فصل اول

مقدمه و سوابق تحقیقی

• مقدمه

باتوجه به گسترش روز افزون جمعیت که با رشد صنعتی همراه است، مشکلات و معضلات بسیاری زندگی بشر را تحت تأثیر قرار داده است. از جمله این مشکلات می‌توان به تولید مقدار زیاد فاضلاب اشاره کرد که در گذشته این فاضلاب‌ها از طریق طبیعت قابل جذب بودند اما با افزایش جمعیت و متناسب با آن افزایش فاضلاب‌های مختلف (شهری و صنعتی)، جذب مقدار بسیار زیاد فاضلاب از طریق طبیعت امکان‌پذیر نمی‌باشد. همچنین باید در نظر گرفت که ایران در مناطق خشک و نیمه‌ خشک واقع شده است و باتوجه به محدودیت منابع آب، جهت استفاده پایدار از منابع آب، شناسایی و استفاده از روش‌هایی توصیه می‌شود که می‌توان به منابع آب پایدار دست یافت. به این ترتیب لزوم استفاده مجدد از فاضلاب و پساب مشخص می‌شود. استفاده مجدد از آب پساب یکی از منابع پایدار آب بوده که حتی با وقوع خشکسالی نیز، می‌توان روی این منبع آب حساب ویژه‌ای باز کرد. البته در فرایند توسعه نمی‌توان انتظار داشت که بدون هیچ تغییری در محیط زیست، رشد صنعتی و اقتصادی صورت گیرد و کسی هم به دنبال چنین امر محالی نیست اما رعایت اصول توسعه پایدار و حفاظت از محیط زیست امری اجتناب ناپذیر است .

دلایل ذکر شده سبب شده است که در کشورهای در حال توسعه و توسعه‌یافته، تصفیه فاضلاب و پساب مورد توجه قرار گیرد.

اگر منابع آب به گونه‌ای که تا کنون معرفی شده‌اند در نظر گرفته شوند، باید گفت که منابع آب محدود بوده و روز به روز کاهش می‌یابند؛ اما امروزه منابع آبی معرفی شده‌اند که با منابع آب گذشته متفاوت هستند. منابعی جدید که نه تنها سبب کاهش منابع آب محدود نمی‌شوند، بلکه سبب حفاظت و ذخیره بیشتر آن منایع می‌گردند. شیرین‌سازی آب دریا و تصفیه فاضلاب و پساب از جمله این منابع می‌باشند. منابعی که حتی در خشکسالی‌ها نیز مقدار آن‌ ها کاهش چندانی نخواهد داشت و علاوه بر رفع مشکلات کم‌آبی می‌توانند سبب حفاظت از محیط زیست نیز بشوند [48].

برای تصفیه فاضلاب و پساب روش‌های بسیاری وجود دارد که هر کدام به نوبه‌ی خود مزایا و معایبی دارند که متناسب با نیاز می‌توان روش مناسب را انتخاب کرد. برای مثال روش شیمیایی برای تصفیه فاضلاب صنعت نفت و گاز بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد و روش بیولوژیک برای فاضلاب بهداشتی و صنایعی چون مواد غذایی.

اخیراً گرایش بسیار زیادی به فناوری نانو در کلیه رشته‌ها شده است و رشته‌ مهندسی آب نیز از این امر مستثنا نمی‌باشد. شاید دلیل این امر آن باشد که فناوری‌های نانو گامی بلند برای دستیابی به توسعه‌ی پایدار می‌باشند و یک فاصله‌ی قابل توجه با روش‌های قبلی ایجاد کرده‌اند. نانوفیلترها قابلیت‌های زیادی دارند که این امر سبب استفاده از آن‌ ها در مراحل تصفیه می‌گردد. از مزایای نانوفیلترها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

– هزینه کارگری کم‌تر

– توانایی کاهش TDS

– قابلیت کاهش مواد ارگانیک شیمیایی

– امکان کاهش فلزات سنگین

– توانایی نرم کردن آب سخت

– امکان هوشمندسازی فیلترها برای حذف ترکیبات خاص و کاربردهای خاص

– قابلیت تنظیم فیلترها جهت بازیافت و جذب طبیعی بعد از استفاده

– قابلیت حذف آلودگی متناسب با نیاز

– توانایی تصفیه آب تا حد آب مقطر

از معایب این فیلترها می‌توان به هزینه‌ی اولیه زیاد و نیاز به نیروی کار ماهر جهت استفاده اشاره کرد. همچنین نیاز به صرف انرژی زیاد برای عبور دادن آب از فیلترها نیز از معایب و مشکلات استفاده از فیلترهای نانو می‌باشد.

عده‌ی زیادی معتقدند که جنگ جهانی سوم بر سر آب خواهد بود. در چنین شرایطی و با توجه به اهمیت بسیار بالای آب، در اختیار داشتن منابع آب بیشتر برای هر کشوری به یک اولویت تبدیل می‌شود. با این تفاسیر داشتن یک منبع نامحدود آب می‌تواند مشکلات آبی هر دولتی را بر طرف سازد و آن‌ ها را به یک قدرت استراتژیک تبدیل نماید [3].

امروزه بیشترین مصرف آب در بخش کشاورزی است (حدود 60 تا 95 درصد که در کشورهای مختلف متفاوت است). مصارف صنعتی پس از کشاورزی بیشترین مصرف آب را به خود اختصاص داده‌اند (بین 3 تا 35 درصد که این مقدار در کشورهای توسعه‌یافته و صنعتی بیشترین مقدار و در کشورهای توسعه نیافته، کم‌ترین مقدار است). مصارف شهری و شرب نیز در عمده‌ی کشورها کم‌ترین درصد مصرف آب را به خود اختصاص می‌دهند. به طور معمول هرچه آب بیشتری در یک بخش مصرف شود، میزان فاضلاب و پساب تولیدی نیز بیشتر می‌شود.

هرچند که بیشترین مصرف آب در بخش کشاورزی است، اما نمی‌توان مقدار آب مصرفی در بخش‌های صنعتی را نادیده گرفت. همچنین فاضلاب تولیدی در بخش صنعتی و شهری نیز مقدار زیادی را به خود اختصاص می‌دهند. به همین دلیل تصفیه پساب صنعتی و استفاده مجدد از آن نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است [7].

• منابع آب

منابع آب در اصطلاح ذخیره‌های آبی هستند که مفید یا ظرفیت مفید بودن برای انسان‌ها دارند. مصارف آب شامل فعالیت‌های کشاورزی، صنایع، خانگی و محیط زیست می‌باشد. هرچند که حدود سه چهارم سطح کره زمین از آب پوشیده شده است اما 7/96 درصد کل آب‌های کره زمین شور و مابقی آن (3/3 درصد) شیرین هستند. همچنین بیش از دو سوم آب‌های شیرین در یخچال‌های طبیعی و قطب‌های شمال و جنوب زمین قرار دارند که در دسترس نمی‌باشند. منبع آب شیرین، آب در گردش زمین است که به تدریج در حال کاهش می‌باشد. مقدار تقاضای آب از میزان تأمین آن در مناطق زیادی از کره زمین که نرخ رشد جمعیت بالایی دارند فراتر رفته‌است. تا کنون روند کمبود منابع آب شیرین در دسترس بشر ادامه داشته است و به احتمال زیاد همچنان ادامه خواهد داشت.

در گذشته منابع آب شیرین به دو دسته یعنی آب‌های سطحی و آب‌های زیرزمینی تقسیم می‌شدند. آب جاری در رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و تالاب‌ها، آب سطحی گفته می‌شود. آب سطحی به طور طبیعی از طریق بارش (برف و باران) تأمین می‌شود و با ورود به دریاها یا تبخیر و یا نفوذ عمقی به سفره‌های آب زیرزمینی از چرخه دسترسی خارج می‌شوند. آب زیرزمینی نیز به آب‌های شیرینی که در خلل و فرج خاک و صخره‌ها موجود است، گفته می‌شود. همچنین آبی که در لایه‌های آبدار (سفره‌های آب زیرزمینی) زیر سطح ایستابی می‌باشد را نیز شامل می‌شود [34].

در اصل در گذشته نگاه جوامع تنها به منابع محدود آب بوده است و حرفی از منابع نامحدود آب به میان نیامده است. این در حالی است که امروزه منابع آب به دو دسته‌ی محدود و نامحدود تقسیم می‌شوند و در بین منابع آب شیرین، آب‌های نامتعارف از جمله شیرین‌سازی آب شور، لب‌شور و آب دریا، تصفیه فاضلاب و پساب و سایر آب‌های نامتعارف نیز دارای جایگاه خاص خود می‌باشند و از اهمیت بالایی برخوردارند.

هرچند که شاید دسترسی به یک منبع آب کاملاً نامحدود غیرقابل تصور باشد اما شیرین‌سازی آب و تصفیه فاضلاب و پساب می‌تواند بشر را به منبع آبی تقریباً نامحدود برساند. همچنین کاهش شدید منابع آب شیرین در سال‌های اخیر سبب می‌شود که یافتن و استفاده از منابع نامحدود آب در اولویت هر دولتی قرار گیرد [40].

• آلاینده‌های آب

آب هرگز به طور خالص در هیچ کجای طبیعت یافت نمی‌شود. حتی آب بارانی که در مناطق غیر آلوده نواحی جغرافیایی به زمین می‌بارد، شامل گازهای O2، CO2 و N2 محلول در آن است و همچنین گرد و غبار یا ذرات معلق در اتمسفر به صورت تعلیق در آب حمل می‌شوند. آب چشمه‌ها نیز معمولاً دارای ترکیباتی حمل شده از فلزاتی مثل Fe، Mg، Ca و Na است.

بر طبق یک تعریف، هر ماده و جسمی که مانع استفاده طبیعی از آب شود، آلوده کننده آب تلقی می‌شود.

اکنون در جهان بیش از 500 کیلومترمکعب آب در رابطه با صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد که نصف آن پس از تصفیه پساب‌های صنعتی مجدداً استفاده می‌شود (البته بر طبق محاسبات سازمان ملل یک سوم آب‌های شیرین جهان آلوده‌اند).

هیچ تعریف خاصی برای پاک یا آلوده بودن مطلق آب وجود ندارد. در واقع آب پاک بنا به کاربرد آن بایستی دارای شرایط خاصی باشد. مثلاً برای مصارف کشاورزی یا صنعت نیازمند استانداردهای کیفیت خاص خود است [12].

معمولاً آبی را آلوده می‌گویند که مقدار اکسیژن محلول در آن از مقداری که برای زندگی آبزیان ضروری است کم‌تر باشد. هرگاه مواد آلی از طریق تخلیه فاضلاب به آب‌ها وارد شوند به علت خاصیت اکسیدشوندگی شدید این مواد که با مصرف اکسیژن محلول در آب صورت می‌گیرد، اکسیژن محلول در آب به صفر می‌رسد و می‌گویند آب به شدت آلوده است.

کیفیت آب عامل تعیین کننده‌ای برای آسایش و رفاه انسان‌ها است. اکنون در جوامعی که آب‌های آلوده به باکتری‌ها و مواد شیمیایی وجود دارد شیوع بیماری‌ها امری اجتناب‌ناپذیر است و بسیاری از مرگ و میرها ناشی از آلودگی آب می‌باشد. با وجود تصفیه آب آشامیدنی در شهرها هنوز هم بعضی از منابع آب شهری در برخی نقاط حاوی مقادیر خطرناکی از عوامل بالقوه بیماری‌زا هستند. ترکیبات شیمیاییی و سمی در اندازه‌های کم به هیچ وجه در آب آشامیدنی قابل مشاهده نبوده و بدون انجام آزمایش‌ها ویژه به راحتی نمی‌توان در خصوص کیفیت آبی اظهار نظر کرد.

در جوامع صنعتی سرچشمه‌های گوناگونی برای وارد شدن آلودگی‌های شیمیایی به درون آب وجود دارد، فضولات حاصل از صنایع شیمیایی و آبکاری و عبور از میان زمین‌های کشاورزی سمپاشی‌شده، منابع جدی آلودگی شیمیایی آب هستند.

در حال حاضر مواد سمی که توسط آب منتقل می‌شوند مهم‌ترین عوامل زیان‌بار موجود در آب‌های آشامیدنی هستند [12].

گروه‌های عمده آلاینده آب عبارتند از مواد آلی و معدنی، عوامل بیماری‌زا، نمک‌ها، آلودگی‌های حرارتی، عناصر کمیاب نظیر فلزات سنگین، آفت‌کش‌ها و ترکیبات سمی که در این میان مهم‌ترین آلودگی در فاضلاب انسانی وجود مواد آلی و عناصر غذایی محلول در آب از جمله کربن، نیتروژن و فسفر است. آب، زمانی آلوده به مواد غذایی است که غلظت آن‌ ها در آب برای تشدید رشد گیاهان آبزی به حد کافی بالا باشد.

با تشدید رشد جلبک‌ها در آب از کیفیت آن برای مصارفی همچون شنا، قایقرانی، تأمین آب شرب کاسته می‌شود. به علاوه محیط آبی مذکور به عنوان یک سیستم زیستی برای سایر موجودات زنده آبزی نامساعد می‌گردد .

غنی شدن آب از عناصر غذایی باعث تشدید رشد جلبک‌ها می‌گردد که این جلبک‌ها در نهایت تجزیه شده و باعث مصرف اکسیژن محلول و کاهش آن می‌گردد. این امر باعث مرگ برخی آبزیان، ایجاد شرایط بی‌هوازی و تولید گازهای نامطبوع نظیر H2S و CH4، رشد حشرات مزاحم و همچنین باعث پدیده اوتریفیکاسیون می‌گردد [51].

آلاینده‌های نفتی نیز از آلاینده‌های مهم آب در مناطق نفت‌خیز می‌باشند. سالانه مقدار زیادی نفت خام در جهان استخراج می‌شود که تولید، توزیع و استفاده از یک چنین مقدار زیادی نفت پیامدهای زیست‌محیطی زیادی دارد. آلودگی نفتی باعث می‌شود خاصیت هیدروفوبی پرندگان به شدت کاهش یابد. البته آلودگی‌های نفتی، مشکلات و مضرات دیگری نیز به همراه دارند.