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″ ]

[/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 caco_۳) 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 CaCO_۳ 60-۰، گروه دوم آب­های دارای سختی متوسط باmg/l caco_۳۱۲۰- ۶۱، گروه سوم آب­های سخت باmg/l caco_۳ 180-۱۲۱ و گروه سوم آب‏های خیلی سخت با سختی بیشتر از mg/l caco_۳ ۱۸۰ 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 m^۳/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 /]