رشد روز افزون جمعیت، افزایش تقاضای آب بهداشتی و نیاز به تأمین آب تصفیه شده برای افزایش سطح بهداشت جامعه و ارتقای استانداردهای كیفی آب خصوصاً در كدورت خروجی لجن تصفیه خانه آب ، همچنین كاهش افت كیفی منابع در اثر مصرف بی رویه آب موجب حساسیت بیشتر در مدیریت و راهبری تصفیه خانه های آب شده است (2،1). امروزه با توسعه تصفیه خانه های آب، مدیریت لجن به یكی از مسائل مهم زیست محیطی تبدیل شده است كه می تواند هم بعنوان یك تهدید و هم بعنوان یك فرصت باشد (3). بنابراین، با توجه به توسعه روز افزون تصفیه خانه های آب در كشور و تولید مقدار قابل توجهی لجن ، ضروری است تمهیدات لازم برای مدیریت و یا استفاده از این محصول با ارزش در تصفیه خانه آب صورت پذیرد (4). انتخاب روش تصفیه لجن و دفع آن براساس دو دیدگاه مسائل زیست محیطی و شرایط اقتصادی از اهمیت ویژه ای برخوردار است . از سال 1972 در بیشتر كشورها مواد زائد تصف یه آب را در زمره مواد زائد خطرناك قرار داده اند (2،1). در كشور ما در حال حاضر هیچگونه عملیات قابل ذكری به منظور تصفیه باقیمانده های حاصل از دستگاه تصفیه آب انجام نمی گیرد و این باقیمانده ها به محیط زیست اطراف تصفیه خانه و یا آبهای سطحی تخلیه می شوند و تاكنون هیچ قانون مدونی كه در مورد دفع لجن دستورالعملهای مشخص ارائه نماید، تدوین نشده است (6،5). در كشورهای توسعه یافته باقیمانده حاصل از آب بعنوان ماده زائد خطرناك شناخته شده و تا حد امكان سعی می شود كه با بازیافت دوباره از این باقیمانده در فرآیندهای دیگر به بهتر ین نحو استفاده شود و دفع به عنوان آخرین گزینه مطرح باشد (6،5). استفاده در زمین، یكی از روشهای استفاده از لجن و از متداولترین روشهای موجود دفع در بسیاری از كشورها، اعم از توسعه یافته و در حال توسعه محسوب می شود و در طول دهه های گذشته، كاربرد لجنĤب در كشاور زی تبدیل به یك امر معمول شده است . اما این روش استفاده باعث ایجاد نگرانیهایی شده است زیرا لجن حاصل از تصفیه خانه آب حاوی انواع متفاوتی از تركیبات شامل تركیبات شیمیایی و میكروارگانیزم های بیماری زا می باشد كه در صورت كاربرد غیر اصولی می تواند بهداشت و سلامت عمومی را تهدید كند (4). با توجه به اهمیت موضوع، مطالعات گسترده ای نیز در سرتاسر دنیا انجام گرفته و یا در حال انجام است . بعنوان مثال، در مطالعه ای كه توسط اولگا كزینیویچ و همكاران در سال 2012 انجام گرفت امكان سنجی استفاده از لجن تصفیه خانه آب برای تولید مح صولات سرامیكی در لیتوانی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد كه از لجن های كلرید فریك بعنوان ماده رنگی طبیعی در ساخت محصولات سرامیكی و رنگ آمیزی آنها می توان استفاده كرد (7). در مطالعه دیگری كه توسط رودریگز و همكاران در سال 2009 در زمینه امكان سنجی استفاده از لجن های خشك شده حاصل از تصفیه خانه های آب از طریق اتمیزه كردن آن جهت استفاده بعنوان مواد اصلی جهت ساخت كلینكر در تولید سیمان انجام گرفت مشاهده شد كه افزودن لجن ب ه كلینك ر س بب اف زایش ارزش س وختی كلینك ر ب ه میزان 70% نسبت به كلینكر اولیه می شود (8). نواك و همكاران در سال 2004، مدیریت لجن در واحدهای كوچك تصفیه خانه آب و فاضلاب را بررسی نمودند . نتایج این تحقیق نشان داد كه مدیریت لجن از جنبه طراحی و بهره برداری از واحدهای تصفیه خانه آب و فاضلاب اهمیت زیادی داشته و گزارش نمودند كه كاربرد ل جن در كشاورزی می تواند یك راه حل اقتصادی محسوب شود . هر چند كه این مورد تنها وقتی قابل قبول خواهد بود كه لجن حاوی مواد با ارزش بالا بوده و غلظت مواد خطرناك آن كمتر از مقدار مجاز باشد (9).لومبی و همكاران در سال 2010، اثر سمیت و قابلیت استفاده از رسوب ات تصفیه خانه آب بر روی آلومینیوم، فسفر و مس خاك را بررسی نمودند . نتایج بدست آمده افزایش آلومینیوم، فسفر و مس خاك را نشان داد (10). بنابراین هدف از این مطالعه بررسی برخی ویژگی های فیزیكی و شیمیایی لجن تصفیه خانه آب شهید بهشتی همدان و امكان سنجی آن جهت مصارف گوناكون كشاورزی و صنعتی و همچنین تخلیه به آب های سطحی از لحاظ رعایت استانداردهای زیست محیطی می باشد.
روش کار
این مطالعه توصیفی به مدت یكسال و درطی سه فصل تابستان، پاییز و زمستان 1393 و بهار 1394 انجام شد . نمونه های مورد نظر در طی این مدت در فواصل زمانی مشخص برداشت شده و تمام آزمایشات بر اساس روش های استاندارد انجام گرفت. نمون هها در ظروف استریل برداشت و برای جلوگیری از تغییر وضع یت نمونه ها و حفظ شرایط واقعی تا انتقال به آزمایشگاه در شرایط مناسب از نظر درجه حرارت (4-0 در جه سانتی گراد ) نگهداری شد. همچنین برخی پارامترها از جمله pH نمونه ها با استفاده از دستگاه pH متر پرتابل (مدل HANNA, Hi 1290) و كاغذ تورنسل در محل اندازهگیری شد (12،11). به منظور بررسی كیفیت لجن، آزمایشات مربوط به پارامترهای جامدات كل (Total Solids; TS)، جامدات محلول (Total Suspended Solids; TDS)، جامدات معلق (pH ،(Total Dissolve Solids; TSS، آهن، منگنز، كادمیوم، كروم، مس، سرب، روی، نیكل، كبالت و آلومینیوم بر روی ل جن خروجی از حوضچه های زلال ساز به منظور امكان سنجی جهت تخلیه به آب های سطحی، استفاده در كشاورزی و صنعت، بر اساس روش های موجود در استاندارد متد (11) صورت پذیرفت . برای اندازه گیری جامدات از روش معرفی شده در روش های استاندارد برای آزمایشات آب و فاضلاب (11) و برای تعیین غلظت فلزات سنگین از روش استخراج توسط اسید نیتریك و اسید كلریدریك استفاده شده و قرائت توسط دستگاه ICP-OES ساخت كشور استرالیا استفاده شد (13). نمونه برداری به صورت لحظه ای ساده بوده و جمعاً 12 بار نمونه برداری صورت گرفت و برای بالا بردن دقت ا ندازه گیری، تمام آزمایش های مربوط به این مطالعه سه بار تكرار و نتایج به صورت میانگین گزارش شد . در پایان، داده های مورد نظر با استفاده از نرم افزار Excel و نرم افزار آماری SPSS (IBM® version 21, Chicago, IL, USA) و آزمون t-test در سطح 5% مورد تجزی ه و تحلیل ق رار گرفت و ب ا استانداردهای كانادا و اداره پایش خاك نیوجرسی مورد مقایسه قرار گرفت. دامنه مقادیر و میانگین pH، جامدات كل، جامدات معلق و جامدات محلول نمونه ها در جدول 1 ارائه شده است. مطابق جدول، میانگین pH برابر 87/6، میانگین جامدات كل برابر با 21042، میانگین جامدات م عل ق 20012 و میانگین جامدات محلول برابر با 1040 می باشد. ضمن اینكه بیشترین و كمترین غلظت اندازه گیری شده برای جامدات به ترتیب در فصول تابستان و پائیز می باشد.
میانگین و مقادیر غلظت عناصر سنگین برای فصول مختلف و به صورت میانگین كل فصول نیز در جدول2 ارائه شده است . همانطوری كه در این جدول مشاهده می شود بیشترین غلظت فلز سنگین برای كادمیوم در فصل بهار می باشد ولی میانگین غلظت سایر فلزات سنگین در فصل پاییز بیشتر از سایر فصول می باشد . در مقابل كمترین میانگین غلظت برای كادمیوم و منگنز در فصل پاییز و سایر عناصر در فصل زمستان بدست آمده است. در جدول 3 نیز مقادیر اندازه گیری شده فلزات با مقادیر استاندارد و مجاز ارائه شده توسط سازمانهای معتبر بین المللی مقایسه شده است. همانطور كه در جدول قابل مشاهده است میانگین غل ظت فلز كادمیوم و نیكل بالاتر از استانداردها جهت مصارف كشاورزی و تخلیه به محیط زیست میباشد. ضمن اینكه میانگین غلظت های اندازه گیری شده برای فلزات آلومینیوم، آهن، منگنز، كروم و مس زیاد بوده و احتمال فراتر رفتن آنها از حدود استانداردها وجود دارد . خاطر نشان می شود كه بعلت نبود استانداردها یا حدود مجاز ملی برای فلزات اندازه گیری شده، از استانداردهای دیگر موجود در سایر كشورها جهت این مقایسه استفاده شد.
بحث
مقدار جامدات لجن از جنبه های مختلفی از جمله استفاده بعنوا ن كود، طراحی سیستم های آبگیری از لجن، طراحی و راهبری بسترهای لجن خشك كن و … می تواند اهمیت داشته باشد (14) لذا توجه به مقادیر آن نیز ضروری خواهد بود. همانطور كه در نتایج مشاهده می شود، مقدار میانگین كل جامدات (TS)، جامدات معلق (TSS) و جامدات محلول (TDS) به ترتیب برابر 21042 ، 20012 و 1040 میلی گرم بر لیتر می باشد و بیشترین میزان كل جامدات در فصل بهار (برابر 27253 میلی گرم بر لیتر ) و كمترین مقدار نیز در فصل پاییز (با غلظت 14810 میلی گرم بر لیتر ) اندازه گیری شد . با توجه به دادههای میتوان نتیجه گرفت كه ب الا بودن جامدات كل در فصل بهار به دلیل نوسانات و افزایش بارندگی در این فصل از سال می باشد كه سبب ورود حجم بیشتری از رواناب ها از خشكی به آب ورودی به تصفیه خانه می گردد كه ذرات معلق و رسوبی و میزان زیادی از آلایندهها را به همراه خود آورده و ته نشین می نماید . این محدوده غلظت ها در سایر مطالعات نیز گزارش شده است . بعنوان مثال، در مطالعه ای كه توسط فاضلی و همكاران انجام گرفت نیز مقدار میانگین جامدات معلق برابر 19280 میلی گرم بر لیتر گزارش شد (15). pH لجن یا فاضلاب نیز چه به لحاظ تخلیه به محیط زیست و چه به لحاظ كاربری برای اهداف مختلف می تواند اهمیت داشته باشد. pH لجن با اثر بر pH خاك، در جذب عناصر در خاك و گیاه مؤثر بوده و جمعیت میكروبی خاك را تحت تأثیر قرار می دهد . pH كمتر از 5/6 در آبشویی فلزات سنگین و قابلیت جذب آنها توسط گیاه مؤثر است (16). همانطوری كه در نتایج مشاهده می شود مقادیر اندازه گیری شده برای pH در محدوده های مجاز جهت تخلیه پساب به جریان های پذیرنده و محیط زیست می باشد و اثر قابل توجهی بر خاك یا محیط های پذیرنده نمی تواند داشته باشد.در مطالعه ای كه توسط احمدی و همكاران انجام شد مقدار میانگین جامدات معلق و محلول به ترتیب برابر با 13873 و 3081 بر حسب میلی گرم بر لیتر و pH برابر با 6/7 اندازه گیری شد . مقایسه نتایج بدست آ مده از این مطالعه با نتایج مطالعه احمدی و همكاران نشان داد كه هر دو مطالعه از نظر پارمتر pH نزدیك به هم می باشند ولی میانگین جامدات معلق در مطالع ه مذكور پایین تر میباشد (17). در مطالعه دیگری كه بر روی لجن تصفیه خانه آب انجام شد میانگین pH برابر با 4/6 اندازه گیری شد كه نزدیك به میانگین pH اندازه گیری شده در مطالعه حاضر می باشد (18).
همانطور كه در نتایج این مطالعه مشاهده می شود غلظت فلزات سنگین در فصول مختلف متفاوت بوده و بر اساس آنالیز آماری انجام گرفته، این تغییرات برای بیشتر فلزات سنگین معنی دار بوده ولی برای فلزات سنگین مس و نیكل معنی دار نمی باشد. در زمینه اندازه گیری محتوای فلزات سنگین فاضلاب و لجن نیز مطالعات مختلفی در نقاط مختلف دنیا انجام گرفته است . بعنوان مثال، در مطالعه ای كه توسط غالبی و همكاران در زمینه اندازه گیری محتوای كادمیم دوغاب و كیك لجن انجام گرفت میزان آلودگی كادمیم در نمونه های دوغاب و كیك لجن به ترتیب برابر 20 و 8 میلی گرم بر لیتر گزارش شد(19).در مطالعه دیگری كه توسط فاضلی و همكاران انجام شد غلظت كادمیم در لجن 04/0 تا 08/0 میلی گرم بر لیتر گزارش گردید (15). همانطوری كه ملاحظه می شود غلظت های اندازه گیری شده كادمیم در مطالعه حاضر كه به طور میانگین 038/0 میلی گرم بر لیتر (معادل 75/1میلی گرم بر كیلوگرم جامدات خشك لجن ) می باشد نیز در محدوده مقادیر گزارش شده توسط سایر محققین می باشد. در مطالعه انجام گرفته توسط غالبی، كادمیم و منگنز بعنوان شاخص فلزات سنگین سمی اندازه گیری شدند كه نتایج حاكی از بالا بودن غلظت آنه ا در لجن بود. نكته دیگر اینكه مقادیر غلظت ها در نمونه های خشك لجن نسبت به دوغاب مقادیر بیشتری گزارش شده است كه علت آن می تواند ناشی از نشت فلزات سنگین به زمین در طی فرایند خشك شدن و در نتیجه كاهش غلظت های آن در حالت خشك باشد (19). نتایج حاصل از این مطالعه كه بر اساس لجن خشك بود نیز با مطالعه غالبی و همكاران بر اساس لجن خشك چنین روندی را نشان داد . در مورد غلظت های اندازه گیری شده آهن نتایج حاصل با مقادیر گزارش شده توسط غالبی و همكاران همخوانی نداشت. حكیمی و همكاران در سال 1393 مطالعه ای جهت استفاده مجدد از ل جن خشك برای تولید آجر انجام دادند . نتایج این پژوهش با نتایج مطالعه حكیمی و همكاران مطابقت دارد هر چند كه غلظت پارامترهای اندازه گیری شده در این مطالعه بیشتر از مقادیر گزارش شده در مطالعه حكیمی و همكاران می باشد (20).همچنین با توجه به نتایج بدست آم ده می توان بیان نمود كه از لحاظ مقادیر غلظت های اندازه گیری شده، توالی غلظت فلزات مطالعه شده بصورت Al>Fe>Mn>Zn>Cu>Ni>Cr>Co>Pb>Cd می باشد. بدیهی است كه دلیل بالاتر بودن غلظت آلومنیوم نسبت به بقیه فلزات سنگین آن است كه از آلوم بعنوان منعقدكننده جهت تصفیه آب و حذف كدورت در تصفیه خانه آب شهید بهشتی استفاده می شود. فلزات سنگین آهن و منگنز نیز بعد از آلومنیوم، بیشترین غلظت را داشتند بطوریكه بیشترین غلظت این فلزات بترتیب در فصل پاییز و زمستان می باشد. دلیل افزایش غلظت فلزات در این فصول میتواند بارش فراوان نزولات جوی و نشت این عناصر از خاك توسط رواناب ها و در نهایت ورود آنها به آب های سطحی باشد (21). مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج مطالعه احمدی و همكاران نشان داد كه غلظت كبالت در مطالعه حاضر بیشتر ولی غلظت سایر عناصر كمتر از مطالعه احمدی و همكاران بود (17). دلیل عدم تشابه در نتایج می تواند بدلیل تفاوت در ماهیت نمونه های لجن (17) و همچنین تفاوت در شیوه مدیریت لجن، دفع و شیوه استفاده مجدد از لجن باشد (21).
مقایسه مقادیر اندازه گیری شده غلظت فلزات سنگین با استاندارد كانادا و استاندارد اداره پایش خاك نیوجرسی نشان داد كه مقادیر كادمیوم و نیكل طبق استاندارد كانادا بالاتر از حد مجاز تعیین شده برای مصارف كشاورزی می باشد. دلیل این امر احتمالأ به ورود رواناب ها و حمل ذرات رسوبی حاوی این فلز به آب ورودی به تصفیه خانه باشد. در سایر مطالعات مثل مطالعه انجام گرفته توسط هلی و بارباریك در سال 1989 نیز به مشكلات عمومی وابسته به استفاده از لجن تصفیه خانه آب و احتمال حضور غلظت بالای فلزات سنگین از قبیل كادمیوم، مس، كروم، نیكل، سرب و روی اشاره شده است (23). نكته ای كه باید در اینجا خاطر نشان شود این است كه هر چند برای آلومینیوم، آهن و منگنز موجود در لجن استانداردی برای كاربری كشاورزی یا دفع تعیین نشده است ولی با توجه به بالا بودن غلظت این عناصر در مقایسه با سایر فلزات و مشكلات مربوط به آنها كه می توان به بیماری آلزایمر، ایجاد مشكلات تنفسی نظیر پنومونیت و خطر ابتلا به عفونت، ایجاد بیماری پاركینسون در انسان، كاهش رشد گیاه، كاهش پوشش گیاهی، كاهش حاصلخیزی خاك و متعاقباً فرسایش خاك و همچنین از بین رفتن گونه های تحمل ناپذیر و پدیده بیابان زایی، ایجاد حالت پارگی برگ ها در حاشیه پهنك، طولانی شدن زمان رسیدگی میوه ها و دانه ها، تغیی ر رنگ برگ های گیاه، نازك شدن برگ ها، خشك شدگی قسمتی از برگها، ایجاد حالتهای فساد درگیاه، تغییر شكل گیاه، ایجاد لكه ها وخال ها بر روی برگ گیاه، تغییر در ابعاد قسمت های مختلف گیاه اشاره نمود (25،24) می بایستی در دفع غلظت های بالای این فلزات سنگین سمی در مح یط یا آبهای پذیرنده یا كاربری آنها برای اهداف مختلف، ملاحظات مربوطه رعایت شود. همچنین، از آنجایی كه یكی از روش های مدیریت زائدات مایع و نیمه جامد، دفع یا استفاده در سطح رویی خاك می باشد، لذا جهت استفاده از این روش بایستی به مقدار غلظت آلاینده ها در لجن و ن رخ بارگذاری آلایندههای مورد نظر در زمین جهت جلوگیری از تجمع آن در خاك توجه شود . این روش یك روش نسبتأ ساده است كه با استفاده از فرایندهای طبیعی برای بازیافت زائدات و بهبود ساختار خاك استفاده می شود (26). با توجه به اینكه از لجن حاصل از تصفیه خانه های آب یا فاضلاب می توان برای اهداف صنعتی نیز استفاده كرد لذا در این مورد نیز باید به جنبه های ذكر شده توجه نمود . بعنوان مثال، مطالعه ای در سال 2015 با استفاده از لجن حاصل از تصفیه آب برای پس تصفیه نهایی پساب راكتور UASB تصفیه فاضلاب شهری انجام شد (18). نتایج حا صل از این مطالعه نشان داد كه لجن می تواند در فرایندهای تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار بگیرد . در مطالعه دیگری، محلول شیرابه حاصل از باقیمانده های سوزانده شده لجن نساجی جهت بررسی تأثیر منعقد كننده ها بر روی تصفیه فاضلاب نساجی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد كه میتوان از آن ب ه عنوان عامل مؤثر بر انعقاد در تصفیه فاضلاب نساجی استفاده كرد (27). نتایج مطالعه دیگر ی نشان داد كه پیش تصفیه لجن دباغی با استفاده از تركیبی از باقیمانده حاصل از لجن سوزانده شده دباغی و پلی آكریلامید كاتیونی می تواند سبب آبگیری بهتر لج ن نسبت به پلی آكریلامید كاتیونی به تنهایی شود (28). از موارد دیگر استفاده لجن می توان به تبدیل لجن حاوی غلظت بالای فلزات سنگین و مواد شیمیایی سمی به روغن و چربی با استفاده از فرایند پیرولیز اشاره كرد (29). گزینه نهایی برای دفع لجنی كه قابل استفاده مجدد نمی باشد، دفن بهداشتی می باشد . ولی از آنجاییكه لجن معمولأ حاوی مواد سمی می باشد كه می تواند سبب آلودگی آبهای زیرزمینی شود، بنابراین لازم است كه محل های دفن بوسیله مواد پوششی مانند خاك رس و مواد پلاستیكی محافظت شود.
نتیجه گیری
در این مطالعه برخی ویژگیهای فیزیكی وشیمیایی و مهم لجن تصفیه آب شهید بهشتی همدان مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اهمیت بهداشتی فلزات سنگین در محیط، غلظت برخی از آنها در این مطالعه مورد اندازه گیری قرار گرفته و با استاندارد های موجود مقایسه شدند . نتایج نشان داد كه جهت استفاده از لجن برای مصارف كشاورزی، زمین پارك، استفاده صنعتی و تجاری، مقدار كادمیوم و نیكل بالاتر از حد مجاز توصیه شده توسط سازمان حفاظت محیط زیست كانادا می باشد (در حال حاضر در كشور ما استانداردی جهت مقایسه وجود ندارد ) و بدون انجام پردازش مناسب، امكان است فاده از آن وجود ندارد . نتیجه ی دیگر اینكه آلودگی به فلزات سنگین در نمونه های لجن دوغاب نسبت به لجن خشك شده بیشتر است . بنابراین ، در صورت تخلیه به محیط زیست بهتر است كه بصورت لجن خشك دفع شود . هرچند كه لجن خشك شده نیز حا وی مقادیر بالای فلزاتی نظیر آلومنیوم، آ هن و منگنز بوده و حتی غلظت فلزاتی نظیر كادمیوم و نیكل بالاتر از حد استاندارد تخلیه به محیط زیست می باشد ، پس جهت استفاده از لجن خشك شده بعنوان كود در كشاورزی نیز بایستی ملاحظات كافی صورت بگیرد . با توجه به اینكه به طور معمول این لجن در محیط زیست دفع می شود، پ یشنهاد می گردد به صورت معمول نمونه هایی جهت اندازه گیری غلظت فلزات سنگین و سایر پارامترهای مرتبط مورد آزمایش قرار گیرند. همچنین با توجه به درصد مناسب آهن، استفاده از لجن خشك شده می تواند بعنوان ماده خام در صنعت تولید سیمان و آجر مورد توجه قرار گیرد.
