بررسي اثر ارتفاع بيوراكتور پر شده با بيوچار در حذف نيترات و آمونيوم از زه‌ آب‌‌ زهكش‌ها

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

سابقه و هدف: يكي از مهمترين آلاينده‌ها در آب‌هاي سطحي و زيرزميني نيتروژن محلول به فرم نيترات مي‌باشد. سيستم‌هاي زهكشي مصنوعي با افزايش نسبي سرعت انتقال زه‌آب به آب‌هاي سطحي نسبت به حالت طبيعي باعث مي‌شوند زمان به وقوع پيوستن فرآيندهاي طبيعي از جمله دنيتريفيكاسيون كاهش يابد. بيوراكتورهاي دنيتريفيكاسيون با ايجاد يك محيط از منابع كربني و عبور آب زهكش از ميان آن باعث افزايش دنيتريفيكاسيون و حذف نيترات از محيط مي‌گردند. در اين مطالعه از بيوچار به عنوان ديواره كربني در بيوراكتور استفاده شده است. در گام نخست به مقايسه عملكرد بيوراكتور پر شده با بيوچار و بيوراكتور پر شده از پوشال گندم در حذف نيترات و آمونيوم از زه‌آب‌ زهكش‌هاي زيرزميني پرداخته شد. پس از آن تأثير ارتفاع بيوراكتور بر غلظت نيترات و آمونيوم خروجي از بيوراكتورهاي پر شده با بيوچار پوشال گندم مورد بررسي قرار گرفت. علاوه بر اين تأثير گذر زمان بر كارايي بيوراكتورها در حذف نيترات و آمونيوم براي يك دوره چهار ماهه مورد بررسي گرديد. مواد و روشها: در راستاي اهدف تحقيق، بيوراكتورهايي با لوله‌هاي پلي اتيلني با ارتفاع 125 سانتي متري شبيه سازي شدند. فاكتور تغيير ارتفاع در 4 سطح شامل 32/5، 62/5، 92/5، 125 سانتي متر كه به ترتيب با H1 ، H2، H3 و H4 نشان داده شده، مورد بررسي قرار گرفت. شاهد (B0) حاوي 30 درصد حجمي پوشال گندم و بيوراكتورهاي نمونه (B1) حاوي 30 درصد حجمي بيوچار پوشال گندم مي‌باشند. يافته ها: نتايج نشان داد، غلظت نيترات خروجي از بيوراكتورهاي دنيتريفيكاسيون به طور معني داري تحت تأثير بيوچار به كار رفته در آن‌ها قرار دارد. ميانگين غلظت نيترات خروجي از بيوراكتورهاي داراي 30 درصد بيوچار 18/16 ميلي گرم در ليتر است در حاليكه اين مقدار در بيوركتورهاي فاقد بيوچار برابر با 49/01 ميلي‌گرم در ليتر مي‌باشد. همچنين با افزايش ارتفاع بيوراكتور غلظت نيترات خروجي از بيوراكتور كاهش مي‌يابد. در پايان دوره 4 ماهه نمونه‌برداري غلظت نيترات خروجي از تيمارهاي نمونه H1B1، H2B1، H3B1 وH4B1 از 160 ميلي‌گرم در ليتر به ترتيب به مقادير 20/91، 8512 8/04 و 5/23 ميلي‌گرم در ليتر كاهش يافت، در حاليكه در تيمارهاي شاهد H1B0، H2B0، H3B0 وH4B0 غلظت نيترات خروجي در پايان دوره نمونه برداري برابر با 42/17، 36/36، 28/99 و 19/65 ميلي‌گرم در ليتر است. گذر زمان در سطح 1 درصد تأثير معنا داري در ميزان حذف نيترات دارد و در پايان دوره 4 ماهه آزمايش، ميانگين غلظت نيترات خروجي از بيوراكتورهاي نمونه به پايين‌ترين حد يعني 21/77 ميلي‌گرم در ليتر مي‌رسد، اين در حالي است كه ميانگين غلظت نيترات خروجي در روز اول نمونه برداري 59/21 ميلي‌گرم در ليتر مشاهده گرديد. غلظت آمونيوم خروجي از بيوراكتورهاي حاوي بيوچار و بيوراكتورهاي فاقد بيوچار در مقايسه با غلظت آمونيوم ورودي به آن‌ها افزايش يافت، علت اين امر را مي‌توان اينگونه بيان كرد كه بخشي از نيترات توسط باكتري‌هاي بي‌هوازي به آمونيوم تبديل مي‌گردد. ولي علي رغم اين افزايش مقدار آن بسيار ناچيز و كمتر از 0/5 ميلي‌گرم در ليتر است. نتيجه گيري: راندمان حذف نيترات در بيوراكتورهاي داراي بيوچار بيشتر از بيوراكتورهاي فاقد بيوچار هست. افزايش ارتفاع بيوراكتور سبب افزايش حذف نيترات مي‌گردد.

ackground 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.