بررسی کیفیت و روش های تصفیه آب های زیرزمینی
[tabs style=”h1″ ]
[tab title=”خلاصه مقاله” icon=”momizat-icon-pencil22″ ]
با توجه به ذخیرۀ منابع آب موجود در جهان و سهم قابل توجه آبهای زیرزمینی بعنوان آب شیرین قابل استحصال، حفظ کمی و کیفی این منبع گرانبها در حد مطلوب ضرورری است. محدودیت منابع آب و نیاز روزافزون به آب شرب از یک طرف و تولید انواع فاضلاب و افزایش آلودگی منابع آب سبب افزایش احتمال شیوع بیماریهای مرتبط با آب شده است و نظارت و کنترل کیفیت آبها و حفاظت از این منابع خدادادی را ضروری مینماید. بطور کلی، کیفیت آبهای زیرزمینی بهتر از آب های سطحی بوده و عمل تصفیه آن نیز آسانتر میباشد گرچه در مواردی در آبهای زیرزمینی، غلظت کل جامدات محلول از جمله کاتیونهای کلسیم، منیزیم، آهن و منگنز و آنیونهای سولفات و کلراید بیش از حد استاندارد است و تصفیه چنین آبی لازم است. اخیراً، با توجه به گسترش آلودگیها و نشت آنها به لایههای مختلف خاک، آبهای زیرزمینی به تصفیه بیشتری نیاز پیدا کرده است. حتی وجود برخی از مواد شیمیایی در آب شرب در غلظتهای بالاتر از حد استاندارد مثل فلوراید، سلامت مصرفکنندگان را در دراز مدت به خطر انداخته است. تصفیه آبهای زیرزمینی متناسب با کمیت و کیفیت آب منبع و نوع مصرف (شرب، صنعت، کشاورزی و …) تعیین میگردد. در این مقاله علاوه بر بیان اهمیت و جایگاه آبهای زیرزمینی در بین منابع مختلف آب، نحوه آلودگی و روشهای مناسب تصفیه آن مورد بررسی قرار گرفته است.
[/tab]
[tab title=”مشخصات نویسندگان” icon=”momizat-icon-pencil2″ ]
| علی میرمحمدلو | دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت دانشگاه علوم پزشکی بقیه الله (عج) |
| دکتر حسین معصوم بیگی | استادیار گروه مهندسی بهداشت محیط، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی بقیه الله (عج) |
[/tab]
[/tabs]
اهداف آموزشی
از خوانندگان انتظار میرود که پس از مطالعه این مقاله بتوانند:
۱- اولویتبندی منابع آب را نام ببرند.
۲- اهمیت آبهای زیرزمینی را توضیح دهند.
۳- عوامل ایجاد سختی در آبهای زیرزمینی را نام ببرند.
۴- منابع آلایندۀ آبهای زیرزمینی را بشناسند.
۵- روشهای تصفیه آبهای زیرزمینی را توضیح دهند.
مقدمه
دسترسی به آب آشامیدنی سالم برای حفظ بهداشت و سلامت انسان و نیز توسعه و پیشرفت جوامع ضروری است. نیاز اصلی سلامتی، تأمین آب کافی با کیفیت بهداشتی رضایتبخش است. همچنین مهم است که آب برای استفاده جذاب و گوارا باشد، در غیر این صورت، مصرفکنندگان ممکن است تصمیم به استفاده از آب با کیفیت مشکوک از یک جریان محافظت نشده در نزدیکی محل، چاه، یا چشمه بنمایند. تصور یک محیط بهداشتی و سالم، بدون آب ممکن نیست و توسعه بهداشت و حفاظت از محیط زیست همواره به تأمین آب سالم و حفاظت از منابع آب وابسته است. سازمان جهانی بهداشت مهمترین نارسایی قرن بیستم را عدم دسترسی همگان به بهسازی و آب آشامیدنی سالم و کافی عنوان کرده است. اهمیت این موضوع به گونهای است که مجمع عمومی سازمان ملل رسماً فاصلۀ سالهای۲۰۰۵ تا۲۰۱۵ را دهۀ بین المللی ((آب برای زندگی)) نامگذاری کرده است. با توجه به گزارشهای مستند سازمانهای بین المللی، درصد بالایی از بیماریها، ارتباط مستقیمی با آب شرب و آب مصرفی در جوامع دارد بنابراین توجه به منابع آبی و پیشگیری از آلودگی آنها، تأسیسات آبرسانی، انتخاب فرآیندهای مناسب تصفیه بسیار حائز اهمیت است[۲،۱].
پیشرفت بشر و رشد جمعیت باعث وارد آمدن صدمات زیادی به کمیت و کیفیت منابع آب و نیز دسترسی به آنها شده است. قبل از سال ۱۹۸۰ فکر می شد که خاک بعنوان یک فیلتر عمل کرده و از نفوذ مواد آلاینده خطرناک به آب های زیرزمینی جلوگیری بعمل میآورد ولی اکنون مشخص شده است که ظرفیت خاک و سایر موادی که آب در آن ها جریان دارد، در جذب و نگهداری مواد و در نتیجه حفاظت آب های زیرزمینی محدود میباشد. از این رو تلاش جهت نگهداری و حفاظت از منابع آب زیرزمینی روز به روز در حال افزایش می باشد. با توجه به اینکه منابع آب زیرزمینی در اعماق قرار گرفته اند، خطر آلودگی آن ها نسبت به آب های سطحی کمتر میباشد. اما در صورت آلودگی، تصفیه و آلوده زدایی این منابع بسیار مشکل و پرهزینه خواهد بود. بنابراین براساس خصوصیات کیفی آب زیرزمینی و ناخالصی های موجود در آن و اهداف استفاده، باید روش مناسب تصفیه را انتخاب نمود[۳].
انواع و اولویت بندی منابع آب
منابع آب خام به سه دسته کلی شامل منابع اتمسفری (Atmospheric water resources)، منابع سطحی (Surface water resources) و منابع زیرزمینی (Ground water resources) تقسیم میشوند. هر دستگاه تأمین آب مشروب برای اجتماعات مختلف معمولاً سه هدف اساسی را مدنظر دارد که شامل تأمین آب گوارا و سالم برای مصرفکنندگان (کیفیت مطلوب)، فراهم نمودن آب به مقدار کافی و با کمیت مناسب و سهولت دسترسی به آب میباشد. بر اساس اهداف فوق باید ضمن فراهم نمودن آب کافی و سالم و در دسترس، نسبت به انطباق ویژگیهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و رادیولوژیکی با استانداردهای ملی از طریق انتخاب صحیح منابع آب و تصفیه مناسب آن اقدام گردد. به طور کلی، کیفیت آب خام باید در حد استاندارد آب متناسب با نوع مصرف باشد تا با حداقل فرآیندهای تصفیه و کمترین هزینه، کیفیت آب منبع انتخاب شده برای نوع مصرف حاصل شود. بنابراین ضروری است که ملاحظات دقیق و بررسی های جامع مهندسی از جمله تحقیق در زمینهی توسعه منابع آب به عنوان بخشی از عملیات انتخاب منبع، انجام شود. عواملی همچون کمیت، کیفیت، قابلیت اعتماد، سالم بودن منبع، حقوق آبی و اثرات زیست محیطی همراه با هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری طرح در تصمیم گیری دخیل هستند. دستگاه های تأمین آب همواره منابعی را ترجیح میدهند که کمترین نیاز به تصفیه را داشته باشند و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشند. بر همین اساس منبعی که آب آن به طریق ثقلی قابل انتقال باشد و نیاز به هیچگونه تصفیه ای نداشته باشد در اولویت اول قرار دارد و غالباً با انجام فرایند ضدعفونی (کلرزنی) دارای کیفیت مطلوب برای شرب میشوند. آب برخی از چشمه ها و قناتها در این گروه قرار دارند. منبع آبی که برای رسیدن به مصرفکننده نیاز به پمپاژ دارد و به هیچ گونه تصفیه ای به جز کلرزنی نیاز ندارد در اولویت دوم قرار دارد و آب برخی از چاه ها از آن جمله اند. منبع آبی که به طریقۀ ثقلی قابل انتقال به اجتماع باشد و نیاز به تصفیه ساده (روشهایی مانند ته نشینی ساده، صافسازی، و کلرزنی) دارد در اولویت سوم قرار دارد. منبع آبی که نیازمند پمپاژ و تصفیه ساده میباشد در اولویت چهارم قرار دارد. منبع آبی که به طور ثقلی قابل انتقال و به تصفیه پیشرفته نیاز دارد در اولویت پنجم قرار دارد و در نهایت منبع آبی که علاوه بر پمپاژ، نیازمند تصفیه پیشرفته و واحدهای متعدد میباشد در اولویت ششم قرار دارد[۵،۴].
منابع آبهای زیرزمینی
آبهای زیرزمینی در همیشه یکی از مهمترین منابع آبی و منابع اصلی تأمین آب برای مصارف شهری و صنایع و مصارف کشاورزی می باشند. امروزه دسترسی به منابع آب مطمئن و با کیفیت مطلوب یکی از مهمترین چالشهای دولتها و ملتها است. چرا که با افزایش جمعیت و فعالیت انسانها مصرف آب نیز زیادتر میشود. این در حالی است که مقدار آب موجود در کرهی زمین ثابت است و در نتیجه نیاز و وابستگی انسان به آب بیشتر می شود. گرچه حدود ۷۰% سطح زمین از آب پوشیده شده است اما تنها درصد کمی از آبهای موجود برای تأمین آب اجتماعات قابل استفاده میباشند. برای مشخص شدن اهمیت آبهای زیرزمینی کافی است تا کل منابع آب شیرین کره زمین که زندگی تمامی موجودات به آنها وابسته می باشد، مورد ارزیابی قرار گیرد. از مجموع کل منابع آب موجود در دنیا فقط ۳% آن آب شیرین است که ۷۵% این آب در یخچالهای طبیعی وجود دارد و برای استفاده در دسترس نیستند، بنابراین کل ذخیره آب شیرین قابل دسترس در دنیا حدود ۰/۵ درصد است. ۹۷% آب کرهی زمین، در اقیانوسها و دریاهای آب شور وجود دارد (جدول۱) که در حال حاضر امکان استفاده از آن در سطح گسترده از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. البته در پاره ای از مناطق با شیرین سازی آب اقیانوسها، امکان استفاده از آنها فراهم شده است. اما هزینه تولید آب شیرین و قابل استفاده از منابع شور هنوز هم در مقایسه با سایر منابع بعضا بالا است. آبهای زیرزمینی ۹۷/۸% از کل آبهای شیرین قابل دسترس جهان را به خود اختصاص میدهند. این موضوع علاوه بر اینکه بر محدود بودن منابع آب قابل دسترس کرهی زمین تأکید دارد، اهمیت آبهای زیرزمینی را در تأمین آب شیرین مشخص میکند[۶،۲].
جدول۱- توزیع آب در کرۀ زمین(۷)
با گسترش سکونت در مناطقی که آب سطحی وجود ندارد یا مقدار آن کم است، استفاده از منابع آب زیرزمینی به عنوان جایگزینی مطمئن، مورد توجه است. به طوری که در برخی مناطق آبهای زیرزمینی به عنوان تنها منبع تأمین آب محسوب میشوند. عمده و تنها منبع مطمئن و دائمی تأمین آب در مناطق خشک و نیمه خشک و کویری به خصوص در صورت وقوع خشکسالی ها، منابع آب زیرزمینی میباشد. با وجود اهمیت منابع آب زیرزمینی برای تأمین آب و نقش کلیدی آنها در پایداری برخی اکوسیستم های آبی، بسیاری از دولتها در زمینه سرمایه گذاری برای پایش و حفاظت آن و تدوین قوانین مناسب کوتاهی میکنند. آب زیرزمینی، یک ذخیره مهم آب برای کاربردهای مختلف به شمار میرود. متأسفانه برای دهه ها و شاید قرنها به دلیل دفع نامناسب زایدات جامد و مایع در محیط زیست بخشی از آبهای زیرزمینی آلوده شده اند. با توجه به اینکه منابع آب زیرزمینی در اعماق قرار گرفته اند، خطر آلودگی آنها نسبت به آبهای سطحی کمتر میباشد. اما در صورت آلودگی، تصفیه آنها پرهزینه خواهد بود[۸].
کیفیت، خصوصیات و منابع آلاینده آبهای زیرزمینی
آب در طبیعت به طور مداوم طی چرخهای تحت عنوان چرخهی هیدرولوژی در گردش است. آب خالص بیرنگ، بیطعم و بیبو و حلال بسیار خوبی است که میتواند بسیاری از مواد معدنی را در خود حل نماید. به همین دلیل، چیزی به عنوان آب خالص در طبیعت وجود ندارد، بلکه آب همیشه حاوی ناخالصیهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است. کیفیت فیزیکی آب مربوط به خصوصیاتی از آب شامل رنگ، کدورت، طعم، مزه و درجه حرارت آب میشود که با حواس بینائی، چشائی، لامسه و بویائی قابل تشخیص هستند. در هر شرایطی رغبت مصرفکننده برای مصرف آبی با این خصوصیات، به تناسب افزایش مقادیر رنگ، بو، کدورت، طعم و مزه و….کاهش مییابد، چون مصرفکننده با حواس خود براحتی آنها را تشخیص میدهد. از جمله عواملی که موجب کاهش کیفیت آبهای زیرزمینی از لحاظ فیزیکی یا ظاهری میگردند وجود یونهای آهن، منگنز و نمکهای معدنی میباشد. کیفیت شیمیائی آب مربوط به حضور یونهای عامل سختی و بویژه مجموعه کاتیونها و آنیونهای قابل حل در آب و کل مواد جامد محلول در آب(TDS) و سموم و ترکیبات آلی و عناصر سمی و کمیاب میشود که برای هر کدام از آنها در آب شرب مقادیر مشخص و استاندارد مطلوب و حداکثر مجاز تعیین شده است. یکی از مهمترین و فراوانترین آنها یونهای عامل سختی آب است. از جمله کاتیونها و آنیونهای مرتبط با سختی به ترتیب اهمیت کاتیونهای منیزیم، کلسیم، استرانسیم، آهن، آلومینیوم، منگنز، مس و آنیونهای کربنات، بیکربنات، کلرور، سولفات و سیلیکات و نیترات است که محلول در آب هستند و کل موادجامدمحلول آب را هم(TDS) تشکیل می دهند و مقادیر آن در آب شرب و شیرین مطابق استاندارد ملی ایران mg/l 1000 و حداکثر مجاز آن mg/l 1500 است و می تواند منشاء بو و طعم و رنگ و مزه آب شود. به کمک رابطه TDS=EC×۰/۶۵ می توان هدایت الکتریکی آب را در دمای ۲۵درجه سانتی گراد محاسبه نمود و یا بالعکس با داشتن هدایت الکتریکی می توان مقدار TDS را محاسبه نمود. معمولا مقادیر آن در آب های زیر زمینی وابسته به جنس بستر و مدت تماس آب با آن بستر و میزان برداشت از سفره آبخوان هر منطقه متفاوت و گاهی بالاتر از mg/l 1000 می رسد و در شرایطی که مقدار آن بیش از حداکثرمجاز شود، برداشت از سفره آب زیر زمینی غیر مجاز است. استفاد از نمک در زمستان برای ذوب برفها و یخ عامل موثری در افزایش TDSآبهای زیر زمینی است و تغییر TDSکیفیت شیمیائی آب مثل سختی و خورندگی را بشدت تحت تاثیر قرار می دهد.
از جمله ترکیبات شیمیائی که وجود آنها در آب سلامتی انسان را تهدید میکند سموم و ترکیبات آلی است که ممکن است از طریق زه آبهای زمینهای سمپاشی شده، ورود فاضلابهای خانگی و صنعتی به منابع آب وارد شوند. ترکیب شیمیایی طبیعی آب زیرزمینی به شیمی آب باران، تبخیر و تعرق پیش از تغذیه، و واکنشهای مختلف آب زیرزمینی با مواد معدنی، سیالات و گازهای درون زمین، با یا بدون باکتریها، ماتریس آبخوان و ترکیب ویژه شیمیایی و معدنی آن بستگی دارد. هم چنین مدت زمان تماس آب با سنگ نیز به دلیل پایین بودن سرعت بسیاری از واکنشها، اهمیت دارد. طبیعت شیمیایی اولیه آب میتواند تحت تاثیر فعالیتهای انسانی، به ویژه از طریق ورود آلاینده ها که ممکن است با ماتریس آبخوان واکنش دهند، در هر دو ناحیه اشباع و غیر اشباع، به شدت تغییر کند. در بررسی کیفیت آب، بررسی کیفیت باکتریولوژیک از اهمیت خاصی برخوردار میباشد تا حدی که وقتی سخن از بهداشت آب میشود بیشتر بیماریهائی که از طریق میکرارگانیزمهای مختلف توسط آب قابل انتقال و انتشار هستند تداعی میشود. پیامدهای ناشی از آلودگی میکروبی سبب میشود که کنترل آب از نظر بیولوژیکی همواره از اهمیت بالایی برخوردار باشد. آلودگی میکروبی آبهای زیرزمینی عمدتاً از طریق دفع نادرست فاضلابهای خانگی اتفاق میافتد[۱۰،۹].
در مقایسه آبهای زیرزمینی با آبهای سطحی میتوان به مواردی از قبیل دسترسی به آب های زیرزمینی در مناطق مختلف و اقلیمهای متفاوت، حجم نسبتاً زیاد آب ذخیره شده در آبخوانها، عدم تبخیر از سطح آب زیرزمینی، عدم نیاز به سرمایه گذاری کلان جهت استخراج و انتقال آب زیرزمینی، مناسب بودن آبهای زیرزمینی برای شرب به جهت کیفیت خوب و آلودگی کم آن، تطابق زمانی و مکانی مصرف آب زیرزمینی نسبت به دیگر منابع آب و اعمال مدیریت خصوصی و خصوصیسازی در مورد آبهای زیرزمینی اشاره نمود(۴).
پژوهشهای علمی و بررسیها نشان داده است که آلایندهها میتوانند از درون خاک و ناحیه غیر اشباع نفوذ کرده و وارد آبهای زیرزمینی شوند. هنگامی که آب زیرزمینی آلوده میشود در بسیاری از مواقع ده ها سال یا بیشتر طول میکشد تا آلودگی رفع شده و آب کیفیت مطلوب خود را بازیابد. دلیل این موضوع زمان ماند بسیار طولانی آب به دلیل حرکت آهسته آن از میان زمین و سرعت پایین فرایندهای طبیعی تجزیه آلاینده هاست. آلودگی ممکن است از راههای مختلف به آبهای زیرزمینی راه پیدا کند. از این منظر میتوان آلاینده ها را به سه دسته تقسیم بندی نمود. اول دستهای از آلاینده ها که بر سطح زمین رها و از طریق نفوذ و حرکت در بخش غیر اشباع به سطح آبهای زیرزمینی راه پیدا خواهند کرد. برای مثال میتوان از رها نمودن زه آبهای اسیدی بر سطح زمین نام برد. دسته دیگر ممکن است در بالای سطح آبهای زیرزمینی رها و از این طریق به سطح آبهای زیرزمینی راه پیدا کنند. برای مثال میتوان به چاه های فاضلاب که در زیرزمین حفر شدهاند اشاره نمود. دسته سوم شامل آلایندههای میشوند که در زیر سطح آبهای زیرزمینی قرار گرفته اند. برای مثال میتوان به معادنی که سطح آنها در زیر سطح آبهای زیرزمینی قرار گرفته است، اشاره نمود. زه آبهای اسیدی و بدنبال آن فلزات سنگین از این طریق می توانند به آبهای زیرزمینی راه پیدا کنند. در این ارتباط میتوان به راهیابی آلاینده ها به چاه های بهرهبرداری نیز اشاره نمود. عمده منابع و فعالیتهای که موجب آلودگی آبهای زیرزمینی میشوند شامل:
۱- آلاینده های طبیعی: مواد معدنی، عناصر کمیاب، عناصر رادیواکتیو، ترکیبات آلی، موجودات ذره بینی
۲- کشاورزی و جنگلداری: ذخیره و استفاده از کودها و سموم کشاورزی، پسماندهای حیوانی، آب برگشتی کشاورزی، باقیمانده محصولات، جنگلکاری و جنگلزدایی.
۳- شهرسازی و شهرنشینی: دفن زباله های جامد خانگی و شهری، دفن فاضلابهای خانگی، دفن فاضلابها و جریانات جمع آوری شده، مناطق انباشت وسایل اسقاطی و سایر منابع شهری.
۴- فعالیتهای صنعتی و معدنکاری: زهکشی و تخلیه آب معادن و فاضلابهای معدنی، پسماندهای معدنی، پسماندهای جامد و مایع مربوط به صنایع، چاههای دفع و تزریق، نشت و پخش مواد.
۵- سوء مدیریت آب: طراحی نامناسب شعاع تاثیر چاه ها، بالا آمدن شورآبها و نفوذ آب دریاها، ساخت نامناسب چاه، چاهها و حوضچه های متروک، توسعه غیرکنترل شده اراضی و شیوه های کشاورزی و منابع متفرقه[۱۲،۱۱].
روشهای تصفیه آبهای زیرزمینی
آب به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشود چون حلال بسیار خوبی است و تمام عناصر موجود در مسیر خود را کم یا بیش حل میکند و به سرعت آلوده شده و به سختی تصفیه میشود. مقدار کل جامدات محلول آبهای زیرزمینی متغیر بوده و به شرایط اقلیمی منطقه، وضعیت زمین شناختی، نزدیکی سفره آبهای زیرزمینی به آب شور، میزان برداشت آب، منابع آلاینده و غیره بستگی دارد. تعیین فرآیندهای تصفیه آبهای زیرزمینی وابسته به کیفیت اولیه آب منبع و نوع مصرف (شرب، صنعت، کشاورزی و …) آن دارد. ابتدا باید با آزمایشهای لازم کیفیت آب مورد نظر را تعیین و روشهای تصفیه لازم را متناسب با نوع مصرف آن به منظور رساندن کیفیت موجود به استاندارد انتخاب کرد. در این رابطه مطالعات پایلوت در انتخاب صحیح فرآیندها و مواد شیمیائی مورد نیاز بسیار مؤثر است. علاوه بر آن باید به آسان و کم هزینه بودن نحوه بهره برداری روشهای تصفیه، مسائل بهسازی، برنامه های کنترل آلودگی در منطقه، انتخاب مواد شیمیایی مناسب برای تصفیه، تأمین انرژی و نیروی متخصص لازم برای بهره برداری، عدم وابستگی فنی و اقتصادی و دورۀ طرح توجه گردد[۱۳].
آبهای زیرزمینی حتی اگر عاری از هرگونه آلودگی میکروبی باشند، لازم است به منظور پیشگیری از آلودگی ثانوی در مسیر شبکه توزیع و اطمینان از حضور اثر ابقائی گندزدا در آب، گندزدایی شوند. اگرچه برخی از آنها به تصفیه بیشتری نیاز دارند تا سختی و سایر ترکیبات آنها کاهش یابد. به عنوان مثال آهن و منگنز و سایر ترکیبات که باعث ایجاد لکه، طعم، بو و رنگ در آب می شوند. در شکل ۲ واحدهای متداول در تصفیه آبهای زیرزمینی به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل۱- فرآیندهای متداول در تصفیه آب های زیرزمینی: (الف)گندزدایی و فلوئورزنی (ب) حذف آهن و منگنز، (ج) سختی¬گیری[۱۵،۱۴].
تصفیه آبهای زیرزمینی با سختی بالا
آب از طرق مختلف از جمله حین عبور از زمینهای آهکی، کلسیم و از لایه های دولومیت و سایر مواد معدنی منیزیمدار، منیزیم را در خود حل میکند. چون طول مدت تماس آبهای زیرزمینی با این طبقات بیشتر است، بنابراین معمولاً سختی آبهای زیرزمینی از آبهای سطحی بیشتر است[۱۶]. سختی (Hardness) ناشی از حضور کاتیونهای دو ظرفیتی کلسیم، منیزیم، استرنسیم، آهن و منگنز در آب است که برحسب میلیگرم در لیتر کربناتکلسیم (mg/l caco۳) گزارش میشود. عوامل اصلی سختی کلسیم و منیزیم میباشند و به همین دلیل سختی به صورت مجموع یونهای کلسیم و منیزیم گزارش میشود. وجود سختی در آب میتواند اثرات زیان آوری را بخصوص در صنعت به دنبال داشته باشد، بنابراین باید با روشهای مناسب از آب حذف شود. سختی گیری یا سبک کردن (Softening) میتواند به سه روش رسوبدهی شیمیایی (Chemical Precipitation)، تبادل یون (Ion Exchange) و سختی گیری غشایی (Membrane Softening) انجام گیرد. همچنین برخی روشهای غشائی نظیر الکترودیالیز، اسمز معکوس و روشهای حرارتی تقطیر و انجماد در سختیگیری مؤثر هستند. سختی آب بر حسب میلیگرم در لیتر کربنات کلسیم به چهار دسته زیر طبقهبندی میشوند. گروه اول آبهای سبک یا نرم با mg/l CaCO۳ ۶۰-۰، گروه دوم آبهای دارای سختی متوسط باmg/l caco۳۱۲۰- ۶۱، گروه سوم آبهای سخت باmg/l caco۳ ۱۸۰-۱۲۱ و گروه سوم آبهای خیلی سخت با سختی بیشتر از mg/l caco۳ ۱۸۰ می باشند[۱].
فرآیندهای سختیگیری از آب به کمک کاربرد مواد شیمیایی شامل واحدهای اختلاط سریع، لخته سازی، ته نشینی، ریکربناسیون، ته نشینی ثانویه، فیلتراسیون و کلرزنی هستند. عمل رسوبدهی شیمیایی از طریق تبدیل سختی کلسیم به کربنات کلسیم و سختی منیزیم به هیدروکسیدمنیزیم انجام میشود. در این عملیات میتوان از فرآیند آهک-کربنات سدیم(Soda Ash) و یا فرآیند سود قلیایی(Caustic Soda) استفاده نمود. به طور کلی پنج گزینه مختلف فرآیند سختیگیری به طریقه رسوبدهی شیمیایی وجود دارد که عبارتند از: سبک سازی جزئی با آهک، سبک سازی با آهک مازاد، سبک سازی با آهک-کربنات سدیم، سبک سازی با سودسوزآور و سبک سازی با آهک و سودسوزآور که انتخاب روش به نوع سختی، درجه سختی گیری، سهولت بهره برداری، مقدار کاهش تولید لجن حاصل و هزینه مواد شیمیایی بستگی دارد.
در سختی گیری با روش تبادل یون نیز همانند سختی گیری با مواد شیمیایی یونهای کلسیم و منیزیم موجود در آب با یونهای دیگر یعنی کاتیون غیر مولد سختی که معمولاً سدیم است، تعویض میشوند. مبدلهای یونی را به دو دستۀ طبیعی و سنتتیک و براساس نوع یونی که مبادله میکنند به سه دستۀ کاتیونی، آنیونی و آمفوتریک تقسیم میکنند. معمولاً در سیستمهای تبادل یون، کاتیونها با سدیم یا هیدروژن تعویض میشوند. رزینهای تبادل کاتیون شامل رزینهای اسیدی قوی (SAC) و رزینهای اسیدی ضعیف (WAC) میباشند. در کاربردهای جدید از رزینهای سنتتیک که بیشتر پلیمرهای مصنوعی هستند، استفاده میشود. این رزینها دارای محلهای تبادل بیشتری هستند و به سادگی احیا میشوند. ظرفیت و راندمان سختیگیری تبادل یونی به عوامل متعددی نظیر نوع ماده تبادل کننده، کیفیت آب، نوع سطح جاذب، مقدار مواد احیاکننده و زمان تماس جهت احیا بستگی دارد[۱۲،۵].
مطالعات اخیر نشان دهندۀ آن است که فرآیندهای غشائی بخصوص نانوفیلتراسیون و اسمزمعکوس به علت سادگی و کارایی بالا در حذف یونهای کلسیم و منیزیم توجه زیادی را به خود معطوف داشته و روشهای مؤثر و مناسبی میباشند. ویژگیهای بینظیر غشاهای نانو و فرآیند نانوفیلتراسیون(NF) مثل دارا بودن گروههای با بار الکتریکی روی سطح غشا و قطر منافذ کمتر از ۱ نانومتر، بهره برداری قابل اعتماد و انرژی مورد نیاز کم سبب شده برای تصفیه آب مناسب بوده و بیشتر مورد توجه قرار گیرند. توانایی حذف مواد آلی و غیرآلی به همراه حذف سختی در یک مرحله باعث شده، بتوان فرآیندهای مختلف تصفیه آب را با یک واحد غشایی جایگزین نمود[۱۷].
روشهای تصفیه آبهای زیرزمینی حاوی نیترات
نیترات یک آلاینده بشدت محلول و پایدار در آب بوده و از طریق منابع مختلف مثل فاضلابهای شهری، صنعتی و کشاورزی وارد منابع آب می شود. این ترکیب در صورت ورود به منابع آب زیرزمینی که بیشتر از طریق مصرف کودهای ازته در زمینهای کشاورزی اتفاق میافتد، میتواند مستقیماً و یا از طریق احیا به نیتریت اثرات سوء بهداشتی در مصرف کنندگان بوجود آورد. علاوه بر منابع ذکر شده، وجود نیترات در آبهای زیرزمینی را میتوان در نوع خاک، لایه های تشکیل دهنده زمین و ساختار زمین شناسی نیز بررسی نمود. نیترات بیشتر از طریق آب آشامیدنی و غذا میتواند وارد بدن انسان شده و به نیتریت تبدیل شود. تشخیص وجود نیترات در آب به این دلیل که نیترات محلولی بیبو و بی مزه است، بدون آنالیز میسر نیست[۱۸]. سازمان جهانی بهداشت مقدار حداکثر مجاز نیترات آب آشامیدنی را ۵۰ میلیگرم بر لیتر بر حسب نیترات و یا ۱۰ میلیگرم در لیتر بر حسب نیتروژن اعلام کرده است[۱۹]. ورود مقدار ناچیز نیترات به بدن انسان مخاطره آمیز نمیباشد. زیرا نیترات یک جزء طبیعی رژیم غذایی انسان است ولی اگر غلظت نیترات بالاتر از حداکثر غلظت مجاز باشد در این صورت مصرف چنین آبی برای کودکان زیر ۶ ماه مخاطره آمیز بوده و منجر به بیماری مت هموگلوبین میشود. همچنین نیتریت میتواند با آمید یا آمینها در بدن ترکیب شود و نیتروزآمین تولید کند که منجر به سرطان حاد میگردد[۱۶].
نیترات یک یون پایدار و محلول در آب است و پتانسیل کمتری برای جذب و یا ترکیب با گونه های دیگر را دارد. این خصوصیات باعث میشود حذف نیترات از آب به روش سختی زدایی و با کمک آهک و یا فیلترکردن، با مشکل مواجه شود. روشهای مطرح حذف نیترات شامل اسمزمعکوس، مبادله یونی، نیترات زدایی بیولوژیکی، احیای کاتالیتیکی، احیای الکتروکاتالیتیکی و نیتراتزدایی شیمیایی و الکترودیالی می باشند. روش تبادل یونی، انتخاب مناسبی برای حذف نیترات از آبهای زیرزمینی حاوی مقادیر اندکی از ترکیبات آلی محلول در مقیاس کوچک یا متوسط است. برای این کار از رزینهای آنیونی بازی قوی استفاده میشود که یون نیترات در رقابت با سایر آنیونها حذف میشود. اگر TDS آب کمتر از ۱۰۰۰ میلیگرم بر لیتر باشد، نیترات در رقابت با سولفات، کلراید و بیکربنات دومین یونی است که توسط رزین آنیونی بازی قوی حذف خواهد شد (ابتدا سولفات حذف میشود). ساخت رزین تبادل آنیونی انتخابی (تری بوتیل آمین، باز قوی) که نیترات را به سولفات ترجیح دهد باعث شد تا یک سیستم تصفیه با ظرفیت m۳/d 3800 در کالیفرنیا ساخته شود. این تصفیه خانه به طور خودکار۷۰% آب تصفیه شده را با۳۰% آب خام پیش تصفیه شده جهت متناسب سازی کیفیت آب برای مصرف شرب و تأمین برخی از عناصر ضروری و مورد نیاز آب مخلوط نموده و آب آشامیدنی مطلوب تولید میکند. مقادیر بالای ترکیبات آلی محلول در آب باعث پرشدن ظرفیت مبادله میشود. این مشکل در اسمز معکوس نیز وجود دارد. همچنین اسمز معکوس نیازمند مصرف انرژی بالایی برای غلبه بر جریان طبیعی است و بنابراین هزینه فرآیند در مقایسه با دیگر روشها بیشتر است. حذف بیولوژیکی نیترات به صورت بسیار گسترده در اروپا به کار گرفته شده است. سرعت حذف نیترات در این روش بسیار بالا است و استفاده گسترده ای دارد. این روش در مقایسه با مبادله کننده های یونی، قابلیت حفظ کیفیت آب را دارد. در این فرآیند نیترات توسط باکتریها در شرایط غیرهوازی به گاز نیتروژن احیا میشود[۲۱،۲۰].
روشهای تصفیه آب های زیرزمینی حاوی آهن و منگنز
آهن و منگنز از تشکیل دهندههای خاک و سنگهای سطح زمین هستند و اگر در آبهایی که با این ترکیبات تماس دارند گاز کربنیک محلول موجود باشد به آسانی به صورت املاح محلول در آب حل خواهند شد. آهن به صورتهای دوظرفیتی و سه ظرفیتی و منگنز به صورتهای دوظرفیتی و چهارظرفیتی در آبها یافت میشوند. در آبهای زیرزمینی که اکسیژن محلول کمتر است آهن و منگنز به صورت دو ظرفیتی و محلول وجود دارند. وجود آهن و منگنز در آب از نظر خواص ظاهری آب مناسب نمیباشد، زیرا هم باعث مزۀ تلخی میشوند و هم رنگ قرمز و قهوه ای در آب ایجاد میکنند. استفاده از آب حاوی آهن و منگنز در اکثر صنایع باعث پیدایش لکه های سیاه و قهوه ای میگردد[۲۲]. مقدار مجاز آهن و منگنز برای آبهای صنعتی ۰/۳ – ۰/۰۰۵ و برای آب آشامیدنی به ترتیب ۰/۳ و ۰/۰۵ میلیگرم در لیتر میباشد.
روشهای مختلفی برای حذف آهن و منگنز از آبهای زیرزمینی وجود دارد. یکی از روشهای متداول، روش اکسیداسیون (Oxidition) میباشد که میتواند با کمک هوادهی و یا با استفاده از عوامل اکسیدکننده نظیر کلر، دی اکسیدکلر، پرمنگنات پتاسیم و یا ازن انجام شود. متعاقب اکسیداسیون باید زلال سازی و فیلتراسیون انجام گیرد. برای آبهای زیرزمینی با غلظت آهن حداکثر تا mg/l 5 هوادهی، ذخیرهسازی و فیلتراسیون روش مؤثری میباشد. روش دیگر استفاده از فرآیند تبادل یون میباشد که بیشتر برای آبهای صنعتی کاربرد دارد و وقتی آب خام حاوی کمتر از mg/l 0/5 آهن و منگنز باشد واحد تبادل یونی از نوع کاتیونی میتواند برای حذف آنها استفاده شود. تثبیت با عوامل جداکننده (Sequestering Process) روشی است که از مواد شیمیایی جداکنندۀ نظیر سیلیکات سدیم، فسفات تری سدیم، هگزا متافسفات و ارتوفسفات روی استفاده میشود و معمولاً برای آبهای محتوی کمتر از mg/l 2 آهن و منگنز کاربرد دارد. در pH بالای ۹/۵ فرآیند سبک کردن با آهک به طور مؤثری آهن و منگنز را حذف میکند. منگنز همیشه با آهن دیده نمیشود و معمولاً مقدار آهن بیشتر است. منگنز پر دردسرتر از آهن و حذف آن هم مشکلتر است. آبهای زیرزمینی به همراه آهن و منگنز مقداری دی اکسیدکربن و هیدروژن سولفوره هم دارند. این گازها حاصل تجزیه بیولوژیکی مواد آلی در خاک یا محصولات نهایی احیای گوگرد در رسوبات معدنی هستند. غلظت زیاد دی اکسیدکربن سبب ایجاد خاصیت خورندگی در آب میشود و همچنین میتواند در برخی فرآیندهای تصفیه آب مداخله نماید. مقادیر کم هیدروژن سولفوره بو و طعم ناخوشایند در آب ایجاد میکند. هوادهی آبهای زیرزمینی موجب حذف گازهای محلول نامطلوب هم میشود[۲۳].
نتیجه گیری
سلامت انسان بیش از هر چیزی در گرو وجود آب سالم است و بسیاری از مشکلات بهداشتی کشورهای رو به توسعه به طور عمده به علت فقدان دسترسی به آب بهداشتی است. یک منبع آب سالم باید بتواند، آب سالم و به اندازۀ کافی برای جامعه مورد نظر تأمین کند و برای رسیدن به این هدف باید مرتب تحت نظارت وکنترل مسئولین بهداشت قرار داشته باشد تا بتوان با آگاهی از وجود هر گونه آلاینده های احتمالی در آب اقدامات کنترلی لازم را اعمال نمود. آب زیرزمینی امروزه یکی از منابع مهم تأمین آب برای اکثر شهرها و صنایع موجود در آنها و مصارف کشاورزی میباشد و بایستی به طور معقول مورد بهره برداری قرار گیرد و از کاهش کیفیت آنها تا حد امکان ممانعت گردد. بررسیها نشان میدهند که مقادیر منابع آب شیرین موجود در جهان محدود بوده و سهم بالای آبهای زیرزمینی به عنوان منابع آب شیرین قابل استحصال، لزوم حفظ کمی و کیفی این منبع گرانبها را بیش از بیش روشن می سازد. از آنجا که هزینه پیشگیری از آلودگی به مراتب کمتر از حذف و یا تصفیه آلودگی میباشد در نتیجه به منظور جلوگیری از آلودگی بیشتر منابع آب زیرزمینی، در برنامه ریزی و اجرای شبکه های جمع آوری و سیستمهای تصفیه فاضلاب مناطق شهری سرعت بیشتری اعمال گردد و همچنین برنامه ریزی و اعمال مدیریت در بخشهای پسماند شهری و روستائی، کشاورزی، صنعت و معدن و … با هدف جلوگیری از آلودگی آبهای زیرزمینی بعمل آید.
سوالات آموزشی
۱- اولویتبندی منابع آب را نام ببرید؟
۲- اهمیت آبهای زیرزمینی را توضیح دهید؟
۳- اصول انتخاب روش تصفیه آبهای زیرزمینی را نام ببرید؟
۴- منابع آلایندۀ آبهای زیرزمینی را نام ببرید؟
۵- روشهای تصفیه آبهای زیرزمینی را توضیح دهید؟
[table id=19 /]