کاهش ۳۱ درصدی انتشار گازهای گلخانهای لاگونهای فاضلاب با تالابهای مصنوعی شناور
فرآیند تصفیه فاضلاب مسئول حدود ۱.۶ درصد از کل انتشار گازهای گلخانهای ناشی از فعالیتهای انسانی در جهان است و لاگونهای ذخیره پساب به عنوان یکی از کانونهای اصلی انتشار متان و اکسید نیتروژن شناخته میشوند. نتایج یک پژوهش میدانی دو ساله در استرالیا نشان میدهد که استفاده از تالابهای مصنوعی شناور میتواند انتشار گازهای گلخانهای از لاگونهای تصفیه پساب را تا ۳۱ درصد کاهش دهد و اثربخشی آن ظرف چند ماه پس از نصب نمایان شود. این مطلب، ترجمه و تحلیلی بر اساس نوشته الیویا تمپست (Olivia Tempest) در مجله Smart Water Magazine است. تمرکز نوشته ایشان نیز بر مقاله constructed floating wetlands to reduce these emissions under real operating conditions است.
تالابهای مصنوعی شناور موفق به کاهش ۲۲ تا ۳۱ درصدی انتشار گازهای گلخانهای (معادل دیاکسید کربن) از لاگونهای ذخیره پساب شدند که بخش عمده آن ناشی از افت ۳۲ تا ۶۶ درصدی انتشار متان است.
کاهش نرخ انتشار گازها بین ۴ تا ۷ ماه پس از استقرار تالابها ثبت شد؛ در حالی که کاهش سطح مواد مغذی نظیر نیتروژن کل تنها پس از ۱۲ ماه قابل سنجش بود.
برداشت دورهای پوشش گیاهی منجر به جهش موقت انتشار متان به میزان ۳.۳ تا ۱۲.۵ برابر کانال شاهد شد که این جهش پس از یک ماه برطرف گردید.
بر اساس برآوردهای هیئت بیندولتی تغییر اقلیم (IPCC)، تصفیه فاضلاب سالانه مسئول حدود ۱.۶ درصد از کل انتشار گازهای گلخانهای حاصل از فعالیتهای انسانی در جهان است که رقمی معادل ۰.۷۷ گیگاتن دیاکسید کربن (CO2) را شامل میشود. در این میان، بخش تصفیه آب و پساب بین ۷ تا ۱۰ درصد از کل انتشار جهانی گازهای متان (CH4) و اکسید نیتروژن (N2O) را تولید میکند؛ دو گازی که پتانسیل گرمایش زمین توسط آنها به مراتب بیشتر از دیاکسید کربن است. بخش عمدهای از این گازها از لاگونهای نگهدارنده ناشی میشوند؛ سیستمهای بازی که در آنها پساب تصفیهشده برای دورههای طولانی پیش از تخلیه یا بازچرخانی ذخیره میشود و شرایط بیهوازی حاکم بر آنها، فرایند تولید گاز را تشدید میکند.
تیمی از پژوهشگران دانشگاه آرامآیتی (RMIT University)، دانشگاه دیکین (Deakin University) و سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی همسود (CSIRO) در استرالیا، به مدت دو سال توانایی تالابهای مصنوعی شناور را در کاهش این گازها تحت شرایط عملیاتی واقعی مورد ارزیابی قرار دادند. این پژوهش که نتایج آن در ژورنال Journal of Environmental Management منتشر شده است، در لاگون ذخیره پساب تصفیهخانه وسترنپورت واتر (Westernport Water) واقع در جزیره فیلیپ (Phillip Island) در ایالت ویکتوریا (Victoria) به اجرا درآمد.
برای سنجش اثر واقعی تالابهای شناور، محققان این لاگون را که ۴,۵۰۰ مترمربع مساحت دارد و تا ۱۴ میلیون لیتر آب را در خود جای میدهد، با استفاده از پردههای انحراف جریان به دو کانال مجزا تقسیم کردند. یکی از کانالها شامل یک تالاب مصنوعی شناور به مساحت ۳۳۱ مترمربع بود که حدود ۷.۴ درصد از سطح کل لاگون را پوشش میداد و از ۶۰ ماژول کشتشده با گونههای بومی آبزی نظیر Baumea articulata و Phragmites australis تشکیل شده بود. پس از عدم موفقیت نسبی گونه اول، بخش عمده آن در سال دوم با گونه Bolboschoenus caldwellii جایگزین گردید. کانال دوم بدون تالاب شناور باقی ماند و به عنوان کانال شاهد (کنترل) عمل کرد. یک سازه تقسیمکننده جریان، ورود حجم برابر پساب به هر دو کانال را تضمین میکرد.
بین آوریل ۲۰۲۳ و آوریل ۲۰۲۵، این تیم به طور پیوسته شار گازهای دیاکسید کربن، متان و اکسید نیتروژن را با بهرهگیری از حسگرهای شناور نصبشده در ورودی و خروجی هر کانال پایش کردند و نمونهبرداریهای ماهانه آب را جهت ارزیابی نیتروژن کل، نیترات، فسفر، اکسیژن محلول، پهاش (pH) و دما انجام دادند.
کاهش قابل توجه انتشار آلایندهها
یافتهها نشان داد که میزان کل انتشار گازهای گلخانهای، بر حسب معادل دیاکسید کربن، در کانال مجهز به تالاب شناور بین ۲۲ تا ۳۱ درصد کمتر از کانال شاهد بود. این کاهش انتشار عمدتاً ناشی از افت گاز متان با کاهش ۳۲ تا ۶۶ درصدی بسته به نقطه و دوره نمونهبرداری بود و پس از آن دیاکسید کربن با کاهش ۲۴ تا ۳۶ درصدی و اکسید نیتروژن با کاهش ۱۸ درصدی قرار داشتند.
یکی از یافتههای کلیدی مطالعه این بود که کاهش انتشار گازها بین ماه چهارم تا هفتم پس از راهاندازی تالاب آشکار شد؛ یعنی بسیار پیشتر از تغییرات در سطح مواد مغذی که تنها پس از گذشت ۱۲ ماه قابل اندازهگیری بود. به طور مشخص، نیتروژن کل (اندازهگیریشده به روش کجلدال) به طور میانگین ۱۲ درصد در کانال تصفیه کاهش یافت، در حالی که غلظتهای نیترات و فسفر تفاوت محسوسی را در مقایسه با کانال شاهد نشان ندادند.
«نتایج نشان میدهد که انتشار گازهای گلخانهای، بر حسب معادل دیاکسید کربن، در کانال دارای تالاب شناور بین ۲۲ تا ۳۱ درصد کمتر از کانال شاهد بوده است.»
نویسندگان این مطالعه تصریح میکنند که این فاصله زمانی میان افت انتشار گازها و کاهش مواد مغذی نشان میدهد که سازوکار اصلی کاهش گازها صرفاً جذب مستقیم عناصر توسط گیاهان نیست، بلکه برآیندی از چند عامل به شمار میرود: مصرف گازها توسط ریزسازوارهها و جلبکها در بیوفیلمهای متصل به شبکه ریشه، کاهش تبادل گاز با اتمسفر به دلیل افت تلاطم سطحی ناشی از پوشش تالاب، و در بلندمدت کاهش دسترسی به مواد آلی برای تنفس میکروبی.
این پژوهش همچنین یک اثر جانبی مرتبط با نگهداری تالاب را ثبت کرد. در هر نوبت هرس و برداشت پوشش گیاهی در ماههای نوامبر ۲۰۲۳، سپتامبر ۲۰۲۴ و مارس ۲۰۲۵، افزایشی گذرا و کوتاهمدت در انتشار گاز متان ثبت شد که به ۳.۳ تا ۱۲.۵ برابر مقادیر اندازهگیریشده در کانال شاهد رسید. این جهشها ناشی از آشفتگی فیزیکی شبکه ریشهای و اختلال موقت در انتقال اکسیژن به ریزوسفر دانسته شد که ظرف مدت یک ماه برطرف گردید. زمانی که این رویدادهای مقطعی از تحلیلها حذف شدند، نرخ کاهش انتشار گازهای گلخانهای تالاب از ۲۲ درصد به ۳۱ درصد افزایش پیدا کرد.
هزینههای نصب و نگهداری
محققان هزینههای ساخت، پایش و نگهداری سامانه را در طول دوره دو ساله برابر با ۳۶۰,۰۱۶ دلار استرالیا (حدود ۲۳۴,۰۰۰ دلار آمریکا) ثبت کردند. حدود ۷۵ درصد از این مبالغ صرف هزینههای سرمایهای شامل طراحی، ساخت ماژولها و تجهیزات پایش شار گاز و کیفیت آب شد و ۲۵ درصد باقیمانده به هزینههای عملیاتی نظیر نیروی کار برای نگهداری، برداشت گیاهان و تحلیل دادهها اختصاص یافت. به بیان دیگر، سرمایهگذاری اولیه معادل ۸۷۳ دلار استرالیا به ازای هر مترمربع تالاب و هزینههای جاری سالانه ۱۰۷ دلار استرالیا به ازای هر مترمربع بوده است.
نویسندگان پژوهش به محدودیتهای این ارزیابی از جمله اجرای آزمایش در یک لاگون واحد با چینش مهندسی و گونههای گیاهی خاص اشاره کردهاند؛ موضوعی که نشان میدهد بازدهی این روش در مکانهایی با زمان ماند هیدرولیکی، اقلیم یا درصد پوشش متفاوت میتواند متغیر باشد. علاوه بر این، ساختار آزمایشی امکان محاسبه مستقیم هزینه نهایی به ازای هر تن دیاکسید کربن مهارشده در کل لاگون یا بررسی دقیقتر سازوکارهای میکروبی را فراهم نکرد. محققان توصیه میکنند در پژوهشهای آتی، اندازهگیری جامع در مقیاس کامل لاگون با مدلهای اقتصادی ترکیب شود.
با این وجود، تیم تحقیقاتی نتیجهگیری میکند که تالابهای مصنوعی شناور به عنوان یک راهکار مبتنی بر طبیعت پتانسیل بالایی در تحقق اهداف کربنخنثی در صنعت تصفیه آب و فاضلاب دارند و میتوانند منافع جانبی متعددی از جمله حذف آلایندههای نوظهور نظیر مواد پر و پلیفلوروآلکیل (PFAS)، فلزات سنگین و پسماندهای دارویی را در کنار ایجاد زیستگاه برای حیات وحش فراهم سازند.
تحلیل اختصاصی تیم Water Insight Hub – مرکز بینش آب
گذار به سمت زیرساختهای کمکربن به یکی از ارکان اصلی مذاکرات اقلیمی نظیر رویکردهای طرحشده در تحلیل از کاهش کربن تا امنیت آبی؛ تغییر پارادایم در COP30 تبدیل شده است. بخش تصفیه فاضلاب با سهم ۱.۶ درصدی از انتشار جهانی گازهای گلخانهای و به ویژه تولید نزدیک به یکدهم گاز متان جهان، نقشی کلیدی در گرمایش جهانی دارد. نتایج این تحقیق نشان میدهد که لاگونهای خاکی و روباز که در اغلب کشورهای در حال توسعه و مناطق نیمهخشک به کار گرفته میشوند، کانونهای نادیدهگرفتهشده انتشار متان هستند. کاهش ۳۱ درصدی انتشار معادل دیاکسید کربن تنها با پوشش ۷.۴ درصدی سطح لاگون توسط تالابهای مصنوعی شناور، این ابزار را به عنوان یک فناوری زیستی مقیاسپذیر در مجامع جهانی مطرح میسازد.
تلفیق سیستمهای زیستی با فناوری آب مرزهای مهندسی بهداشتی را جابهجا کرده است. ارزیابی این مطالعه مشخص کرد که بخش عمده کاهش گازها به دلیل فعالیت بیوفیلمهای ریشهای و مهار فیزیکی نوسانات سطحی است، نه صرفاً بازجذب مواد مغذی. این امر ضرورت ترکیب راهکارهای مبتنی بر طبیعت با فناوریهای نوین را آشکار میکند؛ مشابه مسیری که در توسعه تصفیهخانههای انرژی مثبت؛ تحلیل مدلهای موفق هلند و دانمارک برای بازیافت کربن و تولید بیوگاز طی میشود. همچنین پتانسیل همزمان این ماژولها در پالایش آلایندههای زیستمحیطی، تطابق ساختاری این راهکار با روندهای اقتصاد چرخشی در بازار بازیافت و بازچرخانی آب را اثبات میکند.
منطقه خاورمیانه و شمال آفریقا به دلیل تابش بالای خورشید و دماهای محیطی بالا، با بالاترین نرخ تولید بیهوازی گاز متان در برکههای تثبیت و لاگونهای پساب مواجه است. همزمان، تنش شدید آبی در این اقلیم، توسعه سیستمهای ذخیره و استفاده مجدد از پساب را گریزناپذیر ساخته است؛ موضوعی که در پروژههای همبست در کشورهای عربی به عنوان یک اولویت استراتژیک تعریف شده است. پیادهسازی تالابهای مصنوعی شناور در این مناطق میتواند علاوه بر مهار انتشار متان ناشی از تخمیر بیهوازی حرارتی، نرخ تبخیر شدید سطحی از مخازن پساب را کاهش داده و کیفیت بیولوژیکی آب بازچرخانیشده را بهبود دهد.
در ساختار زیرساختی تصفیه پساب در ایران، دهها تصفیهخانه شهری و صنعتی در شهرهای کویری و حاشیه فلات مرکزی از لاگونهای بیهوازی و برکههای اختیاری استفاده میکنند که در غیاب سامانههای هضم بیهوازی مجهز به جمعآوری بیوگاز، منابع بزرگ انتشار متان به شمار میآیند. ورود راهکارهای ارزانقیمت و طبیعتمحور مانند تالابهای شناور به برنامههای جامع حکمرانی آب کشور میتواند با سرمایهگذاری نسبتاً پایین، بدون تحمیل بار انرژی اضافی، شاخصهای زیستمحیطی پسابهای خروجی را ارتقا داده و مسیر تطبیق بخش آب با الزامات ملی کاهش ردپای کربن را هموار سازد.
دادههای اقتصادی پژوهش استرالیا با تعیین هزینه اولیه ۸۷۳ دلار استرالیا به ازای هر مترمربع و هزینه جاری سالانه ۱۰۷ دلار استرالیا، بر ضرورت بهینهسازی مدلهای بهرهبرداری تاکید دارد. پدیده جهش ۳.۳ تا ۱۲.۵ برابری انتشار متان در زمان برداشت گیاهان نشان داد که پروتکلهای نگهداری نقشی حیاتی در پایداری اکولوژیک این سیستمها بازی میکنند. از این رو، در پروژههای آینده، مطالعات تکمیلی برای تعیین زنجیره ارزش زیستتوده برداشتشده و تجاریسازی بیوچار حاصل از آن در دستور کار قرار گیرد تا پایداری مالی و زیستمحیطی این فناوریها به حداکثر برسد.
ایمیل رسمی مرکز بینش آب:
