با رشد صنعتی و افزایش فعالیت های کشاورزی و شهری، ورود آلاینده های مختلف به منابع آب و فاضلاب افزایش یافته است. یکی از مهمترین این آلاینده ها، فلزات سنگین هستند. این عناصر شامل سرب، جیوه، کادمیوم، کروم و نیکل می شوند و حتی در مقادیر کم می توانند اثرات جبران ناپذیری بر سلامت انسان و اکوسیستم ها داشته باشند.
فلزات سنگین از طریق پساب های صنعتی، زباله های شهری، کشاورزی و رسوبات خاک وارد آب می شوند. عدم حذف آن ها می تواند باعث بیماری های مزمن، اختلالات عصبی، آسیب به کبد و کلیه و حتی سرطان شود. از این رو، تصفیه و حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب یک ضرورت حیاتی است.
فلزات سنگین رایج در آب و فاضلاب
فلزات سنگین، عناصری هستند که چگالی بالایی دارند و معمولاً سمی اند، حتی در غلظت های کم. این فلزات در فاضلاب صنعتی، شهری و کشاورزی یافت می شوند و می توانند سلامت انسان و محیط زیست را تهدید کنند. مهم ترین فلزات سنگین در آب و فاضلاب عبارت اند از:
- سرب (Pb): سرب یکی از فلزات سنگین رایج در آب و فاضلاب است که عمدتاً از صنایع باتری سازی، تولید رنگ، لوله های قدیمی و فاضلاب شهری وارد محیط زیست می شود. این فلز به راحتی در خاک و رسوبات آب تجمع می کند و می تواند وارد زنجیره غذایی شود. مصرف آب آلوده به سرب باعث اختلال در عملکرد مغز و سیستم عصبی، مشکلات کلیوی، فشار خون بالا و تأخیر رشد در کودکان می شود.
- جیوه (Hg): جیوه یکی دیگر از فلزات سنگین خطرناک است که منابع اصلی آن شامل صنایع شیمیایی، تولید تجهیزات الکترونیکی و معادن می شود. این فلز به ویژه در آبزیان تجمع می کند و وارد زنجیره غذایی انسان و حیوان می شود. قرار گرفتن در معرض جیوه می تواند باعث اختلالات عصبی و شناختی، آسیب کلیوی و مشکلات حرکتی و حسی شود.
- کادمیوم (Cd): کادمیوم از طریق صنایع فلزی، تولید باتری و استفاده از کودهای شیمیایی وارد آب و فاضلاب می شود. این فلز در خاک و آب بسیار سمی است و می تواند به راحتی اکوسیستم ها را مختل کند. تماس طولانی مدت با کادمیوم باعث آسیب کلیوی، ضعف استخوان ها و افزایش ریسک سرطان می شود.
- کروم (Cr): کروم به ویژه در فاضلاب صنایع فولاد، دباغی چرم و برخی فعالیت های معدنی یافت می شود. این فلز در محیط زیست تمایل به تجمع دارد و می تواند میکروارگانیسم های مفید را در فاضلاب مختل کند. تماس انسانی با کروم باعث مشکلات پوستی، اختلالات تنفسی و افزایش احتمال ابتلا به سرطان می شود.
- نیکل (Ni): نیکل بیشتر از طریق فاضلاب صنایع فولاد و الکترونیک وارد منابع آب می شود. این فلز می تواند رشد گیاهان و میکروارگانیسم های آب را تحت تأثیر قرار دهد و در اکوسیستم های آبی اختلال ایجاد کند. قرار گرفتن انسان در معرض نیکل می تواند باعث آلرژی، مشکلات تنفسی، بیماری های پوستی و افزایش خطر ابتلا به سرطان شود.
- مس (Cu): مس معمولاً از طریق صنایع فلزی، لوله کشی های قدیمی و کودهای شیمیایی وارد آب و فاضلاب می شود. این فلز در آبزیان و رسوبات تجمع می کند و در صورت مصرف زیاد می تواند باعث مشکلات گوارشی و آسیب به کبد و کلیه شود.
مضرات وجود فلزات سنگین در آب و فاضلاب
فلزات سنگین در آب و فاضلاب می توانند سلامت انسان و محیط زیست را به شدت تهدید کنند. این عناصر به دلیل پایداری بالا و تمایل به تجمع در زنجیره غذایی، حتی در غلظت های کم نیز اثرات سمی و طولانی مدتی دارند.
اثرات بر سلامت انسان
مصرف آب آلوده به فلزات سنگین می تواند مشکلات جدی جسمی و روانی ایجاد کند. برای مثال، سرب باعث اختلال در عملکرد مغز و سیستم عصبی، تاخیر رشد در کودکان و مشکلات کلیوی می شود. جیوه می تواند آسیب عصبی و شناختی، مشکلات حرکتی و اختلال در حافظه ایجاد کند. کادمیوم باعث ضعف استخوان ها، آسیب به کلیه و افزایش ریسک ابتلا به سرطان می شود. کروم و نیکل نیز می توانند باعث بیماری های پوستی، مشکلات تنفسی و خطر سرطان شوند. حتی مس در دوزهای بالا موجب مشکلات گوارشی و آسیب به کبد و کلیه می شود.
اثرات زیست محیطی
فلزات سنگین به راحتی در خاک و رسوبات آب تجمع می کنند و وارد زنجیره غذایی آبزیان و گیاهان می شوند. این تجمع می تواند باعث مرگ و کاهش تنوع زیستی آبزیان، آسیب به گیاهان و اختلال در عملکرد میکروارگانیسم های مفید در فاضلاب شود. همچنین این فلزات می توانند کیفیت آب را به شدت کاهش دهند و منابع آبی را غیرقابل استفاده کنند.
اثرات اقتصادی و اجتماعی
آلودگی آب با فلزات سنگین می تواند هزینه های تصفیه آب را افزایش دهد، کشاورزی و شیلات را تحت تأثیر قرار دهد و سلامتی عمومی جامعه را تهدید کند. عدم کنترل این آلاینده ها منجر به بار اقتصادی سنگین برای دولت ها و صنایع می شود و کاهش بهره وری منابع طبیعی را به دنبال دارد.
میزان استاندارد فلزات سنگین در آب شرب
فلزات سنگین به دلیل سمیت بالا حتی در مقادیر کم می توانند سلامت انسان را تهدید کنند. بنابراین سازمان جهانی بهداشت (WHO) و بسیاری از کشورها حد مجاز مشخصی برای فلزات سنگین در آب آشامیدنی تعیین کرده اند. این استانداردها به منظور جلوگیری از اثرات حاد و مزمن سلامتی بر انسان و کاهش خطر تجمع فلزات در بدن، وضع شده اند.
- سرب: حد مجاز سرب در آب آشامیدنی طبق استاندارد WHO برابر با ۰.۰۱ میلی گرم در لیتر است. مصرف آب آلوده به سرب می تواند باعث اختلال در رشد کودکان، مشکلات عصبی و کلیوی شود.
- جیوه: مقدار مجاز جیوه در آب آشامیدنی ۰.۰۰۶ میلی گرم در لیتر است. جیوه در بدن تجمع می کند و می تواند باعث آسیب های عصبی و کلیوی شود.
- کادمیوم: حد مجاز کادمیوم در آب آشامیدنی ۰.۰۰۳ میلی گرم در لیتر تعیین شده است. تماس طولانی مدت با کادمیوم باعث آسیب به کلیه ها و استخوان ها و افزایش خطر سرطان می شود.
- کروم: مقدار استاندارد کروم در آب آشامیدنی ۰.۰۵ میلی گرم در لیتر است. کروم شش ظرفیتی به ویژه سرطان زا است و تماس طولانی مدت با آن مشکلات پوستی و تنفسی ایجاد می کند.
- نیکل: حد مجاز نیکل در آب آشامیدنی ۰.۰۷ میلی گرم در لیتر است. نیکل می تواند باعث آلرژی، مشکلات تنفسی و بیماری های پوستی شود.
- مس: استاندارد WHO برای مس ۲ میلی گرم در لیتر است. مصرف بیش از حد مس موجب مشکلات گوارشی و آسیب به کبد و کلیه می شود.
روشهای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب
حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا و تجمع طولانی مدت آن ها در بدن و محیط زیست بسیار حیاتی است. این فلزات معمولاً از صنایع، کشاورزی و پساب های شهری وارد منابع آب می شوند و روش های متنوعی برای حذف آن ها وجود دارد. روش های حذف فلزات سنگین را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد: روش های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی/سبز.
روش های فیزیکی حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب
روش های فیزیکی یکی از پایه های تصفیه آب و فاضلاب محسوب می شوند و فلزات سنگین را با استفاده از جداسازی مکانیکی یا غشایی از آب حذف می کنند. این روش ها معمولاً ساده، سریع و دوستدار محیط زیست هستند، اما برای غلظت های بسیار پایین فلزات معمولاً نیاز به ترکیب با روش های شیمیایی یا بیولوژیکی دارند.
- ته نشینی: ته نشینی یکی از قدیمی ترین و ساده ترین روش های حذف فلزات سنگین است. فلزات سنگین به صورت ذرات معلق یا رسوب پذیر در آب وجود دارند و به دلیل چگالی بالای خود، تمایل به ته نشینی دارند. در تانک های ته نشینی مانند سپتیک تانک، ذرات سنگین به آرامی به پایین می روند و می توان آن ها را جمع آوری و از آب جدا کرد. این روش برای حذف فلزات به صورت فیزیکی و همچنین آماده سازی آب برای مراحل بعدی تصفیه بسیار مناسب است.
- فیلتراسیون: در فیلتراسیون، آب از میان رسانه های مختلف مانند شن، ماسه، زغال فعال یا فیلترهای کارتریجی عبور داده می شود که این کار توسط فیلتر شنی و فیلتر کربنی انجام می پذیرد. این فرآیند ذرات معلق و برخی یون های فلزی را به دام می اندازد. روش های پیشرفته تر مانند اسمز معکوس و نانو فیلتراسیون قادرند تا حتی فلزات محلول با غلظت پایین را از آب حذف کنند. فیلتراسیون در تصفیه آب آشامیدنی و فاضلاب صنعتی کاربرد گسترده دارد.
- جذب سطحی: جذب سطحی یک روش کارآمد برای حذف فلزات سنگین است که بر پایه اتصال یون های فلزی به سطح جاذب ها عمل می کند. موادی مانند کربن فعال، زئولیت، رس های طبیعی و نانوذرات به دلیل سطح ویژه بالا، توانایی جذب و نگهداری فلزات را دارند. این روش برای غلظت های پایین فلزات و به عنوان مرحله پایانی تصفیه بسیار موثر است.
- فرآیندهای غشایی: فرآیندهای غشایی شامل اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون و اولترافیلتراسیون می شوند. این روش ها فلزات محلول را با عبور آب از غشاهای نیمه تراوا جدا می کنند. فرآیندهای غشایی به دلیل دقت بالا در حذف یون های فلزی و قابلیت استفاده در مقیاس های صنعتی و آشامیدنی، بسیار مورد توجه هستند.
- سانتریفوژ: سانتریفوژ از نیروی گریز از مرکز برای جدا کردن ذرات فلزی با چگالی بالا استفاده می کند. آب و فاضلاب در یک محفظه چرخان قرار می گیرند و ذرات فلزی سنگین به سمت بیرون رانده شده و از آب جدا می شوند. این روش سرعت ته نشینی را افزایش می دهد و برای حجم های کوچک تا متوسط کاربرد دارد.
- شناورسازی: شناورسازی بر اساس ایجاد حباب های گاز (معمولاً هوا) در آب عمل می کند. ذرات فلزی و آلاینده ها به سطح آب منتقل شده و به شکل کف جمع آوری می شوند. این روش برای حذف فلزات معلق و روغن ها در فاضلاب صنعتی بسیار موثر است و معمولاً قبل از مراحل شیمیایی یا بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد.
روش های شیمیایی حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب
روش های شیمیایی بر پایه تغییر شیمیایی فلزات محلول در آب عمل می کنند و آن ها را به فرم نامحلول یا قابل جداسازی تبدیل می کنند. این روش ها معمولاً در کنار روش های فیزیکی استفاده می شوند تا کارایی حذف فلزات سنگین به حداکثر برسد.
- رسوب دهی شیمیایی: در این روش، مواد شیمیایی مانند هیدروکسیدها، سولفات ها یا کربنات ها با استفاده از پکیج تزریق مواد شیمیایی به آب اضافه می شوند تا فلزات سنگین به شکل رسوب هیدروکسید یا سولفات درآیند. این رسوبات سنگین به سرعت ته نشین شده و می توان آن ها را با فیلتراسیون یا ته نشینی جدا کرد. این روش برای حذف فلزاتی مانند سرب، کادمیوم، کروم و مس بسیار موثر است و یکی از رایج ترین روش های تصفیه فاضلاب صنعتی محسوب می شود.
- تبادل یونی: تبادل یونی یک فرآیند شیمیایی است که در آن رزین های خاص یون های فلزی محلول در آب را جذب کرده و با یون های بی ضرر جایگزین می کنند. این روش که با کمک دستگاه سختی گیر انجام می شود، کارایی بالایی برای حذف یون های فلزی در غلظت پایین دارد و معمولاً در تصفیه آب آشامیدنی یا پساب های صنعتی با نیاز به کیفیت بالا استفاده می شود.
- اکسیداسیون و احیاء: برخی فلزات سنگین مانند کروم و آهن در حالت های مختلف شیمیایی حل می شوند. با فرآیندهای اکسیداسیون یا احیاء می توان آن ها را به شکل کم حل یا نامحلول تبدیل کرد. برای مثال، کروم شش ظرفیتی (Cr⁶⁺) که بسیار سمی است، با احیاء به کروم سه ظرفیتی (Cr³⁺) تبدیل شده و سپس رسوب می دهد. این روش ها اغلب با رسوب دهی ترکیب می شوند تا حذف کامل فلزات صورت گیرد.
- انعقاد و لخته سازی شیمیایی: در این روش، مواد شیمیایی مانند آلوم، پلی الکترولیت ها و ترکیبات فلزی به آب اضافه می شوند تا ذرات فلزی و سایر آلاینده ها به لخته تبدیل شوند. این لخته ها سنگین شده و با ته نشینی یا فیلتراسیون از آب جدا می شوند. این فرآیند برای حجم های بزرگ فاضلاب شهری و صنعتی مناسب است و کارایی بالایی در حذف فلزات معلق دارد.
روش های زیستی حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب
روش های زیستی، به دلیل دوستدار محیط زیست بودن، هزینه نسبتاً پایین و تولید حداقل پساب ثانویه، گزینه ای مناسب برای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب محسوب می شوند. این روش ها از فعالیت های طبیعی میکروارگانیسم ها، گیاهان و مواد زیستی برای جذب، تغییر شکل یا جداسازی فلزات استفاده می کنند.
- جذب زیستی: جذب زیستی فرآیندی است که در آن فلزات سنگین به سطح میکروارگانیسم ها یا مواد زیستی طبیعی متصل می شوند. جاذب ها می توانند شامل باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها یا مواد زیستی گیاهی باشند. فلزات با اتصال به گروه های عاملی مانند کربوکسیل، هیدروکسیل یا آمین در سطح جاذب تثبیت می شوند و از آب جدا می گردند. این روش برای حذف فلزاتی مانند سرب، کادمیوم و کروم در غلظت های پایین بسیار مؤثر است و اغلب به عنوان مرحله پایانی تصفیه استفاده می شود.
- انباشت زیستی: انباشت زیستی فرآیندی است که در آن فلزات توسط میکروارگانیسم ها یا سلول های زنده جذب و در داخل سلول ذخیره می شوند. برخلاف جذب سطحی، فلزات وارد ساختار سلولی می شوند و به تدریج غلظت آن ها در محیط کاهش می یابد. این روش نیازمند شرایط محیطی مناسب برای رشد میکروارگانیسم ها است و می تواند به کاهش پایدار فلزات محلول در فاضلاب کمک کند. برای این منظور نوع خاصی از پکیج تصفیه فاضلاب طراحی و ساخته شده که می تواند این فرآیند را به طور کامل انجام دهد.
- گیاه پالایی: گیاه پالایی شامل استفاده از گیاهان و جلبک ها برای جذب و ذخیره فلزات سنگین از آب و خاک است. گیاهان هیدروفیت و تالابی فلزات محلول را از آب جذب کرده و در بافت های خود ذخیره می کنند. این روش برای کاهش غلظت فلزات در تالاب ها، منابع آبی و پساب های صنعتی مناسب است و از مزیت های آن می توان به عدم استفاده از مواد شیمیایی و کمک به بازسازی اکوسیستم اشاره کرد.
- فرآیندهای میکروبی احیایی: در این روش، میکروارگانیسم ها فلزات سنگین را با فرآیندهای اکسیداسیون یا احیاء شیمیایی تغییر شکل می دهند. برای مثال، کروم شش ظرفیتی (Cr⁶⁺) که بسیار سمی است، توسط برخی باکتری ها به کروم سه ظرفیتی (Cr³⁺) تبدیل می شود که رسوب کرده و خطر کمتری دارد. این فرآیندها هم به شکل طبیعی و هم در راکتورهای کنترل شده قابل انجام هستند و برای حذف فلزات محلول در فاضلاب های صنعتی بسیار کاربردی هستند.
- استفاده از زیست توده های اصلاح شده: در این روش، مواد زیستی طبیعی مانند پوسته صدف، خاک اره، جلبک ها یا باقی مانده های گیاهی پس از اصلاح شیمیایی یا فیزیکی به جاذب های قوی فلزات تبدیل می شوند. اصلاح زیست توده می تواند شامل افزودن گروه های عاملی فعال یا افزایش سطح ویژه باشد. این جاذب ها توانایی حذف فلزات سنگین با کارایی بالا را دارند و در تصفیه صنعتی و آزمایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرند.
انتخاب روش مناسب حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب
انتخاب روش مناسب برای حذف فلزات سنگین از آب و فاضلاب نیازمند توجه به چندین عامل است که ترکیب آن ها تعیین می کند کدام روش یا مجموعه روش ها بهترین کارایی را دارند.
- نوع و غلظت فلزات سنگین: نوع فلزات سنگین و غلظت آن ها نقش تعیین کننده ای در انتخاب روش دارند. فلزات مختلف رفتار شیمیایی متفاوتی دارند؛ برای مثال کروم شش ظرفیتی (Cr⁶⁺) بسیار سمی است و نیاز به فرآیند احیاء و رسوب دهی دارد، در حالی که مس یا نیکل را می توان با روش های فیلتراسیون یا جذب سطحی حذف کرد. غلظت فلزات نیز اهمیت بالایی دارد؛ غلظت های بالا معمولاً نیازمند روش های شیمیایی و فیزیکی قوی هستند، در حالی که غلظت های پایین می توانند با روش های غشایی یا زیستی حذف شوند.
- هدف تصفیه: هدف تصفیه تعیین می کند کدام روش مناسب تر است. اگر هدف تولید آب آشامیدنی باشد، استانداردهای ایمنی بسیار سختگیرانه هستند و روش هایی مانند اسمز معکوس، نانو فیلتراسیون و تبادل یونی ارجح هستند. در تصفیه فاضلاب صنعتی یا کشاورزی، روش های رسوب دهی، انعقاد و لخته سازی یا روش های ترکیبی شیمیایی و زیستی کاربردی ترند. برای بازسازی محیط طبیعی و تالاب ها، روش های زیستی و گیاه پالایی گزینه های پایدارتر محسوب می شوند.
- محدودیت های اقتصادی و عملیاتی: هزینه اجرای روش، پیچیدگی عملیاتی، نیاز به نیروی متخصص و مصرف انرژی در انتخاب روش تأثیر زیادی دارد. برخی روش ها مانند اسمز معکوس و تبادل یونی هزینه بالایی دارند، در حالی که روش های زیستی یا انعقاد شیمیایی معمولاً کم هزینه تر و ساده تر هستند. همچنین توان عملیاتی و نگهداری تجهیزات از عوامل مهم در تصمیم گیری محسوب می شوند.
- تأثیرات محیط زیستی: روش هایی که مصرف مواد شیمیایی زیادی دارند یا پساب ثانویه تولید می کنند می توانند مشکلات زیست محیطی ایجاد کنند. روش های زیستی، گیاه پالایی، جاذب های اصلاح شده و برخی فرآیندهای غشایی گزینه های پایدارتر و دوستدار محیط زیست هستند و اثرات منفی کمتری بر اکوسیستم دارند.
- ترکیب روش ها: اغلب مواقع، ترکیب چند روش بهترین نتیجه را فراهم می کند. به عنوان مثال، فاضلاب صنعتی ممکن است ابتدا با رسوب دهی شیمیایی و ته نشینی تصفیه شود، سپس فرآیندهای غشایی برای حذف فلزات محلول باقی مانده استفاده شود و در نهایت، برای کاهش آثار محیطی باقی مانده، روش های زیستی یا گیاه پالایی به کار گرفته شوند.
