کتاب خطرات آلاینده های آلی و فلزی در محیط زیست

فهرست مطالب

فصل 1 9
مقدمه 9
فلزات سنگین 14
فصل2 15
تاریخچه علمی مطالعات 15
مطالعات آب و منابع آلودگی آب 15
اهمیت مدیریت منابع آب 16
فاضلاب ها و پساب ها 17
اکسیژن خواهی بیوشیمیایی 19
اکسیژن خواهی شیمیایی 20
مواد جامد معلق در فاضلاب 20
مواد جامد محلول 20
اکسیژن محلول آب 21
فناوری نانو 21
نانو تصفیه کننده های فاضلاب 22
انواع آلاینده ها 23
آلاینده‌ های یونی 23
گروه ‌های اصلی آلاینده‌ های یونی 24
آلاینده ‌های آلی 24
مواد رنگ زا 25
انواع رنگ ها 26
آلاینده های معمول آب و خطرات احتمالی آنها 27
درک آلودگی های آب آشامیدنی: اولیه، ثانویه و نوظهور 28
میکروارگانیسم ها 30
درمان میکروارگانیسم ها در آب آشامیدنی 31
ترکیبات غیر آلی 31
آلاینده های ثانویه آب 36
آلاینده های شیمیایی چیست؟ 39
گاز های گلخانه ای: 39
آلاینده های شیمیایی از پیش تعریف شده: 39
آلاینده های شیمیایی پراکنده: 40
چند نمونه از خطرناک ترین مواد شیمیایی: 40
تاثیرات آلاینده های شیمیایی: 41
ضرورت حذف رنگ از پساب 41
انواع روش های حذف رنگ 42
فلزات سنگین 42
نانو ذرات مواد مغناطیس 44
تئوری جذب 46
جذب سطحی 46
انواع جذب سطحی 48
جذب سطحی فیزیکی 48
جذب سطحی شیمیایی 49
ایزوترم های جذب 49
پارامترهای موثر در جذب سطحی 49
آزمونهای مدلسازی فیزیکی 51
سنتیک شیمیایی 51
ایزوترم( غلظت) 53
مطالعات ترمودینامیکی 54
تصفیه 55
روش های تصفیه 55
فیلتراسیون 56
بدست آوردن منحنی واسنجی 57
مواد فتوکاتالیست 58
لوفا 59
تصفیه آلاینده های آب آشامیدنی غیر آلی 60
ترکیبات آلی 61
تصفیه ترکیبات آلی فرار 62
تصفیه آلاینده های ثانویه آب 62
راه حل کاهش آلاینده های شیمیایی در محیط زیست: 63
فصل 3 65
نتیجه گیری 65

اهمیت آب در زندگی بشر سبب شده تا یک سری آزمایش¬ها به‌منظور اندازه‌گیری میزان مواد موجود در آن انجام شود. یکی از عوامل رشد و بهبود شرایط اقتصادی جوامع آب به شمار می¬رود، از اینرو مدیریت منابع آب و بخصوص منابع آب شیرین، یکی از مهم¬ترین برنامه¬های کشورها محسوب می¬شود.
در مناطق مختلف کیفیت آب¬های سطحی به دلیل ساختارهای زمین‌شناسی، تنوع سازندها و عوامل هیدروژئولوژیکی تغییرات متفاوتی را در بردارد؛ بنابراین بررسی خواص شیمیایی آب از اهمیت بالایی برخوردار است. شناخت، بررسی و استفاده بهینه از کیفیت منابع آب از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به اهمیت پارامترهاي موجود در آب، امروزه پژوهش¬های متعددي به ‌منظور بررسی كیفیت منابع آب و روند پارامترهاي كیفی آب صورت گرفته است.

فاضلاب ها و پساب ها
رشد روزافزون جمعیت نیاز به داشتن محیط‌زیست سالم و به دور از آلودگی¬ها دارد از اینرو كوشش در جهت مبارزه با عوامل آلوده كننده محیط‌زیست به‌ویژه آلاینده-های آلی و فلزی از مهم‌ترین فعالیت هاي انسان امروزي است. آب¬ها، فاضلاب¬ها و پساب¬ها از مهم‌ترین عوامل آلوده كننده محیط‌زیست هستند. هر مترمکعب فاضلاب تصفیه نشده قابلیت آلوده کردن مقدار زيادي از منابع آبی را دارد. متأسفانه پیشرفت هاي صنعتی و افزايش شهرنشینی باعث بالا رفتن میزان مصرف آب گردیده و باعث افزایش مقدار آلودگی آب¬ها نیز شده است. افزایش مصارف آب، تولید فاضلاب و روند روبه‌رشد این تولید، و همچنین توجه به استفاده غیراصولی در وضع موجود، ایجاب می¬نماید، از طریق بازچرخانی و استفاده مجدد از پساب¬ها و آب¬های برگشتی برای جلوگیری از گسترش مشکلات زیست‌محیطی و همچنین تأمین بخشی از آب مورد نیاز مصارف مختلف برنامه‌ریزی شود؛ بنابراین هر کدام از این گروه ها کیفیت و مشخصات خاصی داشته و کاربرد مجدد آن¬ها اثرات بهداشتی و زیست‌محیطی مختلفی را به دنبال دارد. بدین ترتیب استفاده مجدد از پساب تصفیه خانه¬های فاضلاب تصفیه شده می¬تواند یک منبع آب جایگزین برای استفاده در سایر منابع در اقصی نقاط دنیا شود و رویکرد جهانی نشان‌دهنده افزایش استفاده مجدد از پساب در کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه است.
کشور ایران در دوره¬های گذشته یکی از خشک¬ترین دوره¬های خود را پشت سر گذاشت و بر اساس گزارش بانک جهانی پیش بینی می¬گردد که ایران حتی در شرایط جوی معمول، جزء کشورهایی است که فشار آبی در آن افزایش یافته و حتی تا دو برابر افزایش می‌یابد.

با توجه به حجم زیاد پساب¬های شهری و آب های برگشتی استفاده مجدد از این منابع با در نظر گرفتن مسائل زیست‌محیطی به‌عنوان راهکاری مناسب جهت جبران بخشی از کمبود آب در برنامه¬های توسعه و بهره‌وری منابع آب مدنظر برنامه ریزان کلان کشور می¬باشد. منابع آبی جدید در مناطق خشک و نیمه‌خشک، انتخاب بهترین استانداردهای استفاده مجدد از پساب¬ها و آب¬های برگشتی و نیاز به کاهش آلودگی منابع آب سطحی، سه عامل مهم کشورها برای استفاده از پساب است. گزینه¬های مختلف استفاده از آب بازیافتی حاصل از تصفیه فاضلاب هر یک دارای استانداردها و ضوابط زیست محیطی مربوط به خود می¬باشند که قبل از هرگونه اقدام در این زمینه نیاز به بررسی و مطالعه دارد.
فلزات سنگین و رنگ از اولین موجود در پساب¬های صنعتی است که مقدار کم آن در آب قابل رویت است و باعث مشکلات نامطلوب می¬شود. رنگ¬ها ترکیبات شیمیایی هستند که به ‌راحتی خود را به سطوح یا عمق محصولات (پارچه و …) جهت رنگرزی متصل می¬کنند. اکثر این رنگ¬ها شامل مولکول¬های آلی پیچیده بوده که در برابر خیلی از مواد مانند شوینده¬ها و از بین برنده¬های صنعتی مقاوم می-باشند. صنعت نساجی، کاغذ، چرم سازی، مواد غذايی، پلاستیک، محصولات آرايشی و … موارد مصرف رنگ های مصنوعی است. این رنگ¬ها علاوه بر داشتن قابلیت رديابی آب¬های زيرزمینی، برای تعیین سطح ويژه لجن فعال نیز به کار می-روند که رها کردن آن¬ها به محیط، منبع قابل توجهی از آلودگی را با توجه به ماهیت پايداری و مقاومت بالای رنگ¬ها ايجاد می¬کند. رنگ¬ها دارای مولکول¬هایی پایدار، مقاوم در برابر هضم هوازی و با ثبات در مقابل عوامل اکسید کننده و از بین برنده می¬باشند. از اینرو تصفیه پساب¬ها و فاضلاب¬های صنعتی حاوی رنگ یک فرآیند سخت و دشوار است از طرف دیگر به دلیل مشکل غلظت پايین مولکول¬های رنگ در پساب¬های صنعتی، روش¬های معمول حذف رنگ از لحاظ اقتصادی به‌صرفه نبوده و يا از لحاظ فنی پیچیده می¬شوند.
و از روش¬های مختلفی مانند جذب، اکسايش پیشرفته، انعقاد (لخته شدن)، جداسازی غشایی و … برای حذف این آلاینده¬ها از پساب استفاده می¬شود. سرمنشاء بسیاری از بیماری¬های خطرناک فلزات سنگین می¬باشد و وجود بیش از حد مجاز این آلاینده¬ها خطرات بسیاری را برای انسان و دیگر موجودات زنده در پی دارد. از اینرو حذف فلزات سنگین می¬تواند به کاهش این بیماری¬ها و افزایش سلامت موجودات زنده کمک کند. یکی از این فلزات خطرناک یون کروم می¬باشد که حذف این نوع فلز از محلول آبی، پساب و یا فاضلاب¬های صنعتی می¬تواند به بسیاری از مشکلات و عوارض جانبی این آلاینده کمک کند.
اکسیژن خواهی بیوشیمیایی
اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی یا BOD به مقدار اکسیژنی که باید در اختیار باکتری‌های هوازی قرار گیرد تا آن‌ها بتوانند مواد آلی موجود در فاضلاب را قابل تجزیه و تثبیت کنند، گفته می شود. BOD بیانگر میزان و شدت آلودگی یا یک شاخص می باشد و هر قدر این عدد بالاتر باشد، نشانگر این است که فاضلاب و پساب دارای مواد آلی بیشتری بوده و در نتیجه تصفیه‌ آن دشوارتر خواهد بود. BOD برحسب میلی‌گرم در لیتر بیان می‌شود که میلی‌گرم اکسیژنی را که باید به ازای هر لیتر فاضلاب تأمین شود، بیان می‌کند. معمولاً در طراحی فرآیند تصفیه، BOD به کار می‌رود و بیانگر مقدار اکسیژن باکتری‌ها در پنج روز اول مصرف است. این مقدار تقریباً معادل 68 درصد BOD کل است که در آزمایشگاه تعیین می‌شود. به‌عنوان نمونه BOD فاضلاب کارخانه‌های الکل سازی حدود 40 هزار میلی‌گرم در لیتر گزارش‌ شده که این عدد بیانگر غلظت بالای مواد آلی بیولوژیکی فاضلاب بوده و نیاز به تأمین اکسیژن فراوان برای تصفیه‌ آن است.

اکسیژن خواهی شیمیایی
اکسیژن مورد نیاز فعل‌وانفعال شیمیایی یا COD به میزان اکسیژنی که به‌صورت شیمیایی برای اکسیداسیون مواد آلی موجود در فاضلاب مصرف می‌شود، اطلاق می شود.
تفاوت BOD با COD این است که COD شاخص کل ترکیبات آلی موجود در فاضلاب است در حالی ‌که BOD شاخصی از مواد آلی قابل‌ تجزیه‌ بیولوژیکی است، یعنی COD مواد آلی غیرقابل تجزیه‌ بیولوژیکی را نیز در بر می‌گیرد، از اینرو مقادیر COD بیشتر از BOD است. در فاضلاب شهری نسبت COD به BOD معمولاً عددی نزدیک به 2 است، یعنی اینکه هر قدر نسبت بالاتر رود، نشان می‌دهد که فاضلاب دارای مواد پیچیده‌ آلی است. معنای این موضوع، آن است که در فرآیند تصفیه، باید تصفیه شیمیایی مقدم بر تصفیه بیولوژیکی باشد.
مواد جامد معلق در فاضلاب
TSS یا کل جامدات معلق در فاضلاب که معمولاً از طریق ته‌نشینی ثقلی قابل حذف هستند، شامل مواد معدنی مثل شن و ماسه و مواد آلی مثل ریزه‌های گوشت و نخود و غیره می‌باشد. در صورتی‌که میزان TSS فاضلاب بالا باشد، باید واحد ته‌نشینی را برای حذف این مواد در نظر گرفت. به‌ عنوان یک شاخص، میزان TSS فاضلاب شهری در حدود 300 میلی‌گرم در لیتر است.
مواد جامد محلول
TDS به ‌کل جامدات محلول گفته می‌شود و برای بیان میزان مواد محلول در فاضلاب به کار می‌رود. جامدات محلول عبارت‌اند از: آنیون‌ها و کاتیون‌ها مثل کلرور، سولفات، سدیم، پتاسیم، نیترات، بی‌کربنات، فسفات و غیره.
سنجش میزان TDS در فاضلاب اگرچه به ‌عنوان یک فاکتور مهم سنجیده می-باشد اما اطلاع از میزان TDS در استفاده‌ مجدد از پساب برای مصارف کشاورزی دارای اهمیت است زیرا بعضی از گیاهان نسبت به بالا بودن آن در آب ‌و خاک حساسیت دارند.
اکسیژن محلول آب
DO شاخص مقدار اکسیژن موجود در فاضلاب شهری را نشان می‌دهد که نمایشگر قدرت تصفیه طبیعی و خودبه‌خودی فاضلاب است. مقدار اکسیژن محلول در فاضلاب نباید از 5/1 میلی‌گرم در لیتر کمتر شود.
فناوری نانو
فناوری نانو؛ تهیه، شناسایی و کاربرد مواد و قطعاتی است که حداقل یکی از ابعاد آن در مقیاس نانو باشد. این فناوری در علوم گوناگون مانند شیمی، فیزیک، زیست، پزشکی، الکترونیک و … توسعه شگرفی داشته است و به سرعت مسیر رشد و پیشرفت آن در همه علوم آشکار است. در چند دهه گذشته نانو ذرات به دلیل ویژگی¬های شیمیایی، فیزیکی و زیست شناختی منحصر به فرد خود بسیار مورد توجه بوده¬اند و در علوم گوناگون مانند شیمی، فیزیک، علم مواد، پزشکی و الکترونیک کاربرد داشته¬اند. در مقیاس نانومتر، ویژگی¬های مواد از قبیل رنگ، نقطه ذوب، خصوصیات الکتریکی، تجزیه¬ای و مغناطیسی به‌صورت فوق العاده¬ای تغییر خواهند کرد. و بستگی شدیدی به اندازه ذره خواهد داشت. تا قبل از دهه 1980 که میکروسکوپ¬های الکترونی روبشی اختراع شدند، هیچ ابزار تحلیلی مناسبی جهت بررسی مواد در مقیاس نانومتر وجود نداشت. پس از میکروسکوپ الکترونی روبشی، با ابداع ابزارهای تحلیلی بسیار پیشرفته شناسایی و دستکاری اشیای کوچک در اندازه¬های نانومتر فراهم گردید و نمایی از دنیای واقعی اتم به انسان نشان داده شد.
نانو تصفیه کننده های فاضلاب
یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو در محیط‌زیست، استفاده از صافی¬های نانویی در تصفیه آب و تصفیه پساب است. صافی¬های نانویی می¬تواند تقریباً از تمام منابع آبی، آب پاک به وجود آورد و تمام باکتری¬های موجود در آب را حذف کند. غشای مورد استفاده در فرآیند تصفیه کننده¬های نانویی معمولاً مولکول¬های بزرگ را دفع می¬کند و در مقایسه با روش¬های دیگر قادر است با صرف انرژی کمتر آب چاه¬ها یا آب¬های سطحی را نیز به خوبی تصفیه کنند.
این فرآیند می¬تواند انواع باکتری¬ها، ویروس¬ها، آفت کش¬ها، آلاینده¬هایی با منشأ آلی و املاح کلسیم و منیزیم را از آب جدا کند. از دیگر کاربردهای تصفیه کننده-های نانویی می¬توان به حذف مواد شیمیایی که به‌منظور از بین بردن موجودات مضر در آب استفاده کرد و دیگر کاربردهای آن می¬توان به حذف فلزات سنگین، تصفیه آب¬های مصرفی، رنگ‌زدایی و حذف آلوده کننده¬ها و حذف نیترات¬ها اشاره کرد. با توجه به این که در فرآیند تصفیه کننده¬های نانویی از هیچ ماده شیمیایی برای سختی گیری آب استفاده نمی¬شود بنابراین اثرات منفی زیست‌محیطی آن به نسبت کمتر از روش¬های شیمیایی معمول است روش نانو فیلتراسیون در چند سال گذشته رونق گرفته است. در تصفیه کننده¬های نانویی جداسازی بر اساس اندازه مولکول ضرورت می¬گیرد و فرآیندی فشاری می¬باشد. در ضمن امکان استفاده آسان از روش¬های تصفیه را برای عموم فراهم می¬کند و بدون عمل شیمیایی تصفیه را انجام می¬دهد.

انواع آلاینده¬ها
انواع آلاینده¬های محیط ناشی از فعالیت¬های صنعتی شامل ترکیبات رنگ، مواد آلی، مواد سمی شیمیایی، املاح معدنی، اسیدها و بازها، مواد معلق، فلزات سنگین، مواد شناور معلق و جامد، گرما، میکروارگانیسم‌ها و مواد کف زا می¬باشند. در بین این آلاینده¬ها رنگ¬ها و فلزات سنگین به خصوص محلول کروم به دلیل تأثیرات بیشتر بر روی کیفیت آب و اثرات سرطان زایی و ایجاد جهش¬های ژنی و جلوگیری از نفوذ نور خورشید به درون محیط آبی به شدت مورد توجه هستند.
آلاینده‌¬های یونی
آلاینده¬های یونی دسته‌ای از آلاینده¬هایی هستند که یون‌های مثبت و منفی، ذره‌های سازنده آن‌ها می‌باشند. در این آلاینده ها هیچ واحد مولکولی مشخصی وجود ندارد. شکل متداول این آلاینده¬ها از یک فلز به عنوان کاتیون و یک نافلز به عنوان آنیون تشکیل می‌شود. فلزها تمایل به از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به یون مثبت و نافلزها تمایل به گرفتن الکترون‌ها و تمایل به تبدیل شدن به یون منفی را دارند. آلاینده¬های یونی به‌طور طبیعی در سنگ‌های معدنی و به صورت محلول در آب دریاها و اقیانوس‌ها یافت می‌شوند ولی در هواکره وجود ندارند.
آلاینده¬های یونی به‌وسیله پیوند بسیار قوی یونی تشکیل می‌شوند؛ در نتیجه، از دمای ذوب و جوش بالایی برخوردارند و عمدتاً در دمای اتاق به صورت جامد هستند. در حالت جامد می‌توانند شکل بلورین منظم داشته باشند که از قواعد موجود برای توصیف ساختارهای بلوری در علم بلورشناسی پیروی می‌کنند. در حالت محلول در حلال‌های قطبی، به یون‌های مثبت و منفی تفکیک و توسط مولکول حلال، ‌پوشیده می‌شوند. این مواد به دلیل این که از یک شبکه بلورین یکپارچه تشکیل شده‌اند، فاقد مولکول‌اند؛ در نتیجه ساده‌ترین نسبت کاتیون‌ها به آنیون‌ها که به آن سلول واحد گفته می‌شوند، به عنوان فرمول شیمیایی آن‌ها کاربرد دارد. سختی، شکنندگی، نارسانایی الکتریکی در حالت جامد، رسانایی الکتریکی در حال مذاب و محلول و تنوع رنگی بالا از دیگر ویژگی‌های این آلاینده-ها است.
گروه¬‌های اصلی آلاینده‌¬های یونی
1) آفت‌کش‌ها، حشره‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و …
2) پساب‌های کشاورزی
3) پساب‌های شهری
4) پساب‌های کشاورزی
5) صابون و شوینده‌های شیمیایی
6) پساب‌های صنعتی
آلاینده¬‌های آلی
یکی از گروه‌های بزرگ آلاینده‌ها بوده که با تخلیه به آب‌های سطحی و روان آب و نیز اکوسیستم‌های آبی، تأثیرات نابهنجار بسیاری را بر روی زیست ‌بوم‌های آبی، به جا می¬گذارد.
آلاینده‌های آلی در آب باعث کاهش اکسیژن آب، ایجاد طعم و بو می‌گردد. منابع تولیدکننده‌ آلاینده‌های آلی، اکثراً شامل فاضلاب‌های خروجی ناشی از فعالیت‌های صنعتی مانند دباغ‌ خانه‌ها، کارخانه‌های کاغذ، بافندگی و نساجی می‌باشند.
به ‌طوری‌که برای تشخیص مقدار آلاینده‌های آلی در آب از پارامترهای BOD و COD استفاده می‌شود. افزایش آلاینده‌های آلی در آب باعث برهم زدن تعادل طبیعی زندگی موجودات آبزی، افزایش نیتروژن و فسفر، رشد خزه و جلبک‌های دریایی، افزایش نیترات آب و در نتیجه بیماری نوزادان با پوست متمایل به آبی گردد.

مواد رنگ زا
از ﻣﻬﻢ ﺗﺮﯾﻦ آﻻﯾﻨﺪه¬ﻫﺎي آب ﮐﻪ از ﻃﺮﯾﻖ رﯾﺨﺘﻦ ﭘﺴﺎب¬ﻫﺎی ﮐﺎرﺧﺎﻧﻪ¬ﻫﺎی ﺻﻨﻌﺘﯽ در آب¬های ﺟـﺎری و آب¬های زﯾﺮزﻣﯿﻨﯽ وارد می‌شوند و ﺳﺒﺐ آﻟﻮدﮔﯽ ﺷﺪﯾﺪ آن¬ها ﻣﯽ ﺷﻮﻧﺪ ﯾﻮن¬های ﻣـﻮاد رنگ زای آﻟﯽ می‌باشند.
مواد رنگ زا بخش قابل‌توجهی از آلاینده¬های آلی موجود در فاضلاب¬های رنگی هستند که علاوه بر ایجاد مشکلات زیبایی شناختی، به دلیل احتمال سمیت و سرطان زا و نیز سخت تجزیه پذیر بودن نگرانی¬های زیادی از نظر زیست محیطی نیز ایجاد کرده اند. لذا حتی اگر تمام آلاینده¬های موجود در فاضلاب و پساب حذف شوند، ماده رنگ¬زای باقی مانده از نظر زیست محیطی بسیار مهم است که به نوع و غلظت آن بستگی دارد.
پساب¬های حاوی مواد رنگ زای آلی جزء پسماندهای ویژه مصوب در کنوانسیون بازل بوده و با کد Y 12 مشخص می شوند. صرف نظر از تغییر رنگ پساب حاوی مواد رنگ زای آلی، سمیت این ترکیبات نیز قابل توجه است. در بررسی که توسط انجمن مطالعات زیست محیطی و سم شناسی تولید کنندگان مواد رنگ زا (ETAD) بر روی بیش از 4000 نوع ماده رنگ زای آلی انجام گرفته است، مشخص شده که بیش از 90% آن¬ها دارای دوز کشنده بالا می¬باشند. حذف ماده رنگ زا از فاضلاب¬ها به روش¬های مختلف فیزیکی، شیمیای، زیستی و یا تلفیقی از آن¬ها امکان پذیر است که هر یک معایب خاص خود را دارند. در این مطالعه از رنگ صنعتی سرطان زا و خطرناک اسید رد 18 استفاده شد. دلیل استفاده از این رنگ در این مطالعه استفاده زیاد این رنگ در صنایع می¬باشد. به عنوان مثال در صنایع آبکاری و دباغی از این دو رنگ به وفور استفاده می¬شود.