نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی
عنوان مقاله English
نویسندگان English
This study evaluated the potential of food waste-derived compost for the bioremediation of crude oil-contaminated soil from the Bahregan oil field, Bushehr Province, southern Iran. The experiment was conducted for 180 days using four treatments: a control without aeration and moisture addition, a control with aeration and moisture addition, and treatments containing 30% and 50% compost. Total petroleum hydrocarbons (TPH) were measured using gas chromatography equipped with a flame ionization detector (GC-FID), and changes in TPH concentrations were monitored throughout the experimental period. In addition, some physicochemical characteristics affecting the bioremediation process, including pH, organic carbon, total Kjeldahl nitrogen, and total phosphorus, were monitored. The results showed that after 180 days, TPH removal efficiencies in the control without aeration and moisture addition, the control with aeration and moisture addition, and the 30% and 50% compost treatments were 8.6%, 78%, 94.45%, and 94.91%, respectively. Comparison of the control treatments showed that oxygen supply and maintenance of appropriate moisture substantially increased TPH removal, indicating the important role of suitable environmental conditions in the activity of indigenous microorganisms. Compost addition under the same aeration and moisture conditions also increased the removal efficiency compared with the aerated and moistened control. The 30% and 50% compost treatments showed 16.45 and 16.91 percentage points greater TPH removal, respectively, than the aerated and moistened control. However, the difference in final removal efficiency between the two compost levels was only 0.46 percentage points. Therefore, under the conditions of this study, the use of 30% compost may be a more suitable option in terms of the amount of amendment required and operational costs. Overall, the results showed that food waste-derived compost, together with appropriate moisture and aeration management, has high potential for the bioremediation of petroleum-contaminated soil and can simultaneously contribute to reducing hydrocarbon contamination and the beneficial reuse of organic waste.
کلیدواژه‌ها English
مقدمه
نفت خام یکی از مهم‌ترین منابع انرژی جهان و از ارکان اصلی اقتصاد کشورهای تولیدکننده و صادرکننده نفت، به‌ویژه کشورهای حاشیه خلیج فارس، به شمار می‌رود. بااین‌حال، فعالیت‌های گسترده مرتبط با اکتشاف، حفاری، استخراج، انتقال، ذخیره‌سازی و فرآورش نفت می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی قابل‌توجهی داشته باشد. نشت و رهاسازی نفت و فرآورده‌های نفتی، تولید پسماند و پساب آلوده و حوادث مرتبط با تأسیسات نفتی از مهم‌ترین مسیرهای ورود هیدروکربن‌ها به محیط زیست هستند و می‌توانند خاک، آب‌های سطحی و زیرزمینی و اکوسیستم‌های مجاور را تحت تأثیر قرار دهند (Mekonnen et al., 2024).
این مسئله در منطقه خلیج فارس، به دلیل تمرکز فعالیت‌های نفت و گاز و حساسیت بالای اکوسیستم‌های منطقه، اهمیت بیشتری دارد. کشورهای حاشیه خلیج فارس سهم قابل‌توجهی در تولید و صادرات جهانی نفت دارند و بخش گسترده‌ای از فعالیت‌های اکتشاف، تولید، ذخیره‌سازی و انتقال نفت در این منطقه انجام می‌شود (OPEC, 2026). برآورد شده است حدود 08/0 تا 4/0درصد نفت تولیدی وارد محیط دریایی شود (Edeghagba et al., 2021). افزون بر حوادث بزرگ نفتی، فعالیت‌های صنعتی، بندری و کشتیرانی نیز در ایجاد آلودگی مزمن هیدروکربنی در خلیج فارس نقش دارند. ازاین‌رو، مدیریت و کاهش آلودگی‌های نفتی در مناطق نفت‌خیز این منطقه، از اولویت‌های مهم زیست‌محیطی محسوب می‌شود (Uddin et al., 2021).
خاک یکی از مهم‌ترین محیط‌های دریافت‌کننده آلاینده‌های نفتی است و آلودگی آن می‌تواند در مراحل مختلف صنعت نفت، از استخراج و انتقال تا ذخیره‌سازی و فرآورش، ایجاد شود. نفت خام مخلوط پیچیده‌ای از صدها ترکیب هیدروکربنی با ویژگی‌های متفاوت است. پس از ورود نفت به خاک، ترکیبات مختلف آن تحت تأثیر فرآیندهایی مانند تبخیر، انحلال، جذب و واجذب، انتقال و تجزیه زیستی قرار می‌گیرند (Khan et al., 2018). آلودگی نفتی همچنین می‌تواند با تغییر ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی خاک، موجب افزایش آب‌گریزی، تغییر تخلخل و نفوذپذیری، اختلال در حرکت آب و هوا و کاهش دسترسی گیاهان به آب و عناصر غذایی شود. علاوه بر این، هیدروکربن‌ها می‌توانند ساختار و فعالیت جامعه میکروبی خاک را تغییر دهند و بر فرآیندهای زیستی و چرخه عناصر غذایی اثر بگذارند. برخی ترکیبات، به‌ویژه هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای، نیز به دلیل سمیت و پایداری نسبی، از اهمیت ویژه‌ای برای سلامت انسان و محیط زیست برخوردارند (Mekonnen et al., 2024 Khan et al., 2018;). برای ارزیابی میزان آلودگی خاک‌های نفتی، کل هیدروکربن‌های نفتی[1] (TPH) به‌طور گسترده به‌عنوان یک شاخص کلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.TPH یک ترکیب شیمیایی منفرد نیست، بلکه بیانگر مجموعه‌ای از هیدروکربن‌های موجود در نفت خام و فرآورده‌های نفتی است و به دلیل پیچیدگی ترکیب نفت، اندازه‌گیری آن در بسیاری از مطالعات عملی‌تر از تعیین تک‌تک ترکیبات است (Mekonnen et al., 2024). با این‌حال، ترکیبات موجود در TPH از نظر ساختار، زیست‌فراهمی و قابلیت تجزیه متفاوت‌اند؛ بنابراین، کاهش TPH الزاماً به معنای کاهش یکسان همه اجزای نفت نیست و نتایج باید با توجه به روش اندازه‌گیری و ماهیت آلاینده تفسیر شوند (Zhang et al., 2021).
روش‌های مختلفی برای تصفیه خاک‌های آلوده به نفت، از جمله روش‌های فیزیکی، شیمیایی و زیستی، توسعه یافته است. اگرچه روش‌های فیزیکی و شیمیایی می‌توانند در کاهش سریع‌تر آلاینده مؤثر باشند، اما در بسیاری از موارد به انرژی، تجهیزات تخصصی و هزینه‌های اجرایی قابل‌توجه نیاز دارند. در مقابل، زیست‌پالایی[2] با استفاده از توانایی میکروارگانیسم‌ها برای تبدیل و تجزیه آلاینده‌ها، می‌تواند روشی کم‌هزینه‌تر و سازگارتر با محیط زیست باشد (Elshafei & Mansour, 2024). در این فرآیند، میکروارگانیسم‌های بومی خاک نقش مهمی دارند و فعالیت آنها را می‌توان از طریق تأمین اکسیژن، رطوبت و مواد غذایی افزایش داد؛ رویکردی که به‌عنوان زیست‌تحریکی[3] شناخته می‌شود. در مقابل، افزودن میکروارگانیسم‌های منتخب برای افزایش توان تجزیه، زیست‌افزایی[4] نام دارد (Mekonnen et al., 2024).
در میان روش‌های زیست‌پالایی، کمپوست‌سازی به دلیل امکان استفاده هم‌زمان از مواد آلی و بهبود شرایط رشد میکروبی، مورد توجه قرار گرفته است. افزودن کمپوست می‌تواند با تأمین کربن آلی و برخی عناصر غذایی، بهبود ساختار و هوادهی خاک و حفظ رطوبت، شرایط مناسب‌تری برای فعالیت میکروارگانیسم‌های تجزیه‌کننده هیدروکربن فراهم کند ( Jørgensen et al., 2000; Namkoong et al., 2002; Tran et al., 2021). بنابراین، کمپوست را می‌توان علاوه بر یک ماده آلی، به‌عنوان اصلاح‌کننده خاک و عامل تحریک فعالیت میکروبی در فرآیند زیست‌پالایی در نظر گرفت.
یورگنسن و همکاران (۲۰۰۰) در زیست‌پالایی خاک آلوده به روغن روان‌کننده و دیزل، پس از پنج ماه حدود 70 درصد کاهش روغن معدنی را گزارش کردند. نام‌کونگ و همکاران (۲۰۰۲) نیز نشان دادند که افزودن کمپوست و لجن فاضلاب موجب افزایش تجزیه دیزل در خاک و بهبود شاخص‌های فعالیت میکروبی شد. در ایران، عسگری و همکاران (2017) با استفاده از کمپوست شهری در زیست‌پالایی لجن اسیدی حاصل از صنایع بازپالایش روغن‌های مصرف‌شده، حداکثر کاهش 56/71 درصدی TPH را گزارش کردند. همچنین، مرور مطالعات انجام‌شده توسط تران و همکاران (۲۰۲۱) نشان داد که کمپوست‌سازی هوازی در بسیاری از خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی می‌تواند موجب کاهش قابل‌توجه TPH شود؛ هرچند عواملی مانند نوع و مقدار کمپوست، رطوبت، هوادهی، دما، pH، مواد غذایی و ویژگی آلاینده بر عملکرد آن اثرگذارند.
یکی از مزایای مهم استفاده از کمپوست، امکان بهره‌گیری از پسماندهای آلی به‌عنوان ماده اصلاح‌کننده است. تبدیل پسماندهای غذایی به کمپوست می‌تواند ضمن کاهش مشکلات ناشی از دفع نامناسب پسماندهای آلی، ماده‌ای قابل استفاده برای بهبود شرایط خاک و تحریک فعالیت میکروبی فراهم کند. از این منظر، استفاده از کمپوست پسماند غذایی می‌تواند به‌طور هم‌زمان به مدیریت پسماندهای آلی و کاهش آلودگی خاک‌های نفتی کمک کند و رویکردی در راستای استفاده مجدد از منابع و کاهش هزینه‌های تصفیه باشد (Palansooriya et al., 2023).
با وجود نتایج امیدوارکننده مطالعات پیشین، بخش قابل‌توجهی از پژوهش‌ها در شرایط آزمایشگاهی یا با استفاده از خاک‌های مصنوعی آلوده، دیزل، روغن روان‌کننده و سایر پسماندهای نفتی انجام شده‌اند. در مقابل، مطالعات مربوط به کاربرد کمپوست در خاک واقعی آلوده به نفت خام در مناطق نفت‌خیز جنوب ایران محدود است. از آنجا که ویژگی خاک، ترکیب نفت خام، شرایط اقلیمی و جامعه میکروبی بومی می‌تواند بر عملکرد زیست‌پالایی اثر بگذارد، بررسی این روش در شرایط واقعی هر منطقه اهمیت دارد (Mekonnen et al., 2024 Tran et al., 2021; ).
منطقه نفتی بهرگان در استان بوشهر، به دلیل فعالیت‌های گسترده نفتی و موقعیت آن در مجاورت خلیج فارس، یکی از مناطق مناسب برای بررسی روش‌های زیست‌پالایی خاک‌های آلوده به نفت محسوب می‌شود. ازاین‌رو، در پژوهش حاضر کارایی کمپوست حاصل از پسماند مواد غذایی در زیست‌پالایی خاک واقعی آلوده به نفت خام منطقه بهرگان بررسی شد. در این مطالعه، اثر سطوح مختلف کمپوست در شرایط کنترل‌شده هوادهی و رطوبت‌دهی بر کاهش TPH ارزیابی گردید و نقش شرایط محیطی در بهبود فرآیند زیست‌پالایی مورد توجه قرار گرفت. هدف نهایی، تعیین میزان مناسب کمپوست و ارزیابی ظرفیت این روش به‌عنوان رویکردی ساده، کم‌هزینه و قابل کاربرد در مدیریت خاک‌های آلوده به نفت بود.
روششناسی پژوهش
محدوده مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه در جنوب ایران، در استان بوشهر و در محدوده منطقه نفتی بهرگان واقع شده است. منطقه بهرگان در بخش شمالی خلیج فارس و در نزدیکی بندر امام حسن قرار دارد. بر اساس اطلاعات شرکت ملی نفت ایران، بندر امام حسن (بهرگان) در فاصله حدود 40 کیلومتری شمال‌غربی بندر گناوه و 28 کیلومتری بندر دیلم واقع شده و فعالیت‌های اکتشاف و تولید نفت در این منطقه از دهه 1950 میلادی آغاز شده است (NIOC, 2014). در مطالعه حاضر، محدوده نمونه‌برداری در مختصات جغرافیایی 50°15′55″ طول شرقی و 29°49′48.6″ عرض شمالی قرار داشت (Hatami et al., 2009).
مواد مورد استفاده و نحوه آماده سازی آن
کمپوست مورد استفاده در این مطالعه از پسماند مواد غذایی تولیدشده در کمپ مسکونی شرکت نفت تهیه شد. کمپوست تولیدشده شامل پسماند مواد غذایی به همراه 20 درصد کود حیوانی گوسفندی بود. به‌منظور تولید کمپوست، از باکس‌های چوبی با ابعاد 1×1 متر استفاده شد. با توجه به شرایط آب‌وهوایی منطقه مورد مطالعه، فرآیند تولید کمپوست طی 5 هفته تکمیل شد. به‌منظور تأمین هوادهی و یکنواخت شدن توده کمپوست، اختلاط توده دو بار در هفته انجام گرفت. خاک مورد استفاده در این مطالعه از خاک آلوده‌شده با نفت خام تهیه شد. به‌منظور بررسی عملکرد فرآیند تصفیه زیستی، دو نمونه شاهد نیز در نظر گرفته شد. در نمونه شاهد اول، هیچ‌گونه کمپوست، رطوبت‌دهی و هوادهی اعمال نشد. در نمونه شاهد دوم، بدون افزودن کمپوست، عملیات رطوبت‌دهی و هوادهی مشابه نمونههای آزمایشی انجام گرفت تا تأثیر رطوبت‌دهی و هوادهی بر کاهش آلودگی نفتی مورد بررسی قرار گیرد.به‌منظور بررسی تأثیر کمپوست بر فرآیند تصفیه زیستی خاک آلوده به نفت، دو سطح اختلاط کمپوست با خاک در نظر گرفته شد. در یکی از نمونه‌ها، 30 درصد کمپوست و در نمونه دیگر 50 درصد کمپوست به خاک آلوده به نفت اضافه شد. نمونه خاک آلوده به نفت پس از سرند شدن و یکنواخت‌سازی، در ظروف فلزی با ابعاد 50×50 سانتی‌متر و ارتفاع 35 سانتی‌متر قرار گرفت. نمونه حاوی 30 درصد کمپوست شامل 5/8 کیلوگرم کمپوست و 20 کیلوگرم خاک آلوده به نفت بود. نمونه حاوی 50 درصد کمپوست نیز از 13 کیلوگرم کمپوست و 13 کیلوگرم خاک آلوده به نفت تشکیل شد.در طول دوره آزمایش، به‌منظور ایجاد شرایط مناسب برای فعالیت میکروارگانیسم‌ها و یکنواخت شدن توده، مخلوط خاک و کمپوست با استفاده از بیلچه هر 4 روز یک‌بار زیرورو و مخلوط شد. مدت زمان اجرای آزمایش 180 روز در نظر گرفته شد.
روش آنالیز
تنظیم نسبت عناصر غذایی و رطوبت اولیه
نسبت عنصری کربن (C)، نیتروژن (N) و فسفر (P) در مخلوط نهایی به ترتیب 100، 5 و 1 درنظرگرفته شد. این نسبت بر اساس کربن آلی موجود در مواد اولیه و با افزودنNH₄Cl (خلوص ۹۹/۹۹٪، Sigma-Aldrich,St.Louis, MO) به‌عنوان منبع نیتروژن و KH₂PO₄ (خلوص 55/99٪، (Sigma-Aldrich به‌عنوان منبع فسفر تعیین شد. بر این اساس، نسبت C/N هدف برابر با 20 بود. میزان رطوبت مخلوط با افزودن آب در محدوده 40 تا50 درصد حفظ شد.
اندازه‌گیری TPH
به‌منظور ارزیابی روند کاهش آلودگی نفتی در طی فرایند تصفیه زیستی،TPH در نمونههای خاک در فواصل زمانی تعیین‌شده اندازه‌گیری شد. پیش از نمونه‌برداری، محتویات توده خاک و کمپوست به‌طور کامل مخلوط شد تا نمونه کاملا یکنواخت شود؛ سپس نمونه‌ها از اعماق مختلف توده برداشت شدند.
برای استخراج هیدروکربن‌های نفتی، ۱ گرم از نمونه خشک‌شده با ۴ میلی‌لیتر نرمال هگزان با خلوص95/99 درصد (Merck, Darmstadt, Germany) مخلوط شد. مخلوط به مدت ۱ دقیقه با سرعت 300 دور در دقیقه هم زده شد. پس از ته‌نشینی ذرات، عصاره استخراج‌شده در دمای 4 درجه سانتی‌گراد تا زمان انجام آنالیز نگهداری شد. میزان TPH با استفاده از دستگاه کروماتوگرافی گازی مجهز به آشکارساز یونش شعله‌ای (GC-FID)[5] (Model CP-3800, Varian, Belrose, Australia) بر اساس اصول روش TNRCC Method 1005 تعیین شد؛ روشی که برای تعیین هیدروکربن‌های نفتی در نمونههای خاک، آب و پسماند طراحی شده است. در این روش، هیدروکربن‌های موجود در محدوده کربنی nC6 تا nC35 اندازه‌گیری می‌شوند. مجموع غلظت هیدروکربن‌های اندازه‌گیری‌شده در این محدوده‌ها به‌عنوان غلظت TPH گزارش می‌شود (TNRCC, 2001). این رویکرد در مطالعات تعیین هیدروکربن‌های نفتی در خاک نیز به کار گرفته شده است ( Silva et al., 2005; Asgari et al., 2017).
برای انجام آنالیز، 6/0میلی‌لیتر از عصاره استخراج‌شده به دستگاه GC-FID تزریق شد. جداسازی ترکیبات هیدروکربنی با استفاده از ستون مویینه CP-Sil8CB با طول 30 متر، قطر داخلی 32/0میلی‌متر و ضخامت فیلم 25/0میکرومتر انجام گرفت. هلیوم به‌عنوان گاز حامل با فشار ورودی 11 psi، نسبت اسپلیت 25 درصد و دبی عبوری از ستون 9/2 میلی‌لیتر در دقیقه استفاده شد. برنامه دمایی آون شامل دمای اولیه 35 درجه سانتی‌گراد به مدت 3 دقیقه بود. سپس دما با نرخ 15 درجه سانتی‌گراد در دقیقه تا 300 درجه سانتی‌گراد افزایش یافت و به مدت 5 دقیقه در این دما ثابت نگه داشته شد. در ادامه، دما با نرخ 200 درجه سانتی‌گراد در دقیقه به 310 درجه سانتی‌گراد افزایش یافت و به مدت 3 دقیقه در این دما ثابت ماند. دمای محل تزریق و آشکارساز به‌ترتیب 280 و 325 درجه سانتی‌گراد تنظیم شد. دبی گازهای هیدروژن، هوا و گاز کمکی نیتروژن برای آشکارساز FID نیز به‌ترتیب 40، 450 و 30 میلی‌لیتر در دقیقه تنظیم شد. زمان کل آنالیز برای هر نمونه 29 دقیقه در نظر گرفته شد (Asgari et al., 2017).
کالیبراسیون دستگاه با استفاده از روش استاندارد خارجی انجام گرفت و منحنی کالیبراسیون در هر روز کاری بررسی و تأیید شد. در این روش، از استانداردهای آلکان‌های نرمال برای تعیین محدوده‌های کربنی و کنترل توزیع هیدروکربن‌ها در کروماتوگرام استفاده شد (TNRCC, 2001).
در مطالعه حاضر، غلظت TPH بر اساس وزن خشک نمونه محاسبه و به‌صورت میلی‌گرم بر کیلوگرم وزن خشک خاک (mg/kg dry weight) گزارش شد. نتایج اندازه‌گیری TPH در تیمارهای حاوی 30 و 50 درصد کمپوست با تیمار شاهد مقایسه شد تا اثر افزودن کمپوست تولیدشده از پسماند مواد غذایی بر کاهش هیدروکربن‌های نفتی خاک ارزیابی شود.کلیه تیمارهای آزمایشی در سه تکرار انجام شدند.
اندازه‌گیری پارامترهای مؤثر بر فرایند تصفیه زیستی
به‌منظور بررسی شرایط محیطی حاکم بر فرایند تصفیه زیستی و ارزیابی تغییرات پارامترهای مؤثر بر فعالیت میکروارگانیسم‌ها، دما، رطوبت، pH، کربن آلی، نیتروژن کل کجلدال[6](TKN) و فسفر کل نمونه‌ها اندازه‌گیری شد. دمای محیط و دمای توده خاک و کمپوست به‌صورت روزانه با استفاده از دماسنج جیوه‌ای اندازه‌گیری و ثبت شد. میزان رطوبت نمونه‌ها با استفاده از رطوبت‌سنج دیجیتال (Moisture Meter, China pH Model) و همچنین با روش خشک‌کردن در آون (Model tactical 308, Gallenkamp, Loughborough, UK) در دمای ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۴ ساعت تعیین شد. برای تعیین pH در آزمایشگاه، ۱ گرم از نمونه خشک با ۵ میلی‌لیتر آب مقطر مخلوط و به مدت ۱ دقیقه با سرعت 200 دور در دقیقه هم زده شد. پس از ته‌نشینی ذرات، pH محلول رویی اندازه‌گیری شد. استفاده از نسبت مشخص نمونه به آب برای اندازه‌گیری pH از روش‌های متداول ارزیابی ویژگی‌های کمپوست و مواد آلی است (USCC, 2002). ماده آلی[7](OM) خاک با استفاده از روش افت وزنی در اثر احتراق[8] (LOI) تعیین شد. بدین منظور، 1 گرم از نمونه خشک در کوره در دمای 400 درجه سانتی‌گراد به مدت 2 ساعت حرارت داده شد. انتخاب دمای 400 درجه سانتی‌گراد بر اساس روش فیت‌فول (2002) انجام شد؛ زیرا در دماهای بالاتر، به‌ویژه در حدود 550 درجه سانتی‌گراد، تجزیه کربنات کلسیم و آزاد شدن CO₂ می‌تواند موجب افزایش افت وزن و در نتیجه بیش‌برآورد مقدار ماده آلی شود. پس از اتمام حرارت‌دهی، نمونه‌ها در دسیکاتور سرد شده و مجدداً توزین شدند. کاهش وزن نمونه پس از احتراق به‌عنوان LOI محاسبه و مقدار حاصل به‌عنوان برآوردی از ماده آلی نمونه گزارش شد (Faithfull, 2002). برای براورد کربن آلی[9] (OC) از ضریب تبدیل کلاسیک 724/1، که بر فرض وجود 58 درصد کربن در ماده آلی استوار است، استفاده شد:
|
1) |
=OC(mg/kg) |
نیتروژن کل کجلدال (TKN) با استفاده از روش استاندارد 4500-Norg اندازه‌گیری شد. برای انجام آزمایش، مقدار 1 گرم از نمونه خشک به همراه 3 میلی‌لیتر اسید سولفوریک 1/0 مولار و 250 تا 300 میلی‌لیتر آب مقطر مخلوط شد. استفاده از اسید سولفوریک با هدف جلوگیری از خروج آمونیاک در طی فرآیند آماده‌سازی نمونه انجام گرفت و مقدار نیتروژن کل کجلدال مطابق روش استاندارد اندازه‌گیری شد. فسفر کل نیز با استفاده از روش استاندارد مربوط به تعیین فسفر اندازه‌گیری شد. نتایج اندازه‌گیری پارامترهایTPH، نیتروژن کل، فسفر کل و کربن آلی به‌صورت هفتگی ثبت شد؛ در مقابل، دمای محیط و توده خاک–کمپوست به‌صورت روزانه پایش و pH نیز در طول دوره آزمایش به‌صورت روزانه اندازه‌گیری شد (Clesceri et al., 2010).
یافتهها و بحث
ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی کمپوست و خاک
ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی اولیه خاک آلوده به نفت و کمپوست مورد استفاده در فرآیند تصفیه زیستی در جدول 1 ارائه شده است. بر اساس نتایج اولیه، کمپوست دارای مقدار قابل‌توجهی کربن آلی و عناصر غذایی شامل نیتروژن و فسفر است. مقدار pH کمپوست در محدوده نزدیک به خنثی قرار دارد که می‌تواند شرایط مناسبی را برای فعالیت میکروارگانیسم‌های دخیل در فرآیند زیست‌پالایی فراهم کند.
جدول1. ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی خاک آلوده به نفت و کمپوست مورد استفاده
Table 1. Physicochemical properties of the oil-contaminated soil and the compost used.
|
پارامتر |
واحد |
خاک آلوده به نفت |
کمپوست |
|
مواد آلی (OM) |
mg/kg |
18500 |
285600 |
|
نیتروژن کل کجلدال (TKN) |
mg/kg |
1120 |
12850 |
|
فسفر کل (TP) |
mg/kg |
380 |
4260 |
|
pH |
- |
82/6 |
45/7 |
|
رطوبت |
% |
60/11 |
20/48 |
|
هیدروکربن‌های نفتی کل (TPH) |
mg/kg |
535000 |
N.D. |
|
N.D. در محدوده تشخیص روش اندازه‌گیری مشاهده نشد. |
|||
مقدار رطوبت بیشتر کمپوست و وجود مواد آلی و عناصر غذایی در آن می‌تواند شرایط مناسب‌تری برای فعالیت میکروبی و تجزیه زیستی هیدروکربن‌های نفتی فراهم کند. با توجه به TPH قابل‌توجه در خاک آلوده و عدم تشخیص آن در کمپوست، انتظار می‌رود افزودن کمپوست با بهبود شرایط فیزیکوشیمیایی و تأمین مواد مغذی، موجب افزایش فعالیت میکروبی و کاهش TPH خاک شود ( Namkoong et al., 2002; Tran et al., 2021).
روند کلی تغییرات TPH در تیمارهای مختلف
نتایج بررسی تغییرات TPH نشان داد که نوع تیمار و مدت فرایند هر دو بر میزان کاهش TPH در خاک آلوده به نفت اثرگذار بودند (جدول 2). کمترین کاهش TPH در نمونه شاهد (فاقد کمپوست، بدون هوادهی و رطوبت‌دهی) مشاهده شد، درحالی‌که تأمین اکسیژن و حفظ رطوبت مناسب، کاهش TPH را به‌طور چشمگیری افزایش داد. افزودن کمپوست نیز در شرایط یکسان هوادهی و رطوبت‌دهی، راندمان حذف را بیشتر کرد. پس از 180 روز، میزان کاهش TPH در شاهد بدون هوادهی و رطوبت‌دهی، شاهد دارای هوادهی و رطوبت‌دهی، تیمار 30 درصد کمپوست و تیمار 50 درصد کمپوست به‌ترتیب 6/8، 78، 45/94 و 91/94 درصد بود. این نتایج نشان می‌دهد که ابتدا تأمین اکسیژن و رطوبت مناسب و سپس افزودن کمپوست، مهم‌ترین عوامل افزایش حذف TPH در شرایط این پژوهش بودند.
مکونن و همکاران (۲۰۲۴) تأکید کردند که موفقیت زیست‌پالایی به عواملی مانند فعالیت میکروبی، اکسیژن، رطوبت، pH، دما، غلظت اولیه آلاینده و زیست‌فراهمی هیدروکربن‌ها وابسته است. بررسی روند زمانی نیز نشان داد که کاهش TPH در تیمارهای فعال با افزایش مدت فرایند ادامه یافت، هرچند سرعت کاهش در طول زمان ثابت نبود. در شاهد دارای هوادهی و رطوبت‌دهی، میزان کاهش TPH از 03/72 درصد در روز 80 به 78 درصد در روز 180 رسید؛ بنابراین، بخش عمده کاهش در 80 روز نخست رخ داد و پس از آن افزایش محدودی مشاهده شد (شکل1).
|
الف) نمونه شاهد بدون رطوبت و هوادهی |
ب)نمونه شاهد تحت هوادهی و رطوبت‌دهی |
شکل1. روندتغییرات TPHدر نمونه شاهد
Figure 1. Trend of pH changes in the control sample
روند تغییرات TPH در طول دوره آزمایش نیز نشان داد که پاسخ تیمارهای کمپوستی به زمان وابسته بوده است. در هر دو تیمار، کاهش TPH پس از روز 80 نیز ادامه یافت، اگرچه شدت کاهش در مراحل پایانی کمتر از مراحل ابتدایی بود (شکل2). در تیمار 30 درصد کمپوست، کاهش TPH از 46/55 درصد در روز 80 به 45/94 درصد در روز 180 و در تیمار 50 درصد کمپوست از 87/77 درصد به 91/94 درصد افزایش یافت. در مجموع، بیشترین میزان کاهش TPH در تیمارهای کمپوستی و به‌ویژه در مراحل ابتدایی فرایند مشاهده شد.
|
الف) نمونه حاوی 30 درصد کمپوست |
ب) نمونه حاوی 50 درصد کمپوست |
شکل2. روند تغییرات TPHدر خاک در اثر افزودن کمپوست
Figure 2. Trends in soil TPH levels resulting from compost addition
یورگنسن و همکاران (۲۰۰۰) در یک مطالعه میدانی نشان دادند که سرعت تخریب روغن معدنی در ماه‌های نخست بیشتر بوده و سپس کاهش آلاینده با روند کندتری ادامه یافته است؛ در این مطالعه، پس از پنج ماه حدود 70 درصد روغن معدنی حذف شد. کاهش سرعت حذف در مراحل پایانی می‌تواند با کاهش بخش‌های زیست‌فراهم هیدروکربن، باقی‌ماندن ترکیبات مقاوم‌تر و محدودشدن دسترسی میکروارگانیسم‌ها به آلاینده مرتبط باشد. نام‌کونگ و همکاران (۲۰۰۲) نیز نشان دادند که کاهش TPH با گذشت زمان ادامه می‌یابد، اما ترکیب هیدروکربن‌های باقی‌مانده تغییر می‌کند و ترکیبات ساده‌تر سریع‌تر تجزیه می‌شوند. هارا و همکاران (۲۰۱۳) نیز کاهش قابل‌توجه TPH در طی 74 روز در تیمار کمپوست را گزارش کردند. بنابراین، نتایج این پژوهش ضمن تأیید نقش هوادهی، رطوبت و کمپوست در افزایش حذفTPH، نشان می‌دهد که بخش عمده فرآیند زیست‌پالایی در مراحل ابتدایی رخ داده و ادامه فرایند در دوره‌های طولانی‌تر، افزایش محدودتری در حذف آلاینده ایجاد می‌کند.
جدول2. میزان کاهش TPH در نمونههای مختلف
Table 2. TPH reduction rates in various sample
|
نمونه برداری چند روز بعد از عملیات |
شماره |
نمونه شاهد بدون هوادهی/ رطوبت‌دهی: (mg/kg)TPH |
کاهش TPH (%) |
نمونه شاهد هوادهی و رطوبت‌دهی‌شده: (mg/kg)TPH |
کاهش TPH (%) |
غلظت TPH نمونه با نسبت70/30 (mg/kg) |
کاهش TPH (%) |
غلظت TPH نمونه با نسبت50/ 50 (mg/kg) |
کاهش TPH (%) |
|
شروع |
1 |
4200 535000 |
- |
535000 3900 |
- |
326000 3100 |
- |
499000 4100 |
- |
|
روز 20 |
2 |
528740 3900 |
35/0 17 /1 |
468650 2200 |
8/0 4 /12 |
301155 2600 |
9/0 62 /7 |
414765 3500 |
75/0 88 /16 |
|
روز 40 |
3 |
524835 3600 |
30/0 90 /1 |
355400 3100 |
05/1 57 /33 |
255940 2800 |
85/0 48 /21 |
301153 2900 |
95/0 64 /39 |
|
روز 60 |
4 |
522320 3500 |
11/0 37 /2 |
227170 2900 |
9/0 53 /57 |
201635 2400 |
75/0 15 /38 |
221503 2600 |
9/0 61 /55 |
|
روز80 |
5 |
509855 3300 |
55/0 7 /4 |
149600 2200 |
85/0 03 /72 |
145200 2100 |
80/0 46 /55 |
110400 1800 |
66/0 87 /77 |
|
روز 100 |
6 |
508303 3200 |
5/0 99 /4 |
131570 1900 |
75/0 40 /75 |
126585 1800 |
70/0 17 /61 |
50141 1100 |
55/0 95 /89 |
|
روز 120 |
7 |
503756 3000 |
40/0 84 /5 |
127420 1800 |
70/0 18 /76 |
102155 1600 |
75/0 66 /68 |
43722 950 |
75/0 23 /91 |
|
روز 140 |
8 |
502418 2800 |
5/0 09 /6 |
120981 1600 |
65/0 38 /77 |
72834 1300 |
70/0 65 /77 |
29316 750 |
65/0 12 /94 |
|
روز 160 |
9 |
497550 2900 |
55/0 00 /7 |
118645 2500 |
40/0 82 /77 |
40994 900 |
65/0 42 /87 |
26945 700 |
7/0 60 /94 |
|
روز 180 |
10 |
488990 2700 |
35/0 60 /8 |
117693 1500 |
55/0 00 /78 |
18067 500 |
80/0 45 /94 |
26361 650 |
45/0 91 /94 |
اثر رطوبت‌دهی و هوادهی بر کاهش TPH در نمونه شاهد
در نمونه شاهد بدون هوادهی و رطوبت‌دهی، غلظت اولیه TPH برابر باmg/kg 535000 بود و پس از 180 روز بهmg/kg 488990 کاهش یافت که معادل 6/8 درصد کاهش است (جدول 2). در مقابل، در نمونه شاهد تحت هوادهی و رطوبت‌دهی، غلظت TPH از mg/kg 535000 در ابتدای آزمایش به mg/kg117693 در روز 180 رسید که معادل 78 درصد کاهش بود. بنابراین، در شرایط آزمایش حاضر، مدیریت هوادهی و رطوبت بستر نقش مهمی در افزایش کاهش TPH داشته است. کاهش محدود TPH در نمونه فاقد هوادهی و رطوبت‌دهی نشان می‌دهد که در نبود مداخله عملیاتی، کاهش آلاینده در طول دوره آزمایش محدود بوده است. با این‌حال، این کاهش را نمی‌توان به‌طور قطعی معادل زیست‌تخریب دانست، زیرا کاهش غلظت TPH می‌تواند علاوه بر فرایندهای زیستی، تحت تأثیر فرایندهای غیرزیستی نیز قرار گیرد (Khan et al., 2018).
تران و همکاران(2018) در بررسی زیست‌پالایی هوازی خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی، رطوبت و نرخ هوادهی را از جمله پارامترهای مهم عملیاتی مؤثر بر عملکرد فرایند معرفی کردند. همچنین، مطالعه آنها نشان داد که کارایی فرایند کمپوست‌سازی به شرایط عملیاتی و ویژگی‌های فیزیکی خاک وابسته است؛ در مطالعه آنان، پس از 45 روز، میزان حذف TPH در دو کسر دانه‌بندی خاک ریز‌دانه (کوچک‌تر از 3/0 سانتی‌متر) و درشتدانه (بزرگ‌تر3/1سانتی‌متر) به‌ترتیب 82 و 93 درصد گزارش شد.
در مجموع، اختلاف قابل‌توجه میان تیمار فاقد هوادهی و رطوبت‌دهی (6/8 درصد کاهش) و تیمار دارای هوادهی و رطوبت‌دهی (78 درصد کاهش) نشان می‌دهد که کنترل شرایط فیزیکی بستر، به‌ویژه تأمین اکسیژن و حفظ رطوبت مناسب، در شرایط این آزمایش با افزایش میزان کاهش TPH همراه بوده است. ازاین‌رو، تیمار شاهد بدون هوادهی و رطوبت‌دهی می‌تواند به‌عنوان خط پایه مناسبی برای ارزیابی اثر مداخلات عملیاتی در تیمارهای بعدی در نظر گرفته شود. بنابراین، نبود هوادهی و رطوبت‌دهی کافی می‌تواند با محدودکردن فعالیت میکروارگانیسم‌های بومی، فرایند زیست‌تخریب هیدروکربن‌های نفتی را کاهش داده و به تداوم آلودگی در خاک منجر شود (Tran et al., 2021).
اثر افزودن کمپوست بر کاهش TPH
افزودن کمپوست در شرایط آزمایش حاضر موجب افزایش میزان کاهش TPH شد. میزان کاهش نهایی TPH در تیمارهای حاوی 30 و 50 درصد کمپوست به‌ترتیب45/94 و 91/94 درصد بود، درحالی‌که این مقدار در تیمار شاهد دارای هوادهی و رطوبت‌دهی، بدون افزودن کمپوست، 78 درصد به‌دست آمد (جدول2). به هرحال، افزودن کمپوست در شرایط یکسان رطوبت و هوادهی، کاهش TPH را به میزان قابل‌توجهی افزایش داد. این اثر را می‌توان به تأمین مواد آلی و عناصر غذایی، بهبود نگهداشت رطوبت و ویژگی‌های فیزیکی بستر و در نتیجه فراهم‌شدن شرایط مناسب‌تر برای فعالیت میکروارگانیسم‌های تجزیه‌کننده هیدروکربن نسبت داد. مطالعه مکونن و همکاران (۲۰۲۴) نیز نشان می‌دهد که اکسیژن، رطوبت، مواد مغذی، ویژگی‌های خاک و فعالیت جامعه میکروبی از عوامل اصلی کنترل‌کننده زیست‌پالایی هیدروکربن‌های نفتی هستند. هارا و همکاران (2013) در یک مطالعه میدانی، کاربرد کمپوست حاصل از پسماند غذایی را برای خاک آلوده به نفت بررسی کردند و کاهش TPH از 8300 بهppm 2300 طی 74 روز را گزارش کردند. همچنین، در تیمار کمپوست افزایش برخی باکتری‌های مرتبط با تجزیه هیدروکربن مشاهده شد. در مطالعه نام‌کونگ و همکاران (۲۰۰۲) نیز افزودن کمپوست یا لجن فاضلاب به خاک آلوده به دیزل، تجزیه TPH را نسبت به خاک بدون اصلاح‌کننده افزایش داد و بیشترین نرخ تجزیه در نسبت خاک به اصلاح‌کننده 5/0: 1 مشاهده شد. این مطالعه همچنین نشان داد که افزایش مقدار اصلاح‌کننده الزاماً موجب افزایش متناظر حذف TPH نمی‌شود. این یافته با نتایج پژوهش حاضر مطابقت دارد؛ به‌طوری‌که اختلاف میانگین راندمان نهایی بین تیمارهای 30 و 50 درصد کمپوست تنها 46/0 واحد درصد بود. بنابراین، افزایش مقدار کمپوست از 30 به 50 درصد در شرایط این آزمایش، مزیت قابل‌توجهی از نظر حذف نهایی TPH ایجاد نکرد و می‌تواند نشان‌دهنده وجود یک مقدار بهینه از اصلاح‌کننده باشد. هلمی و کاردنا (۲۰۲۴) در یک مطالعه میدانی، استفاده از بیوکمپوست به‌عنوان ماده حجیم‌کننده را در زیست‌پالایی خاک آلوده به نفت در میدان نفتی میناس اندونزی بررسی کردند. پس از 150 روز، میانگین غلظت TPH ازmg/kg 9373±64799 بهmg/kg 74± 163 کاهش یافت (کاهش حدود 75/99 درصدیTPH).
برای ارزیابی عملکرد تیمارهای مورد بررسی، نتایج پژوهش حاضر با مطالعات پیشین در زمینه زیست‌پالایی هوازی و استفاده از اصلاح‌کننده‌های آلی در خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی مقایسه شد (جدول3). نتایج نشان داد که میزان حذف TPH در تیمارهای 30 و 50 درصد کمپوست پسماند غذایی، در بخش بالایی دامنه مقادیر گزارش‌شده در مطالعات پیشین قرار دارد. از این نظر، هر دو تیمار در مقایسه با مطالعات پیشین عملکرد مشابه و بالایی داشته‌اند و اختلاف میان دو سطح کمپوست در پژوهش حاضر نسبتاً محدود بوده است.
جدول 3. مقایسه راندمان حذف TPH در زیست‌پالایی خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی با استفاده از اصلاح‌کننده‌های آلی
Table 3. Comparison of TPH removal efficiency in the bioremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbons using organic amendments
|
نمونه و ماده اصلاح‌کننده |
مقیاس و مدت |
نتیجه |
مطالعه |
|
خاک آلوده به هیدروکربن‌های نفتی؛ تراشه پوست درخت، مواد مغذی و هوادهی :(به ازای هر ۱ واحد خاک، ۳ واحد چیپس پوست درخت) |
میدانی، 5 ماه |
حدود 70% کاهش نفت معدنی؛ بیشترین کاهش در ماه‌های نخست |
|
|
خاک آلوده به دیزل؛ کمپوست و لجن فاضلاب: |
آزمایش کمپوست‌سازی |
حذف6/99% TPH |
|
|
خاک آلوده به نفت؛ کمپوست پسماند غذایی: |
میدانی، 74 روز |
حذف 72% TPH |
|
|
خاک‌های آلوده به هیدروکربن‌های نفتی؛ کمپوست‌سازی هوازی: (کمترین نسبت خاک به کمپوست: ۱ به 5/12؛ |
مرور مطالعات |
حذف 70% تا 99%TPH |
|
|
خاک آلوده به نفت؛ بیوکمپوست به‌عنوان ماده حجیم‌کننده: |
میدانی، 150 روز |
حذف75/99% TPH |
|
|
خاک آلوده به نفت؛ ورمی‌کمپوست: |
پایلوت، 90 روز |
حذف 3/90%TPH |
|
|
70% خاک آلوده به نفت؛ 30% کمپوست پسماند غذایی |
180 روز |
حذف 45/94 %TPH |
پژوهش حاضر |
|
50% خاک آلوده به نفت؛50% کمپوست پسماند غذایی |
حذف 91/94 %TPH |
اهمیت کاربردی نتایج در مناطق نفت‌خیز جنوب کشور
نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که کمپوست پسماند غذایی، به‌ویژه در تیمارهای حاوی 30 و 50 درصد کمپوست با حذف بیش از 90 درصد TPH، می‌تواند گزینه‌ای امیدوارکننده برای زیست‌پالایی خاک‌های آلوده به نفت در مناطق نفت‌خیز جنوب کشور باشد. اهمیت این موضوع با توجه به گزارش آلودگی‌های هیدروکربنی در خلیج فارس و محدوده بهرگان و سواحل استان بوشهر، که با فعالیت‌های نفتی مرتبط دانسته شده‌اند، بیشتر می‌شود (Hatami et ;al., 2009 Mohebbi-Nozar et al., 2015; Dashtbozorg et al., 2019; Uddin et al., 2021). کاربرد کمپوست علاوه بر بهبود شرایط فیزیکوشیمیایی و افزایش فعالیت میکروبی خاک، امکان بازیافت پسماند آلی و کاهش وابستگی به روش‌های شیمیایی و فیزیکی پرهزینه را فراهم می‌کند ( Namkoong et al., 2002;Tran et al., 2021). با این حال، نتایج حاضر در شرایط آزمایشگاهی به‌دست آمده و برای استفاده در مناطق نفتی نیازمند مطالعات پایلوت و میدانی است. همچنین، ارزیابی موفقیت فرایند نباید تنها بر کاهش TPH متکی باشد و بررسی ترکیبات هیدروکربنی، سمیت و انتشار ترکیبات فرار مانند بنزن، تولوئن، اتیل‌بنزن و زایلن‌ها[10](BTEX) نیز ضروری است (Tran et al., 2018).
نتیجهگیری
در این پژوهش، تصفیه زیستی خاک آلوده به نفت با استفاده از کمپوست تولیدشده از پسماند مواد غذایی و با تکیه بر ظرفیت میکروارگانیسم‌های بومی خاک بررسی شد. نتایج نشان داد که فراهم‌کردن شرایط مناسب برای فعالیت میکروارگانیسم‌ها، به‌ویژه از طریق تأمین رطوبت و هوادهی، نقش مهمی در کاهش هیدروکربن‌های نفتی دارد؛ به‌طوری‌که پس از 180 روز، کاهش TPH در تیمار شاهد بدون هوادهی و رطوبت‌دهی تنها 6/8درصد بود، درحالی‌که در شاهد تحت هوادهی و رطوبت‌دهی به 78 درصد رسید. این یافته نشان می‌دهد که میکروارگانیسم‌های بومی موجود در خاک منطقه، در صورت فراهم‌بودن شرایط محیطی مناسب، ظرفیت قابل‌توجهی برای تجزیه زیستی هیدروکربن‌های نفتی دارند. افزودن کمپوست موجب افزایش بیشتر راندمان حذف TPH شد و میزان کاهش TPH در تیمارهای حاوی 30 و 50 درصد کمپوست پس از 180 روز به‌ترتیب 45/94 و 91/94 درصد رسید. بااین‌حال، اختلاف راندمان دو تیمار تنها 46/0 واحد درصد بود؛ بنابراین، در شرایط این مطالعه، افزایش مقدار کمپوست از 30 به 50 درصد مزیت قابل‌توجهی از نظر حذف نهایی TPH ایجاد نکرد. از این رو، تیمار 30 درصد کمپوست می‌تواند گزینه مناسب‌تری برای بررسی‌های پایلوت و میدانی باشد، زیرا امکان دستیابی به راندمان بالا با مصرف کمتر کمپوست و احتمالاً هزینه عملیاتی پایین‌تر را فراهم می‌کند.
استفاده از کمپوست پسماند غذایی، هم‌زمان مدیریت پسماندهای آلی و زیست‌پالایی خاک‌های نفتی را ممکن می‌سازد و با کاهش شیرابه و انتشار گازهای گلخانه‌ای، پسماند را به یک اصلاح‌کننده مفید خاک تبدیل می‌کند. با این حال، تأیید قابلیت کاربرد این روش در مقیاس میدانی مستلزم انجام مطالعات پایلوت و ارزیابی هم‌زمان کارایی حذف آلاینده، پایداری فرایند و پیامدهای محیطزیستی آن است. همچنین در مطالعات آینده می‌توان شناسایی و تعیین میکروارگانیسم‌های بومی مؤثر در تجزیه هیدروکربن‌ها را در اولویت قرار داد.
