بخشی از مقاله
چکیده
افزایش آبیاری و بکار بردن آبهای با کیفیت پایین باعث افزایش شوری و همچنین ماندابی اراضی در سالهای اخیر شده است. زهکشی و آبشویی مناسب مؤثرترین روشی است که در شرایط کنونی میتواند برای جلوگیری از روند شور شدن اراضی به کار برده شود. یکی از مهمترین مشکلات سیستمهای زهکشی، آبشویی نیترات و ورود آن به منابع آب سطحی میباشد . افزایش غلظت نیترات در منابع آب باعث ایجاد مشکلاتی برای انسانها و حیوانها میگردد . فرایند دنیتریفیکاسیون یکی از راهکارهای مناسب برای حذف نیترات از آبهای آلوده به نیترات میباشد.
یکی از استراتژیهای ممکن جهت حذف نیترات استفاده از بسترهای دنیتریفیکاسیون است. در واقع بسترهای دنیتریفیکاسیون یک تکنولوژی ساده و نسبتا ارزان هستند که در آنها از منابع کربن جهت تسهیل دنیتریفیکاسیون استفاده میشود. شدت انجام دنیتریفیکاسیون به منابع کربنی مورد استفاده در بسترهای دنیتریفیکاسیون بستگی دارد. مواد کربنی که از آنها در بسترهای دنیتریفیکاسیون استفاده میشود باید با محیط سازگار باشند. یعنی محصول واکنش این ماده و نیترات، نباید هیچ گونه اثر بدی روی طبیعت اطراف خود بگذارد، همچنین خود آن نباید به یک منبع آلودگی در آینده تبدیل شود.
برای اینکه هزینههای ناشی از بسترهای دنیتریفیکاسیون حداقل مقدار باشد، باید موادی انتخاب شود که دوام طولانی داشته و در طول زمان در اثر واکنش زوال پیدا نکنند و همچنین ماده مورد نظر باید کمترین مزاحمت را، برای حرکت آب درون خود فراهم کند. لذا مطالعات آزمایشگاهی برای تشخیص مادهی کربنی مطلوب باید به مدت حداقل یک سال انجام شود و سرانجام مادهی کربنی که بین هزینه و در دسترس بودن آن و همچنین سرعت واکنش آن تعادل باشد انتخاب شود. در این مطالعه به بررسی طیف وسیعی از منابع کربن و عملکرد آنها در بسترهای دنیتریفیکاسیون جهت حذف نیترات از زهاب کشاورزی پرداخته شده است.
-1مقدمه
نیترژون یکی از عناصر اصلی برای رشد و تولید گیاهان میباشد و به چهار فرم اصلی شامل گاز نیتروژن، نیتروژن آلی، آمونیوم و نیترات در خاک یافت میشود و عمدتا به صورت نیترات و در شرایط احیایی به شکل آمونیوم جذب گیاه میگردد.[1] این عنصر علاوه بر شرکت در ساختمان پروتئینهای گیاه، قسمتی از کلروفیل را هم تشکیل میدهد. از آنجایی که این عنصر به حد کافی در خاک وجود ندارد، جهت تأمین نیاز گیاهان، کشاورزان مجبور به استفاده از کودهای نیتروژنه در خاک میباشند.[1] نیترات یکی از آنیونهای معدنی است که در نتیجه اکسیداسیون نیتروژن عنصری حاصل میشود.
این ماده یکی از عناصر بسیار ضروری برای سنتز پروتئین در گیاهان است و نقش مهمی در چرخه نیتروژن بر عهده دارد. نیترات از طریق اکسیداسیون طبیعی تولید میگردد و بنابراین در تمام محیط زیست یافت میشود. در بیشتر محیطهای طبیعی، غلظت نیتروژن نیترات در آب زیرزمینی کمتر از 3 میلی گرم در لیتر میباشد.[1] در سیستم خاک، نیترات به طور مداوم از طریق فرایندهای طبیعی شامل معدنی شدن و نیتریفیکاسیون مواد معدنی خاک به وجود میآید.
شکل 1 چرخه نیتروژن در طبیعت را نشان میدهد. منابع دیگر نیترات خاک شامل کودهای شیمیایی، کودهای حیوانی، پساب تصفیه خانهها، فاضلابهای کشاورزی و صنعتی، ته نشستهای اتمسفری و تثبیت نیتروژن میباشد که همگی آنها میتوانند از طریق نیتریفیکاسیون و معدنی شدن به نیترات تبدیل و در اختیار گیاهان قرار گیرند. با این حال بیشترین منبع نیتروژن خاک ناشی از مصرف بیش از نیاز گیاه کودهای حیوانی و یا کودهای شیمیایی میباشد که باعث تجمع نیترات در پروفیل خاک و به دنبال آن افزایش پتانسیل آبشویی میگردد .[1]
نیترات به دلیل قابلیت حلالیت بسیار بالا و عدم نگهداشت توسط خاک، در صورت کاربرد زیاد و عدم جذب توسط گیاهان، در اثر نفوذ آب به خاک از طریق آبیاری و یا بارندگی به خارج از ناحیه ریشه حرکت میکند. در نتیجه این فرایند، غلظت نیترات آبهای زیرزمینی در مناطق تحت کشت به سرعت افزایش مییابد. روشهای متعددی به منظور حذف آلایندههای نیترات از آبها مورد استفاده قرار میگیرد، اما به واسطه حجم بالای زهابهای کشاورزی و همچنین به دلیل هزینه بالای این روشها، بجز روش حذف بیولوژیک روشهای دیگر برای حذف نیترات از زهابهای کشاورزی قابل استفاده نمیباشند.[3]
یکی از استراتژیهای ممکن دنیتریفیکاسیون بیولوژیک استفاده از بیوراکتورهای دنیتریفیکاسیون است. بسترهای دنیتریفیکاسیون یک تکنولوژی ساده و نسبتا ارزان هستند که در آنها از منابع کربن جهت تسهیل دنیتریفیکاسیون استفاده میشود.[17] بسترهای دنیتریفیکاسیون ترانشههایی پر شده از مواد آلی هستند و مانند منبع انرژی برای باکتریهایی که نیترات را به گاز نیتروژن تبدیل میکنند، عمل میکنند.[18]
در واقع همهی بسترهای دنیتریفیکاسیون یک بیوراکتور دنیتریفیکاسیون هستند و با یک اصل یکسان عمل میکنند یعنی در همهی آنها کربن آلی ریخته میشود و محدودیت انتشار اکسیژن وجود دارد.[19] این بسترها به طور طبیعی به باکتریهای دنیتریفیکاتور وابستهاند تا با مصرف کربن، نیترات موجود در زهاب را کاهش دهند. یعنی کلید تعیین کننده برای حذف نیترات، دسترسی باکتریهای دنیتریفیکاتور به کربن است و هر گونه فرایندی که باکتریهای دنیتریفیکاتور را از رقابت، برای دسترسی به کربن خارج کند موجب میشود میزان حذف نیترات در بسترهای دنیتریفیکاسیون کاهش پیدا کند.[19]
شدت انجام دنیتریفیکاسیون به منابع کربنی مورد استفاده در بسترهای دنیتریفیکاسیون بستگی دارد. به همین خاطر مطالعات متعددی بر روی نوع منبع کربنی جامد در بسترهای دنیتریفیکاسیون متمرکز شدهاند که در قسمت بحث به آنها اشاره میشود. شکل 2 نمونههایی از بسترهای دنیتریفیکاسیون و کاربرد آنها در حذف نیترات از پسابهای مختلف و همچنین منابع کربنی موجود در آنها را نشان میدهد.
