پاکسازی بیولوژیک آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی
پاکسازی بیولوژیک آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی
Bioremediation of Groundwater Contaminated By Petroleum Hydrocarbons
بخش دوم
نویسنده : دکتر حسین معصوم بیگی
اهداف :فراگیران محترم بعد از مطالعه این مقاله خواهند توانست :
- انواع روش های مورد استفاده در تجزیه آلاینده های نفتی را معرفی نمایند.
- انواع روش های زیست پالائی مورد استفاده در حذف هیدروکربنهای نفتی را معرفی نمایند.
- مزایا و معایب و شاخص های کنترل زیست پالائی در محل را شرح دهند.
- مدل های مختلف پاکسازی بیولوژیک در محل را شرح دهند.
در بخش اول این مقاله نحوه آلودگی منابع آب به هیدروکربن های نفتی و سرنوشت آین الاینده ها بعد از نشت بیان گردید. در ادامه اثرات مصرف آب های زیر زمینی آلوده به هیدروکربن های نفتی بر سلامتی انسان و استراتژی های تصفیه لایه های آبدار آلوده بخصوص روش پاکسازی بیولوژیک تشریح شد و شرایط مناسب خاک و یک لایه آبدار برای انجام موفق پاکسازی بیولوژیک مورد بررسی قرار گرفت. در این بخش تقسیم بندی اصلی روش های پاکسازی بیولوژیک مطرح می گردد.
1- مقدمه
کیفیت آب، سلامتی جامعه، وضعیت اجتماعی و اقتصادی را تحت تاثیر قرار می دهد. استفاده از منابع آبهای زیرزمینی جهت تهیه آب شرب جامعه ، امروزه در حد گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است به همین علت حفاظت آنها از آلودگی بسیار مهم است. موارد زیادی تا بحال گزارش آلودگی آبهای زیرزمینی به انواع آلاینده ها بویژه هیدروکربنهای نفتی منتشر شده است. با توجه به اهمیت این موضوع در بخش اول این مقاله سرنوشت آلاینده های نفتی بعد از نشت، اثرات مصرف آبهای زیر زمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی بر سلامتی انسان و شرایط مناسب یک لایه آبدار برای انجام موفق پاکسازی بیولوژیک مورد بررسی قرار گرفت. در بخش دوم این مقاله سه مورد از انواع تکنولوژیهای پاکسازی بیولوژیک، معرفی می شوند.
در تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکرینهای نفتی دو گروه فرایندهای تصفیه وجود دارند، یکی تکنولوژی هائی که منجر به تجزیه آلاينده هاي آلی می شوند و یکی تکنولوژی های که منجر به جداسازی و تغلیظ آلاینده ها می شوند و با به عبارت دیگر درتصفیه و احیاء آبهای زیرزمینی دو سری اقدامات نقش موثری در کنترل آلاینده دارند، یکسری اقدامات پیشگیری قبل از رسیدن آلاینده ها به آبهای زیرزمینی است ، که سبب می شود حرکت آلاینده ها محدود شده و از توسعه و نفوذ آلودگی به لایه های زیرسطحی و سپس منابع آبهای زیرزمینی کاسته شود و یک سری اقدامات و فرایندهائی است که بعد از رسیدن آلودگی به آبهای زیرزمینی انجام می شود. اين فرایندها شامل روشهای فیزیکی(مثل جذب روی پودرکربن فعال)، روشهای شیمیایی (استفاده از اکسیدکننده هامثل دی اکسید کلر) و روشهای بیولوژیکی می باشند و به عنوان فرایند های تصفیه ای آلاینده های نفتی لایه های آبدار زیرزمینی استفاده می شوند. در بین آنها روشهای تصفیه بیولوژیک یا همان روش های پاکسازی بیولوژیک از جایگاه بالائی برخوردارند و ابزار مناسبی برای پاکسازی محیط از وجود هیدروکربنهای نفتی بوده و دارای اثر بخشی خوبی هستند. طی دهه گذشته تکنولوژی مورد استفاده، برای پاکسازی آبهای زیرزمینی آلوده ، سیستم های پمپاژ و تصفیه بوده است و از این طریق حرکت آلاینده در پلوم آلودگی در لایه آبدار کنترل شده است. طی این فرایند با حفر چاه هایی در قلب پلوم آلودگی ، آب را به بیرون چاه پمپاژ و سپس بعد از تصفیه مجدد بداخل لایه آبدارتزریق می کردند. مشکل جدی این روش در این بود که بخشی از آلاینده های جذب شده روی بستر لایه آبدار گیر افتاده و باقی می ماندند و در نتیجه استخراج و تصفیه کامل آلاینده انجام نمی شد و مشکلات زیادی ایجاد می کرد و برای تصفیه کامل ، لازم بود حجم زیادی آب طی مدت طولانی استخراج وتصفیه شود. در حالی که با استفاه از فرایندهای بیولوژیک یا پاکسازی بیولوژیک در محل سایت آلوده، فرایند پاکسازی سایت کاملتر و سریعتر و با راندمان بیشتر و اقتصادی تر انجام می شود و نتایج مطالعات انجام شده در خصوص پاکسازی بیولوژیک در محل سایت طی چند سال گذشته، در مقایسه با مطالعات انجام شده در خصوص فرایند پمپاژ و تصفیه، بخوبی این مطلب را تائید می نماید(1).
امروزه غالباً روشهای بیولوژیک کاربرد بیشتری دارند و بیشتر مورد توجه هستند، چون هم راندمان بیشتری دارند و هم برای تجزیه بیولوژیک رنج گسترده ای از ترکیبات آلی کارآئی دارند. روشهای تصفیه بیولوژیک در محل وخارج از محل امروزه بخوبی در حال توسعه و گسترش می باشند. برای داشتن یک تصفیه بیولوژیکی موفق، مناسب و کارآمد در محل ، وجود شرایط محیطی مناسب و اپتیمم در سایت آلوده ، میکروبهای مناسب، اکسیژن و مواد مغذی مورد نیاز در منطقه آلوده ضروري است (2) .
در یک دهه گذشته، تکنولوژی هاي زيست پالايي در جهت کاربرد باکتریها در پاکسازی طبیعی مواد زائد خطرناک مثل ترکیبات نفتی توسعه پیدا کرده اند. امروزه درتحقیقات بیشتر روی استفاده از باکتریهای اویلفیل و یا میکروبهایی که نفت مصرف می کنند و محیط را از وجود ترکیبات نفتی پاکسازی می کنند مثل باکتریهای تجزیه کننده هوازی شامل سودوموناسها، اسینتو باکترها، باسیلوس، آرتروباکتر و نوکاردیا متمرکز شده اندکه در مطالعات مختلف شناسائی شده اند.
امروزه جهت توسعه و کاربرد مطلوب تکنولوژی پاکسازی بیولوژیک آلاینده های نفتی در جهان بویژه ایران، نیازمند تحقیقات بیشتر وکسب تجربه واجرای نمونه های بیشتری از فرایندهای مختلف در مقیاس واقعی هستیم.
تقسیم بندی اصلی روش های پاکسازی بیولوژیک شامل، پاکسازی بیولوژیک از طریق کاهش طبیعی(Natural attenuation) ، پاکسازی بیولوژیک در محل سایت آلوده(In situ Bioremediation)، پاکسازی بیولوژیک خارج از محل(Ex situ Bioremediation )، تحریک بیولوژیکی(Bio stimulation) و افزایش بیولوژیکی(Bio augmentation) می باشند(4و3). در این مقاله بعضی از مدل های مختلف سه روش اول در حذف هیدروکربنهای نفتی از آبهای زیر زمینی آلوده مورد بحث قرارگرفته و معرفی می شوند.
2- کاهش یا تجزیه طبیعی
بعد از ورود هیدروکربنهای نفتی به محیط، بلافاصله بوسیله عوامل فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی تحت تاثیر قرار می گیرند و منجر به بروز تغییراتی در آن آلاینده می شوند. فرایندهای کاهش طبیعی که منجر به تجزیه بیولوژیکی آلاینده ها در خاک می شوند، شامل فرایندهای فیزیکی (مثل فراریت، رقیق شدن، جذب) و فرایندهای تجزیه بیولوژیکی آلاینده ها می باشند. یک تکنولوژی مناسب برای تجزیه آلاینده ها و پالایش آبهای زیرزمینی، استفاده از میکروارگانیزمهای فعال موجود در بستر لایه آبدار و میکروفلور فعال ایندوژنوس می باشد، که بلافاصله به مقابله با ترکیبات ناخواسته پرداخته و با یک خود پالایی طبیعی، اقدام به تخریب و تجزیه آلاینده های وارد شده به لایه آبدار می نمایند(5) .
بیشترین فرایند پاکسازی بیولوژیک طبیعی مربوط به پاکسازی لایه های آبدار از وجود هیدروکربنهای نفتی ناشی از نشت مخازن زیرزمینی بنزین بوده است که منجر به حضور BTEX ها در محیط شده اند (1 ) . میزان فراریت هیدروکربنها، بستگی به میزان حضور هیدروکربن های سبک در ترکیب و دمای محیط دارد. حلالیت هیدروکربن ها در آب کم است و با افزایش طول زنجیره کربنی کمتر می شود و از 17 کربن به بالا خیلی کم در آب محلولند ولی با وجود این، مقداری جزئی از آنها در آب حل می شود.
وقتی سرنوشت این آلاینده ها پیگیری می شود، مشاهده می شود که فرایندهای تجزیه بیولوژیک بخصوص فرایندهای طبیعی روی ترکیبات نفتی بسیار تاثیر گذار هستند. البته تجزیه آنها به میزان تجزیه پذیری ترکیب و جمعیت میکروارگانیزمهای ایندوژنوس و عوامل محیطی موثر بر رشد میکروبها بستگی دارد. معمولاً طی فرایند پاکسازی بیولوژیک طبیعی، ترکیبات نفتی به CO2 و آب و توده بیومس میکروبی تبدیل می شوند و با افزودن ترکیبات مغذی و یا بذر میکروبی هم قابل توسعه می باشند(6). موفقیت یک پروژه پاکسازی بیولوژیک فقط حضور باکتریهای مخصوص نیست، بلکه حضور عوامل دیگری مثل تقویت کننده های بستر رشد، تصفیه پذیربودن آلاینده، طراحی یک استراتژی مناسب پاکسازی بیولوژیک و در نهایت اجرا و مدیریت آن نیز از جمله نکات قابل توجه می باشند. به همین دلایل معمولاً تجزیه طبیعی به علت محدودیت دسترسی به الکترون دهنده یا الکترون پذیرنده و یا مواد مغذی و تقویت کننده ها با محدودیت مواجه می شوند(1).
3- پاکسازی بیولوژیک در محل
پاکسازی بیولوژیک در محل به معنای بالا بردن قابلیت پاکسازی بیولوژیک در همان مکان حضور آلاینده است . پاکسازی بیولوژیک در محل ، یک تکنولوژی مناسب جهت تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی است. آلاینده های آلی که در لایه های آبدار یافت می شوند می توانند در آب حل شوند و یا به بستر لایه آبدار بچسبند و یا ممکن است بصورت یک فاز آزاد و یا بصورت یک فاز مایع جدا (مثل ترکیباتی که دانسیته بالاتری دارند) باقی بمانند و در آب حل نشوند (5). همانطور که در قسمت قبل توضیح داده شد، اين تكنولوژي ابتدا بصورت طبیعی در تجزیه هیدروکربنهای نفتی در لایه های آبدار زیرزمینی آلوده مشاهده شد. بعدها نقش میکروارگانیزمها در تجزیه آلاینده ها در محل لایه آبدار آلوده شده مورد مطالعه قرار گرفت تا از آبهای زیرزمینی و خاکهای آلوده رفع آلودگی می شود(7). کاربرد موفق اینگونه فرایندهای بیولوژیک وابسته به ایجاد یک شرایط اپتیمم محیطی موثر جهت حذف آلاینده ها، از قبیل وجود همزمان میکروبها و اکسیژن و مواد مغذی لازم در لایه آبدار آلوده می باشد. فرایندی که در لایه های زیر سطحی متداولترین فرایند و سبب افزایش و توسعه فرایند های طبیعی تصفیه در خاک بدون کندن و حفاری می شود و ممكن است از طریق سیرکولاسیون آبهای زیرزمینی در محل و با افزودن مواد مغذی و اکسیژن به آن همراه باشد. به کمک روشهای مکشی و یا تزریقی می توان اکسیژن مورد نیاز لايه هاي زیر سطحی را تامین کرد. تحت شرایط فوق، این تکنولوژی می تواند آلاینده های آلی لايه هاي زیر سطحی را ، بدون هزینه های حفاری وجابجائی زیاد خاک در محل، نابود کند. همچنین این روش، نشت آلاینده های آلی فرار به هوا را به حداقل می رساند(شکل 2).
نشان داده شده که این فرایند در تصفیه لايه هاي زیر سطحی آلوده به ترکیبات آلي نظیر فنولهای هالوژنه ، آروماتیکهای غیر هالوژنه هيدروكربنهاي پلي آروماتيك, و ترکیبات آلی، بسيار موثر است(2).
پاکسازی بیولوژیک در محل در مقایسه با روشهای فیزیکی و شیمیایی روشی ارزان و کم هزینه تر است و تجهیزات ساده ای لازم دارد. موفقیت اجرای این روش مستلزم این است که لایه های آبدار قابل نفوذ و یکنواخت باشند، نشت آلاینده اصلی از یک منبع مشخض باشد، شیب آب زیرزمینی کم باشد، متابولیتهای مازاد و مضر وجود نداشته باشد، آلودگی خاک نداشته باشد تا به آسانی فرایند تجزیه، استخراج و تثبيت آلاینده انجام شود(1) .
شکل 1: تزریق مواد مغذی برای تصفیه بیولوژیک در محل آلوده شده
1-3- مزیت ها ی پاکسازی بیولوژیک در محل:
1- فرایندهای تصفیه در محل نسبت به سایر روشهای تصفیه سریعتر هستند.
2- تصفیه آب زیرزمینی در محل بدون نیاز به استخراج و بدون آلودگی پرسنل و پخش بيشتر آلاينده ها است.
3- هزینه های این روش از سایر روش ها غالباً کمتر است و هزینه استخراج و جابجایی آلاینده وجود ندارد.
4-منطقه تحت پوشش برای تصفیه به کمک این روش می تواند از سایر تکنولوژیهای تصفیه بزرگتر باشد چون فرایند تصفیه همراه با حرکت پلوم می تواند گسترش یافته و به مناطق دیگر برسد (6و5) .
2-3- معایب پاکسازی بیولوژیک در محل:
1- بسیاری از ترکیبات آلی در لایه های زیر سطحی نسبت به تجزیه مقاوم هستند.
2-در این روش معمولاً نیاز به خو دادن میکروارگانیزمهاست و در نتيجه برای نشت هایی که جدیداً اتفاق می افتد و یا ترکیبات مقاوم نمی تواند کاربرد داشته باشد.
3- زمان طولانی انجام فرایند، نیاز به بررسی دقیق مکان و سایت آلوده قبل از اجرا ، و سخت بودن کنترل شرایط
4- اثر کمتر روی آلاینده های آلی مخلوط شده با آلاینده های فلزی.
5- فلزات سنگین و غلظت های سمی ترکیبات آلی ممکن است مانع فعالیت میکروارگانیزمهای ایندوژنوس شود.
6- طی تزریق به چاه ها احتمال انسداد و گرفتگی چاه های تزریق در اثر رشد بالای میکروارگانیزمها بدلیل غلظت بالای مواد مغذی و اکسیژن وجود دارد.
7-اجرای پاکسازی بیولوژیک در محل در لایه های آبدار با نفوذ پذیری کم، مشکل است و شرایط برای انتقال و رساندن اکسیژن و مواد مغذی برای میکروارگانیزمهای فعال مناسب نیست. بعلاوه اینکه پروژه های پاکسازی بیولوژیک نیازمند کنترل و نگهداری مداوم و پیوسته است تا عملیات تصفیه با موفقیت انجام شود (5) .
3-3- شاخصهای کنترلی پاکسازی بیولوژیک در محل
جهت بررسی و توسعه یک برنامه تصفیه ای موثر، جمع آوری نمونه های آب و خاک لایه آبدار آلوده ، جهت آنالیز مورد نظر ضروری است. فراوانی و تناوب نمونه برداري باید متناسب با زمان مورد انتظار برای ایجاد تغییرات معنی دار در لایه آبدار آلوده باشد.
کنترلهایی که در بهره برداری از پاکسازی بیولوژیک ضروری است شامل کنترل مقدار مواد مغذی و الکترون گیرنده مورد نیاز و تزریق شده به لایه آبدار آلوده می باشد. به نحوی که بخوبی پلوم آلودگی را تحت تاثیر قرار دهد. افزایش مواد مغذی به لایه آبدار سبب افزایش تجزیه طبیعی هیدروکربن های نفتی بوسیله میکروارگانیزمهای محلی ایندوژنوس می شود.
اندازه گیری اکسیژن محلول و مقدار مواد مغذی در نمونه های آبهای زیرزمینی جهت کنترل میزان پیشرفت پاکسازی بیولوژیک توصیه می شود. افزایش فعالیت میکروبی، در نمونه های برداشت شده از محیط لایه آبدار، ممکن است میزان سطح نسبی پلوم جهت تصفیه را تا حدودی تعیین کند و نشان دهنده اعمال کنترل در خارج از محدود پلوم باشد.
مقدار CO2 در نمونه های آبهای زیرزمینی هم شاخص خوبی جهت تعیین فعالیت میکروبی می باشد.
اندازه گیری غلظت آلاینده هم شاخص خوبی جهت بررسی کاهش غلظت آلاینده در منطقه تحت تصفیه می باشد و اگر محدوده ای تحت پوشش تصفیه قرار نگرفته باشد مشخص می شود (5) .
مراحل بررسی و اجرای تکنیک پاکسازی بیولوژیک در یک سایت آلوده شده به ترکیبات آلی به شرح ذیل می باشد:
1- تعیین مشخصات و نحوه جابجایی و سرنوشت پلوم آلودگی در لایه آبدار.
2- بررسی و مطالعه قابلیت تصفیه پذیری آلاینده ها و تعیین اینکه قابلیت باالقوه تصفیه از طریق پاکسازی بیولوژیک دارد یا خیر و در نهایت تعریف برنامه های عملیاتی و بهره برداری مورد نیاز.
3- توسعه یک طرح مناسب پاکسازی بیولوژیک بر اساس اصول مهندسی و مدیریتی .
4- ایجاد برنامه کنترل جهت ارزیابی نتایج و اثر بخشی و فعالیت های پاکسازی بیولوژیک
4-3- تکنولوژی های پاکسازی بیولوژیک در محل
معمولاً تکنولوژی های پاکسازی بیولوژیک در محل برای تجزیه هیدروکربنهای نفتی در لایه های آبدار آلوده ، از طریق تزریق و استخراج ، بیواسپارگینگ با هوا و استفاده از موانع فعال بیولوژیک ، هوادهی، اکسیداسیون شیمیایی و محدود کردن گسترش آلودگی می شوند(9-7). اين فرایندها، برای حذف ترکیبات آلی با غلظت کم تا متوسط استفاده می شود.
1-4-3- موانع فعال بیولوژیکی قابل نفوذ
یک مانع فعال بیولوژیکی در محل سایت آلوده در واقع یک مانع و دیوار دارای پروزینه بالاست که در مسیر پلوم آلودگی در آب زیرزمینی قرار می گیرد. میکروارگانیزمها روی مواد تشکیل دهنده این دیوار رشد می کنند و هنگام عبور جریان آلوده از آن فرایند تجزیه بیولوژیک آلاینده اتفاق می افتد. سیستم های استخراج و تزریق و بیواسپارگینگ با هوا در واقع مانند یک چنین موانعی عمل می نمایند. با اين تفاوت كه روشهای ذکر شده نیازمند مکانیزمهای پمپاژ ، برای رساندن هوا و مواد مغذی به لایه آبدار آلوده هستند ولی موانع فعال بیولوژیکی حداقل نیاز به چنین مکانیزمهایی دارند (7) .
با اعمال کنترل و محدود کردن حرکت آلاینده ها در یک منطقه، حرکت و نفوذ پلوک آلودگی به آبهای سطحی و زیرزمینی منطقه بصورت عمودی و افقی محدود می شود.
موانع عمودی
موانع عمودی سبب حداقل شدن حرکت آبهای زیرزمینی آلوده و یا پلوم آلودگی نشت کرده از سایتهای آلوده و غیر فعال به مناطق دیگر و یا محدود شدن جریان آبهای زیرزمینی آلوده به بخشهای پاک و تمیز سایت می شوند. موانع عمودی گاهی بصورت دیوارهای آهکی درترانشه هاي حفاري شده ، ایجاد می شوند. ابتدا ترانشه کنده شده و سپس دو غاب سیمان و آهک بداخل آن تزریق می شود، و یا ممکن است تیغه هائی با قابلیت نفوذپذیری خاص و دارای فعالیت بیولوژیک و قدرت تجزیه آلاینده های موجود در محل به منظور پاکسازی بیولوژیک و تصفیه آبهای زیرزمینی وخاک منطقه، ایجاد شوند که نمونه ائی از آن درشکل 2 مشاهده می شود.
شكل2: زيست پالايي در محل بوسيله موانع فعال بيولوژيك قابل نفوذ
ثابت شده که کاربرد زئولیتهای اسیدی دارای ساختار پورز مانند به عنوان یک مانع در مسیر جریان آب، برای پاکسازی بیولوژیک درمحل، بسترمناسبی برای حذف بعضی هیدروکربنها مثل MTBE می باشند و نه فقط به عنوان جاذب بلکه در هیدرولیز ترکیباتی مثل MTBE و متانول نیز ایفاء نقش نموده و می توانند سریعاً جهت تجزیه بیولوژیکی این مواد به کمک میکروارگانیزمهای ایندوژنوس عمل نمایند (10) .
موانع افقی
این موانع با قرار گرفتن زیر سطح سایت آلوده از نفوذ بیشتر آلاینده ها به پایین تر جلوگیری می کنند. البته این روش در کنترل نفوذ آلاینده ها خیلی موفق عمل نکرده و ایجاد یک لایه غیر قابل نفوذ و مطمئن براحتی ممکن نیست.
2-4-3- بیواسپارکینگ و ایر اسپارگینگ
بیواسپارگینگ یک تکنولوژی پاکسازی در محل است که از میکروارگانیزمهای ایندوژنوس برای تجزیه بیولوژیک ترکیبات آلی در منطقه اشباع استفاده می شود. طی این فرایند، هوا یا اکسیژن و مواد مغذی در صورت لزوم بداخل منطقه اشباع تزریق می شوند تا منجر به افزایش فعالیت میکروارگانیزمهای ایندوژنوس شوند. این فرایند برای کاهش غلظت ترکیبات نفتی محلول در آبهای زیرزمینی یا جذب شده به خاکهای لایه آبدار مورد استفاه قرار می گیرد. امکان حذف موثر آلایند های جذب شده روی ذرات خاک در منطقه غیر اشباع هم بوسیله بیواسپارگینگ یا بیوونتینگ(تهویه بیولوژیک) وجود دارد(شکل 3).
شکل 3 : فرایند تهویه بیولوژیک
زمانی که ترکیبات فرار در لایه آبدار یا پلوم آلودگی حضور داشته باشد، بیواسپارگینگ به همراه فرایند استخراج بخار حلال با تهویه بیولوژیک را می توان با سایر تکنولوژی های پاکسازی استفاده کرد. با ایجاد فشار منفی در ناحیه ویدوز می توان حرکت پلوم بخارات فرار را به بیرون لایه آبدار آلوده کنترل نمود. انجام یک بیواسپارگینگ موفق مستلزم حضور میکروارگانیزمهای مناسب فعال و سالم است تا پاکسازی بیولوژیک بخوبی انجام شود. در این شرایط میکروارگانیزمها بخوبی رشد کرده و بیومس بیشتری تولید می کنند که نتیجه آن بیشترین حذف و سم زدائی آلاینده ها می باشد(11).
طی بیواسپارگینگ هیچ نیازی به حفاری نیست و از این فرایند در حذف هیدروکربنهای نفتی نیمه سبک ناشی از نشت مخازن که تمایل دارند سریع فرار شوند استفاده می شود. در خصوص هیدروکربنهای سنگین تر که معمولاً فرایند پاکسازی بیولوژیک طولانی تری لازم دارند، نباید از بیواسپارگینگ استفاده شود.
این سیستم در منطقه اشباع لایه آبدار و منطقه ویدوز غیر اشباع برای تصفیه آلاینده ها کاربرد دارد. جهت تجزیه هوازی آلاینده ها و آزاد سازی آلاینده های فرار، هوای تحت فشار به زیر لایه آبدار تزریق می شود و با حرکت جریان هوا به بالاتركيبات آلي فرار موجود در پلوم آزاد شده و به طرف بالا حرکت کرده و از لایه آبدار اشباع خارج می شوند و طی حرکت هوا ، انتقال اکسیژن به آب زیر زمینی هم انجام می شود(شکل 3) . مکانیزمهای انجام شده شامل آزاد سازی تركيبات آلي فرار ، فراریت آلاینده ها ، جذب و گیر افتادن و تجزیه بیولوژیکی هوازی آلاينده ها می باشد. تمیز شدن لایه طي آزاد سازی تركيبات آلي فرار ، سریع و در بخش تجزیه بیولوژیک طولانی تر خواهد بود. ایراسپارگینگ شبیه بیواسپارگینگ است.
تاثیر بیواسپارگینگ وابسته به دو عامل است، یکی قابلیت نفوذ خاک که مقدار اکسیژن قابل دسترس میکروارگانیزمها برای تجزیه هیدروکربنهای نفتی را تعیین می نماید و دیگری قابلیت تجزیه بیولوژیک بودن ترکیبات نفتی است. در کنار این دو عامل دمای آب زیرزمینی ، pH، حضور کافی الکترون دهنده و الکترون پذیرنده و غلظت مواد مغذی هم نقش تعیین کننده ای در قابلیت تجزیه هیدروکربنها بوسیله میکروارگانیزمها دارند.
شكل 4: فرايند تزريق هوا در لايه آبدار اشباع
مزیت های بیواسپارگینگ
دسترسی سریع و آسان به تجهیزات مورد نیاز و نصب آسان آنهاست، وبا حداقل مزاحمت قابل اجرا و بهره برداری در سایت آلوده می باشد، تحت شرایط اپتیمم طول مدت تصفیه کوتاه است(مدت 6 ماه و یا 2 سال) ، هزینه های آن با سایر روشها قابل رقابت بوده و باعث افزایش اثربخشی فرایند تجزیه و تصفیه رنج گسترده ای از ترکیبات نفتی می شود، نیازی به حذف، تصفیه، ذخیره سازی یا تخلیه آب زیرزمینی از پلوم آلوده نیست.
معایب بیواسپارگینگ
اولا عامل بالقوه موثری در تحریک حرکت سایر ترکیبات است، ثانيا ضعف وجود اطلاعات فیلدی و آزمایشگاهی جهت تصمیم گیریهای حمایتی و طراحی وجو دارد، ثالثا فقط در محیط هائی که کاربرد این روش مناسب است استفاده می شود، رابعا بسیاری از واکنشهای انجام شده طی فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی قابل شناسائی نیست(11).
معمولاً استفاده از این سیستم در شرایطی که آلاینده در منطقه اشباع حضور دارد، بررسي هاي انجام شده نشان داده است كه اگر حرکت هوای تزریق شده در لایه آبدار بصورت کانالی شود منجر به کاهش بازدهی و راندمان سیستم خواهد شد.
3-4-3- استخراج بخار حلال
غالباً همراه فرایند تزریق هوا کاربرد دارد که به کنترل بهتر بخارات آلوده کمک می کند. استفاده از این دو با یکدیگر در واقع با تزریق آهسته هوا یا اکسیژن همراه است. كه در اين صورت میکروارگانیزمها فرصت می یابند تا فرایند تجزیه بیولوژیکی آلاینده را با استفاده از هوای تزریق شده بهتر انجام دهند. بخصوص اگر گاز تزریق شده طی فرایند تزریق هوا ، متان باشد تحریک فعالیت میکروبها بخوبی انجام می شود.
پارامترهای موثر در طراحی تزریق هوا در تصفیه آبهای زیرزمینی شامل توزیع مناسب هوا(درمنطقه اثر) ، فشار تزریق هوا و میزان جریان ، نحوه تزریق مداوم یا متناوب وساختمان چاه تزریق می باشد.
4-4-3- سیستم های تزریق و استخراج
این سیستم ها بنام سیستم های پاکسازی آبهای زیر زمینی مطرح هستند و جهت پاکسازی بیولوژیک آلاینده های لایه آبدار در منطقه اشباع کاربرد دارند. این روش در تصفیه پلوم آلودگی لایه های آلوده به ترکیبات نفتی کاربرد زیادی دارد وازنظر هیدرولیکی در واقع یک لوپ بسته گردش آب است. اگر تزریق مواد مغذی از چند نقطه انجام شود و توزیع و انتقال آنها داخل پلوم مناسب باشد، در توسعه فرایند پاکسازی بیولوژیک در محل بسیار موثر می باشد.
4- پاکسازی بیولوژیک خارج از محل
پاکسازی بیولوژیک خارج از محل، با پمپاژ آب آلوده به سطح زمین به کمک روشهای مختلفی مثل پمپاژ و تصفیه، تصفیه روی زمین وکمپوست کردن خاکهای آلوده و بیوراکتورها انجام می شود، که در بین آنها بیوراکتورها در تجزیه سریع آلاینده ها بسیار موفقند.
در این روش آبهای زیرزمینی به سطح زمین پمپاژ و مورد تصفیه قرار می گیرند. البته بخشی از آلودگی به ماتریکس محیط آبی چسبیده باقی می ماند. با این کار از مهاجرت و انتقال آلاینده به مناطق پایین دست جریان جلوگیری می شود.
روشهای پاکسازی بیولوژیک خارج از محل شامل تصفیه به کمک زمین ، تهیه کمپوست و بیوراکتور می باشند . سایر فرایندهای فیزیکی و شیمیایی تصفیه شامل هوادهی جهت حذف ترکیبات آلی فرار(VOCs) جذب به کمک کربن فعال (GAC)، اولترافیلتراسیون، اکسیداسیون با افزودن ازن و UV یا ازن و H2O2 و فرایندهای بیولوژیکی لجن فعال و یا فرایندهای رشد چسبیده مي باشند(7).
تصفیه بیولوژیکی خارج از محل و روی زمین، برای پاکسازی آبهای زیرزمینی از ترکیبات شیمیایی آلی ناشی از صنایع و فعالیت های کشاورزی و تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی و هیدروکربنهای مونوآروماتیک استفاده می شود. متداولترین بیوراکتورهای مورد استفاده برای تفصیه آبهای زیرزمینی شامل صافی چکنده، دیسکهای بیولوژیک چرخان ، سیستم های لجن فعال، راکتورهای با بستر شناور و روش های بیهوازی می باشند. کاربرد این فرایندها تا حدودی بامحدودیت مواجه است چون طراحی و بهره برداری از آنها تا حد زیادی وابسته به تغییرات دمایی است و هزینه های بهره برداری آنها بالاست.
توسعه طراحی بیوراکتورهای تصفیه کننده آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی شبیه طراحی فرایندهای تصفیه بیولوژیک فاضلاب است. محدودیت اصلی فرایندهای بیولوژیک در تصفیه آبهای زیرزمینی آلوده نياز به پيش تصفيه ، دمای پايين آبهای زیرزمینی است که باعث کاهش سرعت تجزیه می شود و در نتیجه رشد بیومس و مصرف بارآلی موجود کاهش می یابد. بهره برداری از بیوراکتورهای بیهوازی هم در دمای پایین آبهای زیرزمینی با محدودیت مواجه می باشد (12) .
استفاده از بیوراکتورها برای تجزیه کامل آلاینده های پلوم آلودگی امکان پذیر است ولی نیازمند فرایندهای پیش تصفیه خاص می باشد. در آینده کاربرد روش های ترکیبی پاکسازی بیولوژیکی در محل و روش پمپاژ وتصفیه با هزینه کم نگهداری و بهره برداری ، رو به توسعه و گسترش خواهد بود.
تکنولوژی های پمپاژ و تصفیه بیولوژیک آبهای زیرزمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی هم تا بحال در حد گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است. با کمک این روش کنترل حرکت پلوم و هیدرولیک آلاینده ها امکان پذیر است. ولی تصفیه کامل از این طریق حاصل نمی شود چون تصفیه کامل از این طریق مستلزم هزینه های بالایی می باشد (12) .
5- تصفیه بیولوژیک آبهای زیرزمینی
تصفیه بیولوژیک آب شبیه تصفیه بیولوژیک خاک و سم زدائی مواد آلی فاضلاب به کمک میکروبهای تجزیه کننده می باشد که غالب آنها هوازی هستند. در فرایند تجزیه بیولوژیک، غالب ترکیبات آلی مقاوم به تجزیه به جز چند مورد استثناء، نهایتاً تجزیه بیولوژیک می شوند ولی ممکن است در بعضی موارد تجزیه به کندی انجام شود. شرایط محیطی مثل پتانسیل اکسیداسیون و احیاء و pH و دما... نقش موثری در این خصوص دارند. تجزیه بیولوژیکی هرترکیبی نیازمند حضور میکروارگانیزمهای خاصی با قابلیت مقاومت در مقابل آن ترکیب و محتوای سیستم آنزیمی مخصوص می باشد. لذا ممکن است با ورود یک آلاینده آلی به محیط، میکروارگانیزمهای موجود برای تطبیق خود با وضع جدید و فعال ساختن سیستم آنزیمی مناسب، داراي یک فاز تاخیری از چند ساعت تا هفته ها، بسته به نوع ترکیب و جمعیت میکروبهای زنده باقی مانده باشند. پس اگر بدون اینکه میکروبهای سیستم سازگاری لازم را با آلاینده ای پیدا کرده باشند ، بصورت تناوبی به فرایند تصفیه، اضافه شوند ، این مسئله منجر به افت و کاهش راندمان فرایند تصفیه خواهد شد(3).
با یک روش تصفیه مناسب و مدیریت صحیح و بموقع باید ابتدا منبع انتشار آلودگی کنترل و ازگسترش سطحی وعمقی آلودگی جلوگیری کرد تا در پلوم آلودگی یک شرایط پایدار ایجاد شود و سپس با بگارگیری روشی مناسب و با هزینه معقول ، منطقه مورد نظر را رفع آلودگی کرد. شکل 4 نمونه ائی از این اقدامات را نشان می دهد.
شكل شماره5 : كنترل پلوم آلودگي در آبهاي زير زميني آلوده به هيدروكربنهاي نفتي
این استراتژی در مرحله اول باید برای ترکیبات با بیشترین سمیت و قابلیت جابجایی و سپس برای مابقی مواد با سمیت کمتر و قابلیت تحرک کمتر انجام شود.(13)
تعدادی از فرایندهای بیولوژیک قابل استفاده شامل فرایندهای متداول لجن فعال، وانواع مدلهای اصلاح شده لجن فعال مثل استفاده ازاکسیژن خالص درفرایندهای لجن فعال با هوادهی گسترده و انواع روشهای بیولوژیکی دیگرمی باشد.
در بسیاری موارد مقادیر و حجم زیادی از آب پمپاژ شده از پلوم آلوده زير سطحي به سطح ، محتوی نفت و گاز هستند که معمولاً نفت و گاز آن جداسازی و بازیافت می شود. اما بخش زیادی از هیدروکربنها بصورت مخلوط در آب می مانند و برای جداسازی آنها طراحی فرایندهای خاص مثل لجن فعال لازم است.
در اوليفيلد ایالات متحده جهت حذف هیدروکربنهای نفتی از آبهای زیرزمینی آلوده، از فرایند لجن فعال استفاده شد که طی آن آب بعد از پمپاژ از لایه آبدار آلوده وارد مخازن جداکننده روغن و گاز شد و سپس فاز آبی آن، به یک حوض پیش هوادهی وارد و مواد مغذی هم به آن اضافه گردید و سپس مراحل تصفيه بیولوژیک انجام شد. این فرایند با یکزمان ماند ميكروبي 20 روزه 99-98% کل هیدروکربنهای نفتی را حذف کرد(14).
سایر روش های پاکسازی بیولوژیک شامل تحریک و افزایش بیولوژیک می باشند. تحریک بیولوژیک با افزودن اکسیژن یا سایر الکترون پذیرنده ها، مواد مغذی ، تنظیم pH ویا تنظیم رطوبت انجام می شود و افزایش بیولوژیکی، با افزودن میکروارگانیزمهای ایندوژنوس ، یا با میکروارگانیزمهای اگزوژنوس و یا افزودن میکروارگانیزمهای مهندسی ژنتیک شده(GEMS) و یا ترکیبی از این ها انجام می شود. این روش ها در بخش سوم مقاله معرفی خواهد شد.
نتیجه گیری
نیاز انسان به یک منبع انرژی ارزان در دسترس سبب شده که ، تابحال نفت و فرآورده های نفتی علی رغم اثر زیست محیطی نامناسب آن هنوز مورد توجه خاص باشد. به همین دلیل کاربرد روشهای ارزان تر، اقتصادی تر، با راندمان بیشتر، موثرتر و دوستدار محیط زیست که غالباً روشهای بیولوژیکی تصفیه و پاکسازی بیولوژیک می باشند ، روز به روز مورد توجه و توسعه قرار گرفته است. این روش ها توجه محققین را طی سه دهه گذشته به خود جلب نموده است و سعی شده با شناسایی فرایند و تکنولوژی کاربردی اصلاح شده، متناسب با شرایط محیطی و آب و هوایی مختلف، استراتژی های پاکسازی بیولوژیک مناسبی برای بکارگیری در مناطق مورد نظر معرفی شوند تا حفاظت منابع آب زیر زمینی از آلودگی، ارزانتر و اقتصادی تر شود.
به نظر می رسد در بين روشهاي تصفيه، زيست پالايي یکی از بهترین راه حل تصفیه آبهای زیرزمینی باشد. چون با موفقیت میکروبها را جهت حذف آلاینده ها بکار می گیرد و آنها را به CO2 و آب تبدیل کرده و منجر به حذف آلودگی و پاکسازی محیط می شود.
سوالات :
1- انواع روش های مورد استفاده در تجزیه آلاینده های نفتی را معرفی نمایید؟
2- انواع روش های پاکسازی بیولوژیک قابل کاربرد درتصفیه آبهای زیر زمینی آلوده به هیدروکربنهای نفتی را توضیح دهید؟
3- مزایا و معایب و شاخص های کنترل زیست پالائی در محل را شرح دهید؟
4- مدل های مختلف پاکسازی بیولوژیک در محل را شرح دهید؟
5- فرایندهای بیواسپارگینگ و بیوونتینگ برای حذف چه آلاینده هایی از آب های زیر زمینی کاربرد دارند؟
References:
1) Okoh, A. I.1 and Trejo-Hernandez, M. R. Review Remediation of petroleum hydrocarbon polluted systems: Exploiting the bioremediation strategies. African Journal of Biotechnology Vol.5 (25), pp.2520-2525, 29 December, 2006
2) Mark Zittwitz, Matthias Gerhardt, Manfred Ringpfeil,. Practical Experience From Commercical In-Situ Bioremediation In Cases Of Cable Insulating Oil And Tri- / Perchloroethylene Bioprct GmbH, Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin, Germany.
3)J.russell boulding .Jon s.Ginn(2004) .Practical Hand Book Of Soil ,Vadose Zone ,and Groundwater . Contamination Assessment ,Prevention, and Remediation . Lewis Publishers-A CRC Press CO
4) M. Kharone,A. Pauss and J. M. Lebeault. Aerpbic Biodegredation Of An Oxygenateds Mixture: ETBE,MTBE And TAME In An Upflow Fixed-Bed Reactor , Wat. Res. Vol. 35, No. 7, pp. 1665–1674, 2001.
5)Zhu Kun, Chen Huf, Li Guanghe and Liu Zhaochang. In Situ Remediation Of Petroleum Compounds In Groundwater Aquifer with chlorine Dioxide. Wat. Res. 1998;Vol.32.NO5.pp1471-1480.
۶)Sudhakar Viswanathan . Review : Bioremediation Of Water Contaminated With Petroleum Hydrocarbons. Global Environmental Technology and Management -1999
7) J.L.Simsa,J.M. Suflitab,and H.H. Russellc.Ground Water Issue :In-Situ Bioremediation of Contaminated Ground WaterEPA/540/S-92/003 -February 1992
8) Chen K and etal. Intrinsic bioremediation of MTBEcontaminated groundwater at a petroleum-hydrocarbon spill site . Environ Geol. 2006; 50: 439–445.
9)www.frtr.gov/matrix2/section4/4-7.html Presumptive Remedial Technologes For NYS Remedial Programs. Feb 2007 p27-35.
10) Gabriele Centi, Siglinda Perathoner. Remediation of water contamination using catalytic technologies. Applied Catalysis B: Environmental 41; 2003:15–29.
۱1) EPA. Biosparging. A Technology Assessment Of Soil Vapor Extraction and Air Sparging Cincinnati, 1992 23)Metcalf and Eddy. Wastewater Engineering treatment and Reuse. Mc Graw Hill fourth Edition.
12) J.H. Langwaldt, J.A. Puhakka. On-site biological remediation of contaminated groundwater. Environmental Pollution 107 (2000) 187±197
13) E. Timothy Oppelt, Contaminants and Remedial Option at wood Preserving sites EPA/600/R-92/182 October 1992
14)Gilbert T. Telleza,_, N. Nirmalakhandanb, Jorge L. Gardea-Torresdey c. Performance evaluation of an activated sludge system for removing petroleum hydrocarbons from oilfield produced water. Advances in Environmental Research 6Ž2002.455_470
