میتوانند براي کمک به درك یک روال براي طراحی دیوارههاي پیوسته مورد استفاده قرار گیرند و روال طراحی مورد اعتبارسنجی قرار گیرد تا مشخصات و خصوصیات دیواره و آبخوان را در بر گیرد. هنگامی که نیاز است دیوارههاي دوترانشهاي نصب شود باید این دیوارهها مانند دیوارههاي تک ترانشهاي طراحی شوند.
-1مقدمه
نیتروژن یک مسئله جهانی است که اهمیت آن به دلیل تاثیر متعددي که در محیطهاي آبی، زمینی و جوي دارد در حال افزایش است . - Galloway et al., 2003, 2008 - در سیستمهاي کشاورزي، نیتروژن فراتر از نیازهاي گیاهان و حیوانات میتواند به آبهاي زیرزمینی کم عمق شسته و در نهایت از طریق تخلیه متمرکز و یا تخلیه منتشر وارد آبهاي سطحی شود.
تخلیه متمرکز در سیستمهاي کشاورزي منظور تخلیه آبهاي خروجی از سیستمهاي زهکشی به داخل آبهاي سطحی است - Duda and Johnson, 1985; Dinnes et al ., 2002 - در حالی که منابع انتشار معمولا تخلیه آبهاي زیرزمینی کم عمق به داخل آبهاي سطحی میباشد . - Schipper et al, 2010 - تعدادي از استراتژيها، به منظور کاهش بار نیتروژن در اکوسیستم- هاي آبی در حال اجرا هستند. فناوريهاي پیچیده اي توسعه یافتهاند تا نیترات را از سیستم تانک سپتیک و تاسیسات تصفیه شهري و فاضلاب حذف کنند . - Oakley et al., 2010 -
در اکوسیستم کشاورزي، بسیاري از روشهاي مدیریت زمین به منظور کاهش تلفات نیتروژن ارائه شده است مانند بهبود راندمان بهرهوري نیتروژن در محصولات کشاورزي، مدیریت نهادههاي نیتروژن از طریق آزمایش خاك، برنامههاي مدیریت زمین و زهکشی کنترل شده - Sims et al., 1995; Drury et al., 1996; . - Dinnes et al., 2002; Jaynes et al., 2004 گستردهترین فرایند درك حذف دائم نیتروژن از اکوسیستمهاي خشکی زي و آبزي، دنیتریفیکاسیون هتروتروف است که از کربن به عنوان منبع دهنده الکترون استفاده میکند و نیترات را به گاز نیتروژن تبدیل میکند . - Seitzinger et al., 2006; Coyne, 2008; Rivett et al., 2008 -
در دسترس بودن و تجزیه منبع کربن براي برانگیختن دنیتریفیکاسیون زمانی حیاتی است که نیترات به میزان زیادي موجود باشد مانند تاسیسات فاضلاب و محیط کشاورزي - . - Schipper et al, 2010 میکروارگانیسمهاي هوازي از طریق اکسیداسیون ترکیبات آلی انرژي به دست میآورند و از O2 به عنوان پذیرنده الکترون استفاده میکنند. کربن آلی در افزایش دنیتریفیکاسیون دو نقش کلیدي را بازي میکند: اولی، محیط فاقد اکسیژن فراهم میکند و دومی، به عنوان دهنده الکترون براي حذف نیتروژن عمل میکند - Schipper et . - al, 2010 دیواره دنیتریفیکاسیون، یکی از استراتژيهاي ممکن جهت استفاده از دنیتریفیکاسیون هترتروف است.
دیواره دنیتریفیکاسیون دیواري نیمه نفوذپذیر است که در آن مواد کربنی جامد ریخته میشود و بر سر راه سفره آب زیرزمینی آلوده به نیترات قرار میگیرد و آب آلوده به نیترات پس از عبور از آن، طی فرایند دنیتریفیکاسیون هترتروف تصفیه می- شود - . - Della Rocca et al, 2007 در شکل 1 نمایی از نحوه عملکرد دیواره دنیتریفیکاسیون نشان داده شده است.
عملکرد بهینهي دیواره دنیتریفیکاسیون جهت حذف نیترات از آب زیرزمینی نیازمند طراحی دقیق دیواره دنیتریفیکاسیون میباشد. به طور کلی طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون شامل تعدادي مراحل متوالی است که شامل ارزیابی فنی و اقتصادي اولیه تعیین مشخصات مکانی که دیواره دنیتریفیکاسیون قرار است در آن جا ساخته شود، انتخاب مواد مورد استفاده در دیواره دنیتریفیکاسیون، مطالعه قابلیت حذف نیترات - آزمایشهاي Batch tests و - Column tests، طراحی مهندسی، انتخاب روش اجرا، تدوین طرح نظارت و آنالیز اقتصادي میباشد - . - Obiri-Nyarko et al, 2014; King et al, 2012 یکی از جنبههاي کلیدي طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون درك خوبی از خصوصیات محوطه و آبخوان است که شامل زمین شناسی محوطه و هیدرولوژي آبخوان میباشد.
بررسی پخش افقی و عمودي توده نیترات، جهت و سرعت جریان آب زیرزمینی و مسیرهاي جریان ترجیحی به همان اندازه مهم هستند - . - Perry, 2008 پس از این که مواد مورد استفاده در دیواره انتخاب شدند؛ ابعاد، محل و جهت قرارگیري دیواره باید تعیین شوند. دو پارامتر مهم که متقابلا به هم وابستهاند، عرض ناحیه جذب و زمان ماند میباشد. زمان ماند به عنوان زمان لازم براي تماس آب زیرزمینی آلوده به نیترات و مواد مورد استفاده در دیواره دنیتریفیکاسیون براي رسیدن به میزان حذف مورد نظر میباشد . - Perry, 2008 - در حقیقت طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون میبایست زمان ماند کافی براي حذف نیترات را تامین کند.
براي تخمین زمان ماند، غلظت نیترات، سرعت بیشینه و یک نرخ تاخیر محافظه کارانه باید در نظر گرفته شود. با این وصف، براي مقرون به صرفه بودن طراحی نهایی، باید ابعاد حداقلی براي دیواره دنیتریفیکاسیون در نظر گرفته شود - . - Erto et al, 2011; Henry et al, 2008; Kacimov et al, 2011 در طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون باید ابتدا پارامترهاي هندسی بهینه - طول، عرض، ضخامت، پیکربندي دیواره - دیواره پیوسته، دیواره قیفی شکل - - تعیین شوند.
بعد از این که پارامترهاي هندسی دیواره دنیتریفیکاسیون همراه با مواد مورد استفاده در دیواره انتخاب شدند، نیاز است که عملکرد دیواره دنیتریفیکاسیون در طی زمان مشخص شود. عملکرد دیواره دنیتریفیکاسیون در طی زمان میتواند با شبیهسازي توسط مدلهاي عددي پیشبینی شود - . - Obiri-Nyarko et al, 2014 لازم به ذکر است که اگر در طراحی دیواره دنیتریفیکاسیون اشتباه کنیم باعث میشود که آرایش آلودگی نیتراتی که در آب زیرزمینی وجود دارد از اطراف دیواره دنیتریفیکاسیون یک گذرگاه براي خودش انتخاب و عبور میکند - . - Schipper et al, 2010 شکل 2 و 3 نمایی از عبور آلودگی نیتراتی آب زیرزمینی از اطراف دیواره دنیتریفیکاسیون را، در اثر طراحی اشتباه دیواره نشان میدهد.
