ارزیابی کارایی فیلترهای زیستی مختلف در تصفیه زهاب کشاورزی

محورهای موضوعی : بهره‌برداری از منابع آب غیر متعارف

علی کیانپور ¹ , بهمن یارقلی ² , احمد شرافتی ³ , کرامت اخوان گیگلو ⁴

1 - دانشجوی دکتری رشته مهندسی عمران (گرایش مهندسی محیط‌زیست) واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - استادیار موسسه تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، البرز، ایران.
3 - استادیار گروه مدیریت ساخت و آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی. تهران، ایران.
4 - استادیار مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی اردبیل، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، اردبیل، ایران.

تاریخ دریافت : 1401/05/09 تاریخ پذیرش : 1401/07/14 تاریخ انتشار : 1402/01/01

کلید واژه: ازت کل, راندمان حذف, پوسته برنج, زمان‌ماند, زهاب کشاورزی,

چکیده مقاله :

زمینه و هدف: با توجه به مصارف بالای آب در کشاورزی، سالانه حجم قابل‌توجهی زهاب تولید می‌شود. در حال حاضر حجم قابل‌توجهی از زهاب (فقط بالغ بر سه میلیارد متر مکعب در خوزستان) بدون استفاده سودمند وارد محیط شده و آلودگی منابع آب و خاک را در پی دارد. با توجه به بحران آب در کشور، حفاظت کیفی از منابع آب و استفاده از منابع آب نامتعارف، به‌ویژه مدیریت کیفی زهاب و استفاده از آنها در کشاورزی و محیط زیست به‌عنوان امری ضروری مطرح می‌باشد.مواد و روش: این تحقیق در استان خوزستان و در بهار و تابستان سال 1399 با استفاده از زهاب کشت‌ و صنعت میرزا کوچک خان و امیرکبیر انجام شد. این تحقیق برای ارزیابی کارایی فیلترهای زیستی با جنس بسترهای مختلف برای تصفیه زهاب‌های کشاورزی خوزستان با هدف کاهش آلودگی منابع پذیرنده و همچنین استفاده مجدد در کشاورزی اجرا گردید. در این تحقیق تأثیر چهار جنس مختلف فیلتر زیستی شامل خاک‌اره، ساقه پنبه، کاه و کلش گندم و پوسته برنج به‌عنوان عامل اصلی و سه زمان‌ مانده 2، 5 و 10 روز به‌عنوان عامل فرعی موردبررسی قرار گرفت. فاکتورهای کیفی مورد پایش شامل pH، کدورت، EC (به‌عنوان شاخص شوری)، ازت کل، فسفر کل و BOD بود.یافته‌ها: نتایج تجزیه واریانس نشان می‌دهد که بین تیمارهای مختلف از نظر پارامترهای موردمطالعه، به غیر از pH، برای باقی فاکتورها در سطح یک درصد اختلاف معنی‌داری وجود دارد. بر اساس نتایج حاصله، بیشترین میانگین پالایش فاکتورهای کیفی مورد تحقیق بر اساس جنس فیلتر برای کدورت معادل 87/37 درصد و مربوط به تیمار ساقه پنبه است. برای EC، ازت کل، فسفر کل و BOD به ترتیب معادل 23/9،60/49، 50/46 و 97/59 درصد و مربوط به تیمار خاک‌اره می‌باشد. بر اساس نتایج حاصل میانگین بیشترین درصد کاهش آلودگی برای فاکتورهای موردبررسی مربوط به زمان‌ماند 10 روزه بوده که برای کدورت، EC، ازت کل، فسفر کل و BOD به ترتیب معادل 79/56، 97/12، 51/66، 49/53 و 20/80 درصد می‌باشد.نتیجه‌گیری: توجه به نتایج حاکی از عملکرد نسبتاً بهتر تیمار خاک‌اره در مقایسه با سایر تیمارها می‌باشد. این موضوع با توجه به وجود و فراوانی این ماده در سطح کشور از نظر امکان استفاده از آن حائز اهمیت می‌باشد. توجه به اثر زمان‌ماند هیدرولیکی، نسبت مستقیم راندمان با زمان‌ماند را نشان می‌دهد. ولی افزایش راندمان از زمان‌ماند 2 روز تا 5 روز (سه روز) معنی‌دارتر از افزایش زمان‌ماند از 5 روز به 10 روز (5 روز افزایش) می‌باشد؛ که این موضوع با توجه به غلظت آلاینده‌های موجود در زهاب، می‌تواند به‌عنوان عامل مهمی در انتخاب زمان‌ماند محسوب شود. بر این اساس، برای فاکتورهای موردبررسی فیلتر خاک‌اره و زمان‌ماند 5 روزه به‌واسطه عملکرد مناسب و اقتصادی‌تر بودن از نظر حجم و ابعاد سیستم توصیه می‌گردد

چکیده انگلیسی:

Background & Objectives: Due to the high consumption of water in agriculture, considerable drainage is produced annually. Currently, a significant volume of drainages (almost 3 BCM) is entered into the Khuzestan province environment without any beneficial use, resulting soil and water contamination. On the other hand, according to Iran's water problems, the quality conservation of water resources and the use of unconventional water resources are essential, especially drainage quality management, and applying them to agriculture and the environment. Materials & Method: This research is carried out to evaluate the efficiency of biological filters with different beds for the treatment of agricultural drainage in Mirza Kooch Khan and Amirkabir Agro-Industry fields in Khuzestan province of Iran during the spring and summer of 2019. The research aims to reduce drainage contamination when discharged into the environment and drainage reuse in agriculture. In this research, the effect of four different types of biological filter including wheat straw, rice husk, cotton stalk, and wood sawdust as the main factor and three retention time of 2, 5 and 10 days as the secondary factor are investigated. The quality factors monitored include turbidity, EC (as a salinity index), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and BOD. Results: Analysis of variance demonstrates a significant difference between the mentioned treatments in terms of the studied parameters (at the level of 1%), except for pH. According to the results, the highest average refinement of qualitative factors based on filter type for turbidity equals 37.87% and relates to the treatment of cotton stalk. For EC, TN, TP, and BOD equal to 9.23%, 49.60%, 46.50%, and 97.59%, respectively, and relate to wood sawdust. Moreover, the average of the highest percentage of pollution reduction for the investigated factors is related to the retention time of 10 days, which for turbidity, EC, TN, TP, and BOD are equivalent to 56.79%, 12.97%, 66.51%, 53.49%, and 80.20%, respectively. Conclusion: Observed results indicate that wood sawdust treatment has a relatively better performance than other treatments. This issue is important since the existence and abundance of this material in the country is high. In addition, due to the importance and effectiveness of hydraulic retention time in treating, it has a direct relationship with efficiency of treating. However, the increase in efficiency from the retention time of 2 days to 5 days is more significant than the increase of retention time from 5 days to 10 days, which can be considered an important factor in selecting the retention time based on pollutants concentration in the drainage. As a result, based on the concentration of input and output quality parameters, it is suggested to use a wood sawdust filter with a 5-day retention time due to its proper performance and being more economical in terms of volume and dimensions of the system.

منابع و مأخذ:

1. P. H. A. (2017) Standard methods for the examination of water and wastewater 23rd edition.American Public Health Association, Washington DC, USA.

Akhan, K., Shahnazari, A., & Yarqoli, B. (2016). Evaluation capability biological filters for treatment of agricultural drain water: case study of moghan irrigation and drainage network. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research. 18(69): 135-144. (In Persian)

Akhavan Giglou, k., Shah-Nazari., & yargholi, B. (2019). Laboratory study on efficiency of bioadsorbents for the removal of nitrate from aqueous solutions. Environmental Science and Technology, 21(5), 137-149.

Akhavan, k., Shah-Nazari., & yargholi, B. (2017). Evaluating capability of biological filters for treatment of agricultural drainage water: A case study in moghan irrigation and drainage network. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 18(69), 135-144. (In Persian)

Ali, S. A. K., Lazim, S. M., & Nasret, H. H. (2021). Treatment of agricultural irrigation water drainage channel by adsorption methods using Sawdust. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 779, No. 1, p. 012107). IOP Publishing.

Ansari, Sh., Heidarpoor, M., & Mosavi, F. (2016). Investigation of the effect of using barley straw as an organic filter to reduce nitrate in drainage water. Journal of Water Research Iranian, 10 (1), 1-10. (In Persian).

Choudhury, T. (2017). Woodchip Biofilters for Treatment of Particulate Phosphorus in Agricultural Runoff (Master's thesis, University of Waterloo).

Choudhury, T. (2017). Woodchip Biofilters for Treatment of Particulate Phosphorus in Agricultural Runoff (Master's thesis, University of Waterloo).‏

Dinar, A., Tieu, A., & Huynh, H. (2019). Water scarcity impacts on global food production. Glob. Food Sec. 23, 212–226.

2019. Woskowicz, Monika. Maciej. Anna K., 2019.” Hybrid processes combining microfiltration and adsorption exchange for dairy wastewater treatment”. Journal of Machine Construction and Maintenance. ISSN 1232-9312. Vol.4.p.75-82.

El-Saiad, A. A., Abd-Elhamid, H. F., Salama, Z. I., Zeleňáková, M., Weiss, E., & El-Gohary, E. H. (2021). Improving the Hydraulic Effects Resulting from the Use of a Submerged Biofiter to Enhance Water Quality in Polluted Streams. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(23), 12351.

Feyereisen, G.W., Moorman, T.B., Christianson, L.E., Venterea, R.T., Coulter, J.A., and Tschirner, U.W. (2016). Performance of Agricultural Residue Media in Laboratory Denitrifying Bioreactors at Low Temperatures. Journal of environmental quality, 45 (3), 779-87.

Gholami, F., Yargholi, B., & Shrafati, A. (1400 a). Performance Evaluation of Natural Straw in Removal of nitrogen compounds from Khuzestan sugarcane Fields drainage water. Iranian Irrigation and Drainage Journal. 15(5): 993-1005. (In Persian)

Hashemi, S.A., Heidarpoor, M., & Mostafazadeh fard, B. (2011). Evaluating of nitrate removal in two modes of bio-filters in underground drainage systems. Irrigation Science and Engineering, 34(2), 71-82. (In Persian).

Hoffmann, C. C., Larsen, S. E., & Kjaergaard, C. (2019). Nitrogen Removal in Woodchip‐based Biofilters of Variable Designs Treating Agricultural Drainage Discharges. Journal of Environmental Quality, 48(6), 1881-1889.

IPCC. (2019). Climate Change and Land: an IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems.

Lazim, S. M. & Ali, S. A. K. (2020). Treatment of Water from irrigation drainage by multimedia filtration.‏ Journal of Engineering and Sustainable Development (JEASD). 24: 58-71

Lazim, S. M., Khaleefa Ali, S. A. (2020). Treatment of water from irrigation drainage by multimedia filtration.  Journal of Engineering and Sustainable Development, First Online Scientific Conference for Graduate Engineering Students, 58-81.

Liu, X., Wang, X., Guo, H., & A.n, X. (2021). Benefit Allocation in Shared Water-Saving Management Contract Projects Based on Modified Expected Shapley Value. Water Resources Management, 35(1), 39-62.

Shahnazari, A., & Jafari Teloklaei, M. (2018). ). Evaluating the possibility of biological filters for treatment of agricultural drainage irrigatin network in the area of sefidrood. Journal Iranian water research. 12(1):31-41. (In Persian)

Sinha, P., Rollason, E., Bracken, L.J., Wainwright, J., & Reaney, S.M. (2020). A new framework for integrated, holistic, and transparent evaluation of inter-basin water transfer schemes. Science of the Total Environment, 721, 137–646.

Van Opstal, J., Droogers, P., Kaune, A., Steduto, P., & Perry, C. (2020). Guidance on Realizing Real Water Savings with Crop Water Productivity Interventions.

Vice president for strategic planning and supervision of the office of technical and executive system. (2010). Enironmental criteria for reuse of wastewater and efflunts. Journal no 53.

Wulandari, L. K., Bisri, M., Harisuseno, D., & Yuliani, E. )2019( . Reduction of BOD and COD of by using stratified filter and constructed wetland for blackwater treatment. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 469(1), 012024.

Yargholi, B. & Akhavan, K. (2015). Evaluation of quantity and quality of drainage water and the possibility of its use in agriculture (Case study of Moghan irrigation and drainage network). Research Report No. 48715. Iran Agricultural Engineering Research Institute. (In Persian)

Yargholi, B., Kanani, E., & Sepehri, S., (2022 b). Performance Evaluation of Natural Reed Bed in Removal of Organic Matter and Phosphorus Compounds from Khuzestan Sugarcane Fields Drainage Water. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research. 23(86): 1-18. (In Persian)

Zhao, J., He, Q., Chen, N., Peng, T. & Feng, C. (2020). Denitrification behavior in a woodchip packed bioreactor with gradient filling for nitrate contaminated water treatment. Journal Biochemical Engineering, 154, p.107454.