مدل سازی فیلترهای خاکی بیولوژیکی در مقیاس پایلوت برای حذف نیترات محلول

در طی دو قرن اخیر، میزان تولید و مصرف نیترات به خصوص در بخش کشاورزی افزایش چشمگیری داشته است. در حال حاضر بسیاری از نقاط جهان حتی در ایران با مشکل بالا بودن غلظت نیترات در آب آشامیدنی روبه رو هستند که مهم ترین علت آن ورود رواناب های کشاورزی و فاضلاب های شهری و صنعتی به منابع آبی به خصوص آب های زیرزمینی می باشد. مصرف آب آلوده به نیترات، همواره با مواد غذایی محتوای نیترات بالا می تواند باعث ورود مقدار زیادی نیترات به بدن گردد. هدف نهایی این تحقیق، طراحی و بررسی یک فیلتر خاکی بیولوژیک به منظور حذف نیترات موجود در رواناب می باشد. این پژوهش شامل پنج بخش اندازه گیری کمیت نیترات در رواناب شهری، انجام آزمایش های ناپیوسته و بررسی مواد جاذب، طراحی فیلتر، بررسی عملکرد فیلتر در حذف آلودگی و مدل سازی عددی فیلتر طراحی شده به وسیله نرم افزارهای seep/w و ctran/w می باشد. در چارچوب این پایان نامه, ابتدا به اندازه گیری غلظت نیترات موجود در رواناب شهری قسمتی از شهر یاسوج و مقایسه آن با استانداردهای جهانی پرداخته شده است. به این منظور از رواناب بخشی از منطقه مسکونی شهر یاسوج با وسعت تقریبی 15 هکتار که مستقیماً به رودخانه بشار ریخته می شود، نمونه گیری انجام شده است. طبق بررسی های انجام شده و مقایسه غلظت بدست آمده با استانداردهای معتبر آب آشامیدنی ایران و epa نشان می-دهد که مقدار نیترات اندازه گیری شده در محدوده استاندارد تخلیه به آب های سطحی قرار دارد. ولی چون غلظت نیترات در آب بیش از 2 میلی گرم در لیتر است، در این صورت ورود نیترات به آب فراتر از منشأ طبیعی و مرتبط با فعالیت های انسانی است. در این پژوهش، لایه های متناوب از فیلترهای ژئوتکستایل بافته نشده و خاک دانه ای برای کاهش و حذف آلودگی به کار گرفته شدند. این لایه ها، از نظر قابلیت نفوذپذیری و قدرت جذب حائز اهمیت می باشند و جهت کاهش کدورت و آلودگی های جذب شده به کار گرفته شده است. در انتخاب مواد به نکاتی از جمله کارایی آن در حذف آلودگی، در دسترس بودن و تا حد امکان ارزان قیمت بودن آن توجه شده است. پس از انجام آزمایش های نفوذپذیری و بررسی نتایج آن، نسبت اختلاط وزنی مواد به کاررفته در prb به صورت 25% ماسه، 25% آنتراسیت، 20% زئولیت، 20% براده آهن و 10% خاک اره چوب سپیدار در نظر گرفته شد. در این تحقیق، با در نظر گرفتن این موضوع که ph سیلاب در محدوده خنثی و قلیایی می باشد؛ اثر ph فقط در محدوده خنثی و قلیایی برای سه جاذب زئولیت، خاک اره و براده آهن مورد آزمایش قرار گرفته و مشاهده شده است که در 7=ph حداکثر راندمان جذب نیترات توسط زئولیت حدود 69%، خاک اره 29% و براده آهن 12% می-باشد. نتایج جذب نیترات توسط ترکیب نهایی prb در غلظت های مختلف نیترات در شرایط ph بهینه و ثابت-ماندن سایر پارامترها نشان می دهد که بیش ترین جذب مربوط به غلظت mg/lit 150 و در حدود 83% اتفاق می-افتد و هرچه غلظت اولیه نیترات بیش تر شود، میزان جذب افزایش می یابد. همچنین حذف نیترات با میزان جاذب یکسان و ph بهینه در زمان های مختلف برای تعیین زمان تعادل انجام گرفت و حداکثر حذف 100% در زمان تعادل 96 ساعت حاصل گردید. جهت تعیین منحنی رخنه برای فیلتر با تزریق پساب مصنوعی با غلظت اولیه 100 میلی گرم بر لیتر نیترات، آشکار سازی و رخنه نیترات در زمان 25 دقیقه از شروع آزمایش اتفاق افتاد. منحنی رخنه prb را می توان با تقریب مهندسی شبه گوسی طبقه بندی کرد. منحنی رخنه یک منحنی نرمال محسوب شده و مقدار تنها مجهول مسأله یعنی ضریب انتشار طولی برابر 1×?10?^(-7) m^2/s بدست آمد. عدد پکلت برای prb مورد نظر برابر 774/15 بدست آمد که حاکی از تأثیر غالب انتقال توده ای در انتقال نیترات می باشد. در آزمایش انجام شده جهت حذف آلودگی، فیلتر قادر بود تا پس از رشد توده بیولوژیک در محیط خود، نیترات را به میزان 99% بعد از 9 روز کاهش داده و میزان نهایی آن را از 100 میلی گرم بر لیتر به 1 میلی گرم بر لیتر کاهش دهد. در مدل سازی فیلتر طراحی شده، نرم افزار seep/w مقدار دبی در هر مقطع عرضی را 9.0027×?10?^(-5) m^3/s محاسبه کرد. نرم افزار ctran/w برآورد منطقی و دقیقی را از روند حرکت آلاینده در فیلتر، انجام می دهد. منحنی رخنه بدست آمده از نرم افزار ctran/w، نمی تواند برآورد خوبی از زمان کل تشکیل منحنی رخنه در شرایط آزمایشگاهی بدهد؛ ولی مدل عددی، شکست نیترات را با تقریب بسیار خوب و نزدیک به مدل آزمایشگاهی محاسبه می کند. شکل منحنی رخنه بدست آمده از هر دو مدل عددی و آزمایشگاهی از لحاظ آماری و فیزیکی، منطقی و قابل قبول می باشد.