کارآیی انواع گیاهان نی در وتلند مصنوعی زیر سطحی جهت حذف پاتوژن های شاخص از فاضلاب شهر یزد

مقدمه

افزایش جمعیت موجب نیاز روز افزون به تصفیه فاضلاب شده است. فقدان فاضلاب رو، نفوذ پاتوژن ها از طریق سیستم های معیوب تصفیه و سپتیک تانک و دیگر منابع، موجب آلودگی آبهای زیر زمینی می گردد. استفاده از روش های ارزان قیمت و کارآمد تصفیه مانند وتلند مصنوعی زیر سطحی موجب کاهش آلودگی آبها می گردد(1). وتلند مصنوعی یکی از روش های طبیعی تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی است،که با در نظر گرفتن هزینه های اولیه کم برای احداث و بهره برداری و نیز نگهداری و راهبری بسیار ساده آن به عنوان روشی اقتصادی و مقرون به صرفه در طرح های مهندسی مطرح بوده که در رفع آلودگی های زیست محیطی اثر مطلوبی داشته است(2).از مزایای این روش(وتلند) نسبت به سایر روشها می توان به این موادر اشاره کرد : عملکرد ساده  استفاده از نیزارهای بومی وطبیعی استان - انتخاب محل سایت تصفیه خانه دور از مناطق مسکونی که از ازادی عمل بیشتری نسبت به دیگر سیستم های تصفیه برخوردار ا ست - هزینه پایین ساخت تصیه خانه- عدم تجمع حشرات(جریان زیر سطحی است)- عدم تولید بوی نا مطبوع –ایجاد فضای سبز زیبا ومحل مناسب جهت جذب حیات وحش (پرندگان- خزندگان بومی) که موجب برقراری یک  اکوسیستم پایدار میگردد.سیستمهای تصفیه طبیعیدرعین تکنولوژی پایین دارای راندمان بالایی هستند(3, 4).در کشورهای توسعه یافته برای تصفیه فاضلاب خانگی و رواناب های کشاورزی،فاضلاب صنایع،تصفیه شیرابه محل دفن زباله، تصفیه سیلاب و رواناب شهری، و برای زلال سازی وتصفیه پیشرفته پساب، برای احیاء دریاچه های اتوتروفیک، تصفیه آبهای آلوده به مواد مغذی نظیر نیترات و فسفات ، انجام دنیتریفیکاسیون پسابها پس از عمل نیتریفیکاسیون از وتلند های مصنوعی استفاده می شود.راندمان دنیتریفیکاسیون وتلندها وابسته به نسبت C/N است. حداکثر راندمان در نسبت C/N برابر 5:1 به دست می آید(5-10).سیستم وتلند می تواند مقادیر بالایی از اکسیژن مورد نیاز بیو شیمیایی (BOD5) ، جامدات معلق (SS) و نیتروژن و همچنین فلزات ، عناصر کمیاب و پاتوژن ها را حذف کند. وتلند ها دارای فعالیت بیولوژیکی بالایی هستند. زیرا گونه های مختلف گیاهی، جانوران وارگانیسم ها در ترکیب خاک وجود دارد. که این شرایط، موجب تصفیه فاضلاب و بهبود کیفیت پساب می گردد(11). به طور کلی نیزارهای مصنوعی به دو دسته، وتلند های جریان سطحی با سطح آزاد آب (FWS) و وتلند های زیر سطحی (SSF) تقسیم می شوند. جریان فاضلاب در وتلند های زیر سطحی(SSF) می تواند به صورت جریان عمودی روبه بالا وجریان افقی ساخته شود، وتلند از شن، ماسه و خاک با دانه بندی مناسب پر می گردد. این بستر سطح مناسبی را برای رشد میکروبها ایجاد می کند(12).در وتلند مکانیسم های فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکیهمچنین تصفیه بوسیله گیاه (عموماً ماکروفیت ها)، جلبک ها، میکروارگانیسم ها، آب،خاک و خورشید ( فرایند های مستقیم مانند تجزیه نوری) در امر تصفیه شرکت دارند. مهمترین مکانیسم های حذف آلاینده ها شامل:فیلتراسیون فیزیکی جامدات معلق توسط توده بیولوژیکی و گیاهان به عنوان موانع هیدرولیکی که بوسیله تراکم پوشش گیاهی مناسب و  سرعت کم جریان حاصل می گردد(13).تجمع و تجزیه مواد آلی که در سیکل مواد مغذی اهمیت دارد، بوسیله کاهش سرعت، دسترسی به محل های جذب با تراکم بالا ایجاد می شود.فرایند هایی که توسط میکروارگانیسم ها انجام می گیرد مانند نیتریفیکاسیون (در شرایط هوازی) و دنتریفیکاسیون ( در شرایط بی هوازی) در چرخه نیتروژن دخالت دارند.ترسیب شیمیایی و جذب نوترینت ها مثل فسفات بوسیله خاک بر آن تاثیر می گذارد. شکار شدن و مرگ طبیعی پاتوژن ها مانند اشرشیاکلی و کریپتوسپوریدیومکه توسط افزایش تنوع و دانسیته شکارچیان طبیعی(مانند پروتوزوئرها) و افزایش تابش اشعه ماوراء بنفش خورشید بهبودمی یابد، تغییرات شدید در راندمان وتلند ها می تواند ناشی از تغییرات آب و هوا، شدت و ضعف تابش نور خورشید نوع گیاه ، عمق آب و ... باشد(14).

فرایند تصفیه فاضلاب در ورودی به وتلندهای زیر سطحی شهر یزد بدین صورت است که فاضلاب خام بعد از عبور از تصفیه مقدماتی و سپتیک تانک وارد 4 وتلند زیر سطحی نوع (SSF) با 3 گونهنی(بافق، علی آباد، یزد بافت ) و وتلند شاهد می شود. شهر یزد نیز با توجه با این که از لحاظ موقعیت جغرافیایی مناسب برای رشد گونه های گیاهی وتلند ها محصوب می شود و با توجه به نیاز برای تصفیه فاضلاب این مطالعه در جهت تعیین کارآیی انواع گیاهان نی در وتلند مصنوعی زیر سطحی جهت حذف پاتوژن های شاخص از فاضلاب شهر یزد و همچنین انتخاب بهترین نی با بیشترین کارایی جهت انجام تصفیه فاضلاب انجام شد تا در صورت امکان نی های با کارایی بهتر شناسایی شوند و جایگزین شوند.

روشها

این مطالعه نوعی مطالعه کاربردی است که در ابتدا چهار وتلند با ابعادکلی m2960 ( ابعاد هر وتلندm  20×12 ) که بستر این وتلندها از گرانول با ابعاد مختلف 2/0 تا 1 سانتی متر پر شده، ساخته شد. سپس در داخل هر کدام از وتلندها سه گونه گیاهی بدین صورت که در وتلند شماره 1 نی بافق، وتلند شماره 2 نی یزد بافت و وتلند شماره 3 نی علی آباد کاشته شد ویک وتلند نیز به عنوان شاهد درنظر گرفته شد. سپس فاضلاب خروجی از سپتیک تانک با دبیm325 وارد هر کدام از وتلند ها شد. سپس اقدام به نمونه برداری از ورودی و خروجی چهار وتلند با  زمان ماند یک روز شد. در طول مدت مطالعه تعداد 100 عدد نمونه برداشت شده و در ظروفی از جنس پلی اتیلن استریل جهت انجام آزمایش در مجاورت یخ مطابق با روش استاندارد به آزمایشگاه حمل شده و مورد آزمایش قرار گرفت. پارامترهای DO, EC, pH و دما بوسیله دستگاه پرتابل در محل اندازه گیری شد. سپس نمونه ها به آزمایشگاه انتقال یافته و پس از فیلتراسیون غشایی با فیلتر45/0 میکرونبا روش خاص ارائه شده در کتاب روشهای استاندارد مربوط به آزمایشهای آب و فاضلاب اندازه گیری شدند. در این مطالعه راندمان حذف پاتوژن های شاخص شامل کلیفرم کل، کلیفرم مدفوعی و استرپتوکوک مدفوعی و همچنین راندمان حذف TSSمورد بررسی قرارگرفت. همچنین پارامترهای کنترلی نظیر دما pH، هدایت الکتریکی و اکسیژن محلول نیز اندازه گیری شد. سپس داده های بدست آمده در پرسشنامه های مربوطه جمع آوری شده و توسط آنالیز آماری  Kruskal Wallis Testو Paired Samples Testمورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

یافته ها

داده های بدست آمده از این مطالعه نشان داد که میزان کلیفرم کل در ورودی به وتلند ها 1014×41/4 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) بوده که در وتلند شماره 1 باگونه نی بافق به 1014×14/1 کاهش یافته، در وتلند شماره 2 با گونه نی یزد بافت به 1014×13/1، در وتلند شماره 3 با گونه نی علی آباد به 1012×84/7 و در وتلند شاهد به 1014×1/1 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) کاهش یافته است. میزان اشرشیا کلی در ورودی به وتلند ها 1014×127/1 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) بوده که در وتلند شماره 1 به 1014×1/1کاهش یافته، در وتلند شماره 2 به 1012×03/5، در وتلند شماره 3 به 1014×16/1و در وتلند شاهد به 1012×31/1 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) کاهش یافته است. میزان استرپتوکوک مدفوعی در ورودی به وتلند ها 1014×88/5 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) بوده که در وتلند شماره 1 نیز همان مقدار بوده، در وتلند شماره 2 به 1013×55/1کاهش یافته، در وتلند شماره 3 به 1014×16/1و در وتلند شاهد به 1012×69/9 (تعداد کلیفرم در 100میلی لیتر نمونه) کاهش یافته است. میزان TSS در ورودی به وتلند هاmg/l 103 بوده که در وتلند شماره 1بهmg/l 32 کاهش یافته، در وتلند شماره 2 به mg/l29، در وتلند شماره 3 به mg/l 44 و در وتلند شاهد به mg/l 35 کاهش یافته است(جدول شماره1).

جدول شماره 1: میانگین پارامترهای ورودی وخروجی از چهار وتلند مورد مطالعه

*تعداد در100میلی لیتر ** میلی گرم در لیتر *** میکرو زیمنس بر سانتیمتر

داده های بدست آمده نشان داد که در وتلند شماره 1 باگونه نی بافق میزان حذف کل کلیفرم ها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 15/75، 39/2 و 0 درصد بوده است. در وتلند شماره 2 با گونه نی یزد بافت میزان حذف کل کلیفرم ها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 37/74، 52/95 و 36/97 درصد بوده است. در وتلند شماره 3 با گونه نی علی آباد میزان حذف کل کلیفرم ها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 22/98، 27/99 و 61/80 درصد بوده است. در وتلند شاهد نیز میزان حذف کل کلیفرم ها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 75، 8/98 و 35/98 درصد بوده است. همچنین داده ها نشان داد بیشترین راندمان برای حذف کل کلیفرمها و اشرشیا کلی مربوط به وتلند شماره 3 با گونه نی علی آباد می باشد(جدول شماره2)

جدول شماره2: راندامان حذف ارگانیسم های پاتوژن در وتلند ها بر حسب درصد

داده ها همچنین نشان داد میانگین حذف کلی هرچهار وتلند برای کل کلیفرمها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 33/80، 11/74 و 08/69 می باشد( نمودار شماره1).

نمودار شماره 1: میانگین راندمان حذف کلی پاتوژن های شاخص بر حسب درصد

داده ها بدست آمده نشان داد که میانگین حذف TSS در وتلند های شماره 3،2،1 و شاهد به ترتیب 69، 72، 44 و 66 درصد می باشد( نمودار شماره 2).

نمودار شماره 2: میانگین راندمان حذف TSS بر حسب درصد

آنالیز آماریPaired Samples Testاین آزمون بیانگر مقدار تفاوت آماری بین ورودی و خروجی هر یک از وتلندها می باشد. مقدار اختلاف با درجه معنا داری بیان میگردد. نتایج آزمون نشان داد که بین اشرشیاکلی و TSS ارتباط معنی داری وجود دارد(P=0.01). همچنین بین اشرشیاکلی و pH نیزارتباط معنی داری وجود دارد(P==0.05). داده ها همچنین نشان دادند که بین کل کلیفرم ها و اکسیژن محلول ارتباط معنی داری وجود دارد(P=0.01). همچنین بین استرپتوکوک مدفوعی و pH ,TSSو اکسیژن محلول ارتباط معنی داری وجوددارد(P=0.01). نتایج آنالیزآماریKruskal Wallis Testنیز نشان داد که میزان حذف کل کلیفرم هاو استرپتوکوک مدفوعی از لحاظ اماری معنی داربوده و درجه معناداری آنها به ترتیب P=0.05وP=0.019 بوده است.

بحث و نتیجه گیری

نتایج نشان داد که میانگین حذف کلی برای کل کلیفرمها، اشرشیاکلی و استرپتوکوک مدفوعی به ترتیب 33/80، 11/74 و 08/69 بوده است که بیشترین مقدار حذف اشریشیاکلی و کلیفرم ها مربوط به وتلند 3به میزان 78/99 و 22/98بوده است و بیشترین حذف استرپتوکوک های مدفوعی مربوط به وتلند شاهد بوده است. در مطالعه ای که توسط Decamp در سال 2000 به منظور تعیین مقادیر حذف اشریشیاکلی و بررسی کنتیک حذف از روش وتلند زیر سطحی با جریان افقی استفاده شد.به این منظور از گیاه آبزیaustralissPhragmite متوسط حذف E.coli 41-72% در مقیاس واقعی و 9/98-6/96% در مقیاس پایلوت بود. کاهش زمان ماند از راندمان سیستم پایلوت کاست. مطالعه کنتیت نشان داد که بیشتر حذف اشریشیاکلی در یک سوم ابتدایی است و ارتباط مستقیمی بین تراکم گیاه وحذف اشریشیاکلی وجود داشت(15).در مطالعه ای که توسط Eranson و همکاران(2006) انجام گرفت نشان میدهد که مقدار حذف کلی فرم های مدفوعی 9/99%-7/82%  بوده است. همچنین مقدار حذف TSS بین 1/89%-25% بود (16). درمطالعه ای که توسط Kadlec وهمکاران در سال 2008 روی وتلند های مصنوعی در کلمبیا انجام شد نشان می دهد که وتلند های مورد بررسی 98درصد از کلیفرمهای مدفوعی و 95درصد E.coli را حذف کرده اند ودر حذف عوامل شیمیایی نیز موثر بوده اند(17). راندمان حذف بدست آمده برای پاتوژن های شاخص در این مطالعه بالاتر از راندمان حذف در مطالعات مشابه می باشد که این میتواند دلایل مختلفی داشته باشد. از عوامل موثر در راندمان حذف پاتوژن های شاخص در وتلند ها میتوان به فاکتورهای بیولوژیکی از قبیل جانداران شکارچی مانند نماتود ها و پروتوزوئر ها و فعالیت باکتریها و تولید باکتریو فاژ و فاکتورهای شیمیایی از قبیل واکنش های اکسیداسیون، جذب و سمیت باکتریایی و جذب گیاهی اشاره کرد.فاکتورهایی مانند بارش باران و نفوذ آب به شبکه موجب کاهش غلظت و افت شدید راندمان وتلند ها می گردد.بار هیدرولیکی تاثیر زیادی بر روی خذف ارگانیسم ها دارد به طوریکه با افزایش بار ورودی راندمان سیستم کاهش می یابد(18).دمای فاضلاب نیز تاثیر زیادی در عملکردوتلند ها دارد تغییرات دما علاوه بر تاثیر روی متابولیسم گیاهان و تغییرات بر جمعیت ارگانیسم ها، بر مقادیر اکسیژن محلول،pH و هدایت الکتریکی نیز تاثیر دارد.همچنین کاهش دما می تواند اثر مستقیمی بر رشد E.coli داشته باشد(18). حذف مواد معلق آلی در همه سیستم های  وتلند  بسیار سریع اتفاق می افتد . افزایش سریع مقادیر DO حاکی از کاهش بار آلی می باشد(19).عملکرد بد سیستم (گرفتگی بستر، یخ زدن بسترو نوع طراحی ودانه بندی) تاثیر زیادی بر عملکرد خواهد گذاشت و بایستی از ایجاد جریان های با زمان ماند کوتاه جلوگیری کرد افزایش زمان ماند هیدرولیکی نیز به راندمان  می افزاید(20).در این مطالعه تاثیر جامدات معلق(TSS) بر مقادیر پاتوژن های شاخصنشان داد که با کاهش جامدات معلق، پاتوژن های شاخصنیز کاهش می یابند که این کاهش برای اشرشیا کلی و استرپتو کوک مدفوعی از لحاظ آماری معنی دار بوده است(P=0.01). این مسئله میتواند به علت چسبیدن پاتوژن های شاخص به جامدات معلق در هنگامته نشین شدن آنها باشد. ته نشینی یکی از مکانیسم هایی است کهروی کاهش میکروارگانیسم ها در وتلندها موثر می باشد(21-23). فیلتراسیون و چسبیدن میکروبها به سطح ریشه از دیگر روش های کاهش ارگانیسم  می باشد ولی ممکن است در اثر چسبیدن میکروبها به ریشه گیاهان، منجر به کاهش مکانیسم ته نشینی میکروبها و ویروس ها در وتلند مصنوعی گردد(24).مقادیر اکسیژن محلول نیز شدیداً بر راندمان وتلند ها تاثیر گذار است و با افزایش مقادیر اکسیژن محلول از مقدار ارگانیسم ها کاسته شده و ارتباط آماری مستقیمی بین افزایش DO با ارگانیسم های شاخص وجود دارد. به طوریکه با کاهش کل کلیفرم ها و استرپتوکوک مدفوعی، اکسیژن محلول افزایش یافته است(P=0.01). البته این رابطه برای اشریشیاکلی معنی دار نبوده است. این مسئله میتواند به این دلیل باشد که با کاهش مقادیر پاتوژن های شاخص که بی هوازی هستند و در نتیجه کاهش آلودگی، به تدریج ارگانیسم های هوازی غالب شده و در نتیجه اکسیژن محلول نیز افزایش می یابد. مقایسه وتلند ها با برکه های تثبیت نشان می دهد که در برکه های تثبیت باکتریها و مخصوصاً ویروس ها به سختی حذف می شوند و این درصورتیست که حذف ویروس و باکتریها در وتلند بسیار زیاد است وبا حذف جامدات معلق رابطه دارد. بنابراین استفاده از وتلند پس از برکه ثبیت می تواند به افزایش حذف باکتریها و ویروس ها کمک کند. دراین بررسی میزان TSSنیز 44-72 درصد حذف شده است که باتوجه به این که یکی ازمشکلات برکه های تثبیت بالا بودن مواد معلق در خروجی است بنابراین استفاده از وتلند ها با انواع گونه های نی بعد از برکه های تثبیت یک راهکار مناسب می باشد.

در نتیجه با توجه به این که در شهر یزد برای تصفیه فاضلاب از برکه های تثبیت استفاده می شود لذا می توان از وتلندهابه عنوان  تصفیه ثانویه و همچنین به عنوان یک مرحله گندزدایی بعد از خروجی از برکه ها استفاده کرد و با توجه به نتایج بدست آمده، استفاده از وتلند مصنوعی زیر سطحی با گونه نی علی آباد میتواند یک راندمان مناسبی برای حذف اشرشیاکلی و کلیفرم ها به ما بدهد.