اثر اشعه گاما و نانو ذره اکسیدتیتانیوم بر غلظت برخی از عناصر سنگین در پساب و لجن فاضلاب.

The effects of gamma rays and titanium dioxide nanoparticles on the concentrations of some heavy metals in sewage water and sewage sludge.

  • جزئیات
  • خلاصه پژوهش
  • تعریف مسئله
  • اهمیت و ضرورت
  • اهداف
  • توضیحات تکمیلی
  • حمایت‌های موردنیاز
  • فایل‌های پیوست
  • پیام‌ها
  • حامیان پیشنهادیه
:   کاربردی
:  
کارشناسی ارشد
مهندسی کشاورزی
علوم خاک - شیمی و حاصلخیزی خاک
:   12 ماه
:   1397/06/30

استفاده‌های بی‌رويه بشر از خاک و به‌کارگیری شیوه‌های مديريتی نامناسب، مشکلات و خطرات متعددی برای خاک‌ها به وجود آورده است . يکی از اين مشکلات، شور و سديمی شدن خاک‌ها است که باعث کاهش کیفیت خاک کشاورزی در نقاط مختلف جهان، به‌ويژه در مناطق خشک و نیمه خشک شده است. غلظت بیش از اندازه نمک‌هاي محلول و عناصر معدنی در محلول آب و خاك منجر به تجمع نمک در ناحیه ریشه و کاهش جذب آب توسط گیاه می‌شود. ساختمان فيزيکي نامطلوب و ايجاد حالت چسبنده و پلاستیکي در زمان مرطوب بودن و انقباض و انبساط شديد در مراحل تر و خشک شدن نيز از خصوصيات خاک‌هاي شور و سديمی است.

 با استفاده از اصلاح کننده‌های مختلف می‌توان شوری خاک را کاهش داد و با بهبود ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خاک ضمن کاهش شوری باعث افزایش ظرفیت نگهداری آب خاک و درصد رطوبت قابل استفاده برای گیاه شد. از جمله راهکارهای کاهش مصرف آب در کشاورزی و بهبود ساختمان خاک در خاک‌های نمک‌زده استفاده از پلیمرهای جاذب محلول در آب و کودهای حاوی اسید هیومیک است. پلیمرهای آب دوست باعث کاهش شوری خاک، به‌ویژه در خاک‌های سدیمی می‌شود.

از جمله مزایای پلیمرهای سوپر جاذب افزایش ظرفیت حفظ آب و مواد غذایی برای مدت طولانی، کاهش تعداد دفعات آبیاری، مصرف یکنواخت آب برای گیاهان، رشد سریع‌تر و مطلوب‌تر ریشه، کاهش هزینه آبیاری، مصرف بهینه کودهای شیمیایی، هوا دهی بهتر خاک، امکان کاشت در مناطق بیابانی و سطوح شیب‌دار، افزایش فعالیت و تکثیر قارچ‌های میکوریزا، ثبات و اثر طولانی سوپرجاذب و تقویت تخلخل و ثبات ساختار خاک اشاره کرد. این خاصیت موجب شده است تا از این مواد به طور موفقیت آمیزی در کشاورزی و احیای جنگلها استفاده شود. ترکیبات حاوی اسید هیومیک قابلیت تولید گیاه و حاصلخیزی خاک را با افزایش جذب عناصر غذایی مورد نیاز از طریق تشکیل کلات‌های عناصر کم مصرف و در نتیجه افزایش قابلیت دسترسی زیستی آن‌ها و افزایش رشد گیاه و به دنبال آن افزایش سیستم ریشه و ترشحات آن، افزایش می‌دهد.

بر اساس تحقیقات انجام‌شده، کارایی سوپرجاذب‌ها در خاک‌های شور کاهش می یابد، از این‌رو استفاده از پلیمرهای محلول در آب (جاذب) که ساختاری زنجیره‌ای و غیر شبکه‌ای دارند و کمتر تحت تاثیر شوری خاک هستند یکی از روش‌های جایگزین برای حفظ رطوبت و کاهش آثار شوری بر گیاهان می‌باشد. اسید هیومیک نیز به عنوان یک کود آلی ضد تنش، برای اصلاح ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی خاک و حفظ رطوبت و کاهش آثار تنش شوری خاک پیشنهاد شده است.

فاضلاب، از منبع آبی با دبی مداوم و پیوسته است که با رشد جمعیت افزایش یافته و کمتر تحت‌تأثیر خشکسالی قرار می‌گیرد (حیدرپور و همکاران، 2007). امروزه استفاده از فاضلاب در بخش کشاورزي، به‌عنوان منبع آبی ارزان و سرشار از مواد مغذي در کشورهاي خشک و نیمه‌خشک مورد توجه ویژه قرارگرفته است (کیزیلوگلوم و همکاران، 2007؛ سین و آگراوا، 2012). استفاده از فاضلاب براي آبیاري، مزایاي متعددي از جمله فراهم نمودن یک منبع آب ارزان و دائمی، افزایش کربن آلی خاك، فراهم نمودن عناصر کودي (نیتروژن، فسفر و پتاسیم) مورد نیاز گیاه، افزایش عملکرد محصول، بهبود خصوصیات فیزیکی خاك و افزایش فعالیت‌هاي میکروبی خاك دارد (معروفی وهمکاران، 2012؛ رائی و همکاران، 2011؛ رامیرز و همکاران، 2002؛ روزان و همکاران، 2007). به‌کارگیري فاضلاب در بخش کشاورزي هر چند با مزایاي زیادي توأم است، اما بهدلیل اینکه این گونه آب‌ها، حاوي املاح سدیم، کلر، بر، میکروارگانیسم‌هاي بیماري‌زا و در برخی از شرایط فلزات سنگین و یا ترکیبات آلی و معدنی مضر دیگري می‌باشند، می‌توانند اثرات زیست‌محیطی بسیار نامطلوبی مانند آلودگی منابع آب (به‌ویژه آب‌هاي زیرزمینی)، خاك و گیاه را به بار آورند) گونگ و دوناهو، 1997؛ کیزیلوگلوم و همکاران، 2008؛ رامیرز و همکاران، 2002).

پساب فاضلاب جزء آب قابل استفاده اما آلوده محسوب مي‌شود که بسته به درجه تصفيه و استاندارد ملي و بين‌المللي با توجه به بحران کمي و کيفي آب مي‌توان جهت مصارف مختلف از قبيل آبياري محصولات کشاورزي و گلخانه‌اي، تغذيه مجدد آب زيرزميني، مصارف صنعتي، شرب حيوانات اهلي و وحشي، استفاده شهري غيرآشاميدني نظير آتش نشاني، استفاده نمود. با توجه به بحران کمبود آب و هزينه بهبود منابع آب و تصفيه آن در کشور مي‌توان از پساب فاضلاب شهري و صنعتي جهت مصارف مختلف شهري و غيرشهري استفاده نمود، که نوع استفاده مجدد بستگي به کميت وکيفيت فاضلاب خام، درجه تصفيه مورد نياز، هزينه تصفيه و نوع مقررات و استاندارد محيط زيست دارد. واضح است که فاضلاب به دلیل داشتن عناصري چون نيتروژن و فسفر، براي رشد گياهان بسيار مفيد و ضروري است، و اين مواد مي‌توانند جايگزين کودهاي شيميايي شوند) بی‌نام، 1389).

تمرکز مراکز جمعیتی و صنعتی در نقاط مختلف باعث شکل‌گیری حجم زیادی از فاضلاب شده که تصفیه آن‌ها منجر به تولید پساب و لجن زیادی شده است، به‌طوری‌که عدم توجه به یافتن بهترین شیوه‌های دفع آن‌ها، دشواری‌های زیست محیطی زیادی را ایجاد کرده است (پارسافر وهمکاران، 1394). منابع تأمین موادآلی و آب برای خاک‌های زیر کشت ایران محدود بوده و جواب‌گوی نیاز روزافزون بخش کشاورزی به کود‌های آلی و آب نیست. بنابراین، در سال‌های اخیر کاربرد لجن فاضلاب و پساب در خاک‌های کشاورزی به دلایل افزایش میزان تولید آن‌ها با توسعه شهرنشینی و صنایع مختلف، غنی بودن آن‌ها از موادآلی و عناصر معدنی پرمصرف و کم‌مصرف و در نتیجه کاهش مصرف کود‌های شیمیایی و جلوگیری از آثار تخریبی ناشی از مصرف این کود‌ها در محیط زیست، جایگزین خوبی برای آب‌های با کیفیت مناسب در کشاورزی و صرفه‌جویی در منابع آبی موجود، جلوگیری از تخلیه فاضلاب‌‌ها به محیط زیست به ویژه رودخانه‌ها و روش نسبتا ایمن دفن پسماند حاصل از تصفیه فاضلاب‌های شهری مورد توجه قرار گرفته است (نجفی و همکاران، 1391؛ کاه فروشان و عادلی، 1393).

با توجه به توصیه‌هاي وزارت جهادکشاورزي مبنی بر مصرف کمتر کودهاي شیمیایی، براي پیشگیري از آلودگی محیط‌زیست، بررسی کاربرد موادی از قبیل پسماندهاي آلی به‌عنوان کود، با در نظر گرفتن استانداردهاي زیست‌محیطی، در مورد اکثر محصولات کشاورزي حائز اهمیت است. لجن فاضلاب از جمله کودهاي آلی است که علاوه‌ بر عناصرغذایی، حاوي آلاینده‌هاي آلی، معدنی و میکروبی بوده و بر اثر افزودن این مواد به خاك، گیاه همراه با عناصر غذایی مورد نیاز، این آلاینده‌ها را نیز جذب می‌نماید و آلاینده‌ها از این طریق، وارد زنجیره غذایی انسان می‌شوند (اکبرنژاد و همکاران، 1389).

لجن علاوه‌ برعوامل بیماري‌زا، حاوي عناصر غذایی پرمصرف نیتروژن، فسفر و پتاسیم و عناصر غذایی کم‌مصرف آهن، روي، مس، منگنز، مولیبدن و انواع فلزات سنگین از قبیل آرسنیک، کادمیم، کروم، سرب، جیوه، نیکل، سلنیم و غیره می‌باشد که گزارش جامعی در مورد اثر پرتوها بر روند تغییرات آن‌ها وجود ندارد (بینا و همکاران، 1383). در ایران از لجن فاضلاب عمدتاً به‌دلیل ارزانی قیمت در کشت گیاهان داراي خام‌خوري مخصوصاً سبزیجات، استفاده میشود (بوستانی و رونقی، 1390). سبزیجات به‌صورت مستقیم مورد استفاده انسان قرار گرفته و مصرف سبزیجات آلوده به آلاینده‌هاي آلی و معدنی، خطر بروز بیماري‌هاي قلبی و برخی از سرطان‌ها مانند سرطان‌هاي دستگاه گوارش را افزایش میدهد (ناظمی و همکاران، 1389). لذا، با توجه به اهمیت استفاده از سبزیجات سالم، کنترل غلظت آلاینده‌هاي مختلف براي حفظ سلامتی مصرف کننده حائز اهمیت میباشد.

گندزدایی آب و فاضلاب با استفاده از مواد شیمیایی یا عوامل فیزیکی انجام می‌شود. پرتوهای مورد استفاده در این روش به دو دسته پرتوهای یونیزان شامل پرتو ایکس، گاما، باریکه الکترون، آلفا و بتا و پرتوهای غیریونیزان (اشعه ماورابنفش) تقسیم می‌شوند .استفاده از پرتوها، از جمله روش‌های نوین گندزدایی است. هرچند که استفاده از پرتوها با کشف خاصیت گندزدایی نورخورشید، از قدیم مورد توجه بوده است ولی استفاده از پرتوهای یونیزان، روشی است که به دلیل قدرت نفوذ بیشتر، کارایی بالا در فرایند گندزدایی و عدم تولید مواد جانبی، اخیرا مورد توجه قرار گرفته است. همچنین باید توجه داشت که سمیت پساب گندزدایی شده با پرتو گاما کمتر است (ال-آنی و ال-خالدی، 2006؛ تامپسون و بلات چلی، 1999).

استفاده از تابش‌های یون‌ساز باعث رادیولیز آب و ایجاد الکترون‌های هیدراته، رادیکال آزاد هیدروکسیل و هیدروژن می‌شود و میل به واکنش‌های شیمیایی قوی آن‌ها، سبب غیرفعال نمودن میکروارگانیسم‌ها و تجزیه آلودگی‌ها می‌شود (ویلیام و همکاران، 2005؛کلسری  و همکاران، 2005 ). گندزدایی با اشعه گاما گزینه‌ای مناسب برای تصفیه آب، فاضلاب و لجن به صورت مستقیم و در ترکیب با سایر فرایندها به شمار می‌رود (نچت، 2001).

اشعه گاما از امواج الکترومغناطیسی است که دارای طول موج کوتاه و قدرت نفوذ بالایی است. این روش گندزدایی به صورت، تابش اشعه گاما منتشره از ایزوتوپ‌های ساطع کننده آن (سزیم-137 یا کبالت-60) به آب و پساب است. قدرت منبع گاما، تعیین کننده زمان تماس با اشعه گاما است. پرتوهای یون‌ساز از طریق دو مکانیسم یون‌سازی و تحریک، بامحیط مادی تبادل انرژی می‌کنند. در بافت زنده، یون‌سازی موجب ایجاد رادیکال‌های آزاد، تغییر ساختارهای مولکولی درون سلولی و به دنبال آن تغییر ساختار اجزای ریزسلولی و نهایتا مرگ سلول می‌شود (تقی‌پور، 2004).

برای تولید اشعه گاما می‌توان از زائدات نیروگاه‌های هسته‌ای نیز استفاده نمود. بازیابی این زائدات، گامی موثر در جهت بازیافت مواد زائد رادیواکتیو راکتورها به شمار می‌آید (سینوود، 1994). پرتوافکنی یونیزه به طور مستقیم یا غیر مستقیم، با تولید رادیکال‌های آزاد، میکروارگانیسم ها را غیرفعال می‌سازد. پرتو گاما قادر به تخریب میکروب‌ها و تغییر ساختار آلی است.

تکنولوژی استفاده از پرتوها در گندزدایی آب، فاضلاب و لجن در نقاط مختلف دنیا بررسی شده است. اگرچه نزدیک 50 سال قبل، به استفاده از اشعه گاما پی برده شد ولی فقط در سال‌های اخیر چندین گزارش در مورد نقش بالقوه این پرتو در تصفیه فاضلاب وجود دارد. مطالعات اخیر در کشورهای مختلف دنیا، تاثیر تابش یونیزان بر تصفیه آب و فاضلاب را ثابت نموده است.

تمرکز مراکز جمعیتی و صنعتی در نقاط مختلف باعث شکل‌گیری حجم زیادی از فاضلاب شده که تصفیه آن‌ها منجر به تولید پساب و لجن زیادی شده است، به‌طوری‌که عدم توجه به یافتن بهترین شیوه‌های دفع آن‌ها، دشواری‌های زیست محیطی زیادی را ایجاد کرده است (پارسافر وهمکاران، 1394). منابع تأمین موادآلی و آب برای خاک‌های زیر کشت ایران محدود بوده و جواب‌گوی نیاز روزافزون بخش کشاورزی به کود‌های آلی و آب نیست. بنابراین، در سال‌های اخیر کاربرد لجن فاضلاب و پساب در خاک‌های کشاورزی به دلایل افزایش میزان تولید آن‌ها با توسعه شهرنشینی و صنایع مختلف، غنی بودن آن‌ها از موادآلی و عناصر معدنی پرمصرف و کم‌مصرف و در نتیجه کاهش مصرف کود‌های شیمیایی و جلوگیری از آثار تخریبی ناشی از مصرف این کود‌ها در محیط زیست، جایگزین خوبی برای آب‌های با کیفیت مناسب در کشاورزی و صرفه‌جویی در منابع آبی موجود، جلوگیری از تخلیه فاضلاب‌‌ها به محیط زیست به ویژه رودخانه‌ها و روش نسبتا ایمن دفن پسماند حاصل از تصفیه فاضلاب‌های شهری مورد توجه قرار گرفته است (نجفی و همکاران، 1391؛ کاه فروشان و عادلی، 1393).

با توجه به توصیه‌هاي وزارت جهادکشاورزي مبنی بر مصرف کمتر کودهاي شیمیایی، براي پیشگیري از آلودگی محیط‌زیست، بررسی کاربرد موادی از قبیل پسماندهاي آلی به‌عنوان کود، با در نظر گرفتن استانداردهاي زیست‌محیطی، در مورد اکثر محصولات کشاورزي حائز اهمیت است. لجن فاضلاب از جمله کودهاي آلی است که علاوه‌ بر عناصرغذایی، حاوي آلاینده‌هاي آلی، معدنی و میکروبی بوده و بر اثر افزودن این مواد به خاك، گیاه همراه با عناصر غذایی مورد نیاز، این آلاینده‌ها را نیز جذب می‌نماید و آلاینده‌ها از این طریق، وارد زنجیره غذایی انسان می‌شوند (اکبرنژاد و همکاران، 1389).

لجن علاوه‌ برعوامل بیماري‌زا، حاوي عناصر غذایی پرمصرف نیتروژن، فسفر و پتاسیم و عناصر غذایی کم‌مصرف آهن، روي، مس، منگنز، مولیبدن و انواع فلزات سنگین از قبیل آرسنیک، کادمیم، کروم، سرب، جیوه، نیکل، سلنیم و غیره می‌باشد که گزارش جامعی در مورد اثر پرتوها بر روند تغییرات آن‌ها وجود ندارد (بینا و همکاران، 1383). در ایران از لجن فاضلاب عمدتاً به‌دلیل ارزانی قیمت در کشت گیاهان داراي خام‌خوري مخصوصاً سبزیجات، استفاده میشود (بوستانی و رونقی، 1390). سبزیجات به‌صورت مستقیم مورد استفاده انسان قرار گرفته و مصرف سبزیجات آلوده به آلاینده‌هاي آلی و معدنی، خطر بروز بیماري‌هاي قلبی و برخی از سرطان‌ها مانند سرطان‌هاي دستگاه گوارش را افزایش میدهد (ناظمی و همکاران، 1389). لذا، با توجه به اهمیت استفاده از سبزیجات سالم، کنترل غلظت آلاینده‌هاي مختلف براي حفظ سلامتی مصرف کننده حائز اهمیت میباشد.

 

 1. بررسی تغییرغلظت برخی از عناصر سنگین در لجن و پساب فاضلاب پس از پرتودهی با اشعه گاما.

 

2    2. بررسی تاثیر پرتودهی و نانوذرات ‌اکسید تیتانیم برای کاهش فراهمی فلزات سنگین از پساب فاضلاب.

 

  3.   مطالعه تاثیر لجن فاضلاب پرتودهی شده با اشعه گاما بر رشد وجذب برخی از عناصر سنگین در گیاه.

 

 

 

اين پژوهش در دو بخش آزمايشگاهی و گلخانه‌ای اجرا خواهد شد.

ابتدا از فاضلاب خام، پساب ثانویه (قبل از واحد گندزدایی) و کیک لجن (لجن آبگیری شده) از چند منطقه نمونه‌برداری خواهد شد و نمونه‌ای با غلظت بالاتر عناصر سنگین برای پرتودهی انتخاب خواهد شد.

 

بخش آزمایشگاهی:

آزمایش اول:

بررسی تغییر فراهمی برخی از عناصر سنگین با استفاده از اشعه گاما:

 برای بررسی اثر دزهای مختلف اشعه گاما بر زیست فراهمی برخی از عناصر سنگین در لجن و پساب فاضلاب از چهار دز 0، 4، 8 و 16کیلوگری اشعه گاما در سه تکرار استفاده می شود. pH،EC ،BOD ، نیتروژن، کلسیم، منیزیم، سدیم، پتاسیم، فسفر، غلظت کل برخی عناصر ‌کم‌مصرف و فلزات سنگین (جکسون، 1973)، جمعیت کل میکروبی و کلیفرم مدفوعی در نمونه‌ها اندازه گیری خواهد شد (آفها و همکاران، 1998).

 

آزمایش دوم:

بررسی میزان فراهمی سرب و کادمیوم با استفاده از اشعه گاما و اصلاح کننده‌های شیمیایی در پساب فاضلاب:

نانوذره دی‌اکسید تیتانیم آناتاز (0، 2 ، 4 گرم بر لیتر) با متانول و بدون متانول 10 درصد (به عنوان جارو کننده) درpHهای مختلف (2، 4، 6) به پساب فاضلاب آلوده اضافه شده و با دزهای0، 4، 8 و 16 کیلوگری اشعه گاما پرتودهی خواهد شد. پس از سانتریفیوژ و ته نشینی نانوذره تیتانیوم غلظت عناصر سنگین (سرب و کادمیم) باقیمانده در پساب اندازه گیری خواهد شد.

بخش گلخانه‌ای:

گیاه ریحان یا شاهی در گلخانه پژوهشکده تحقیقات کشاورزی، پزشکی و صنعتی پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای با استفاده از لجن فاضلاب پرتودهی شده با پرتو گاما (بر اساس نتایج آزمایشگاهی) کشت خواهند شد. پس از پایان مرحله داشت و برداشت گیاهان، غلظت عناصر سنگین در ریشه و بخش هوایی اندازه‌گیری خواهد شد (امامی، 1375).

 

حامیان پیشنهادیه:

بدون حامی