مدل سازی حرکت نیترات، آرسنیک و کادمیم در خاک تیمار شده با لجن فاضلاب و بیوچار حاصل از آن تحت کشت گیاه ذرت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Applying sewage sludge (SL) to soil can improve its physical and chemical properties. Sewage sludge application increases the concentration nitrate, arsenic and cadmium in soil and thus increase the potential of leaching of the contaminates into groundwater. One of the strategies to reduce elements leaching could be the application of biochar (BC) to soils. BC is a carbon-rich product of natural organic biomass pyrolysis under low or no oxygen supply. In this study we conducted a greenhouse column experiment to investigate the effects of BC and SL on As, Cd and nitrate (NO 3 - ) leaching and comparison the movement elements in the soil profile, between the soil treated with the BC and SL. One week after culturing, As (163 mg l -1 ) and Cd (40.3 mg l -1 ) was sprayed on the soil surface of all treatments except control. During the growing period, 7 irrigations were applied, after each irrigation the amount of NO 3 , As and cadmium were measured in drainage water. To simulate the traort of the elements and water the HYDRUS-1D model was used. The concentration of As and Cd in the drainage water were lower than the detection limits of ICP and AAs, respectively. The greatest consternation of nitrate (1299 mg l -1 ) was observed in the first irrigation in the sewage sludge treatment of 20 Mg h -1 , and the lowest in BC 20 Mg h -1 (985 mg). After the plant were harvested soil samples were collected from each column at 10, 20, 30, 40 and 50 cm. Elements movement in the soil profile showed that at the depth which BC had been applied the greatest amount of NO 3 and As were accumulated. Cadmium did not significantly moved in the soil profile and most of Cd concentration accumulated in the top 5 cm soil column. HYDRUS-1D was able to simulate the movement of water and NO 3 in drainage water at an acceptable level. But in the optimization of laboratory data (SWCC) as well as the parameter movement NO 3 was not very successful. Our results show that BC able to retained most of the nitrate and arsenic, and prevented their movement to lower soil depths. Also BC affected the retention curve and improved soil physical properties, enhanced dry yield in comparison with the control. In summary BC application increased dry yield and reduce movement nitrate and could be a good alternative for sewage sludge. Keywords: Sewage sludge, Biochar, Nitrate, Arsenic, Cadmium, HYDRUS-1D

در سال های اخیر استفاده از لجن فاضلاب به عنوان کود در زمین های کشاورزی رواج یافته است. لجن فاضلاب حاوی مقدار زیادی عناصر پر مصرف مانند نیتروژن و فسفر و عناصر کم مصرف است که می تواند در افزایش رشد و عملکرد گیاه نقش داشته باشد، در عین حال لجن فاضلاب دارای غلظت بالایی از عناصر سنگین مانند آرسنیک و کادمیم است که می تواند منجر به آلودگی خاک و در نتیجه آلوده شدن آب های زیرزمینی شود که در نهایت سلامت انسان را به خطر می اندازد. یکی از راهکارهای کاهش آلودگی ناشی از استفاده از لجن فاضلاب، استفاده از بیوچار آن می باشد. بیوچار یک ماده غنی از کربن است که طی فرایند پیرولیز زیتوده در حضور اکسیژن کم یا عدم حضور اکسیژن تولید می شود. در سال های اخیر به دلیل تأثیر مثبت بیوچار بر روی خاک هم از نظر کشاورزی و هم از نظر زیست محیطی به عنوان یک ماده ی اصلاح کننده مورد توجه قرار گرفته است. مطالعه ی حاضر با دو سطح لجن فاضلاب و بیوچار حاصل از آن (10 و 20 مگاگرم در هکتار) و تیمار بدون لجن فاضلاب و بیوچار اما دارای عناصر آرسنیک و کادمیم و تیمار شاهد (بدون کود و عناصر سنگین) در سه تکرار در قالب طرح فاکتوریل با طرح پایه کاملاً تصادفی اجرا گردید که حرکت نیترات، آرسنیک و کادمیم در ستون های خاک تحت کشت ذرت مورد بررسی قرار گرفت. لجن فاضلاب و بیوچار به صورت لایه ای در عمق 20 سانتی متری خاک افزوده شد. چند روز پس از کشت مقدار آرسنیک (163 میلی گرم در لیتر) و کادمیم (3/40 میلی گرم در لیتر) بر سطح تمام تیمارها به غیر از شاهد پاشیده شد. در طول دوره ی رشد گیاه 7 مرتبه آبیاری انجام و پس از هر آبیاری مقدار نیترات، آرسنیک و کادمیم زهاب اندازه گیری شد. برای شبیه سازی حرکت آب و املاح توسط نرم افزار HYDRUS-1D مرزهای بالایی و پایینی ستون ها برای جریان آب باز به اتمسفر و رویه نشت و برای جریان املاح غلظت جریان در نظر گرفته شد. فقط نیترات در زهاب خروجی مشاهده شد و بیش ترین مقدار نیترات خروجی در اولین مرتبه ی آبیاری مشاهده شد، در بین تیمارها لجن فاضلاب 20 مگاگرم در هکتار بیش ترین مقدار نیترات خروجی (1299 میلی گرم در لیتر) و کم ترین مقدار در بیوچار 20 مگاگرم در هکتار (985 میلی گرم در لیتر) مشاهده شد. در بین تیمارها، لجن فاضلاب 20 مگاگرم در هکتار بیش ترین عملکرد وزن خشک را داشت و عملکرد وزن خشک بیوچار از شاهد بیشتر بود. پس از برداشت در 5 عمق، 10، 20، 30، 40 و 50 سانتی متری خاک نمونه برداری شد. حرکت عناصر در نیم رخ خاک نشان داد که در عمقی که بیوچار به کار برده شده بود (20 سانتی متری سطحی) بیش ترین مقدار نیترات و آرسنیک مشاهده شد که این مقدار با سایر عمق ها در سطح 5 درصد تفاوت معنی داری داشت. در بین دو سطح بیوچار بیش ترین مقدار نیترات و آرسنیک در عمق به کار برده شده در تیمار 20 مگاگرم در هکتار مشاهده شد که با سطح 10 تن در هکتار بیوچار در سطح 5 درصد اختلاف معنی داری داشت. مقدار کادمیم پاشیده شده بروی سطح خاک در همان 10 سانتی متری بالایی تجمع و به لایه ی بیوچار نرسید. نرم افزار HYDRUS-1D قادر به شبیه سازی حرکت آب و نیترات زه آب با مقدار قابل قبول شد، اما در شبیه سازی داده hy;های آزمایشگاهی (SWCC) و همچنین پارامتر های حرکت نیترات چندان موفق نبود. بیوچار به خوبی توانست مقدار آرسنیک و نیترات آبشویی شده از قسمت های بالایی ستون خاک را جذب و از حرکت به قسمت های پایین تر جلوگیری کند. کادمیم به علت جذب شدن توسط ذارت خاک حرکت نداشت و به لایه بیوچار نرسید. همچنین بیوچار توانست شرایط نگهداری آب و در نهایت ویژگی فیزیکی خاک را بهبود بخشد. می توان نتیجه گیری کرد که بیوچار با افزایش عملکرد خشک نسبت به تیمار شاهد و همچنین کاهش حرکت نیترات و آرسنیک و جلوگیری از ورد این عناصر به آب های زیرزمینی یک روش جایگزین خوب برای لجن فاضلاب است. واژه های کلیدی: لجن فاضلاب، بیوچار، نیترات، آرسنیک، کادمیم، HYDRUS-1D