اهمیت تصفیه پساب و فاضلاب در حفظ محیط زیست و سلامت انسان

اهمیت تصفیه پساب و فاضلاب در حفظ محیط زیست و سلامت انسان چیست؟

آب منبعی ضروری برای سلامت انسان و اکوسیستم است. منبع فاضلاب از فعالیت‌های خانگی، صنعتی و کشاورزی تولید می‌شود و حاوی انواع مختلفی از آلاینده‌ها مانند مواد آلی، مواد مغذی، فلزات سنگین، عوامل بیماری‌زا و آلاینده‌های نوظهور است. در حال حاضر، جهان سالانه 380 تریلیون لیتر فاضلاب تولید می‌کند. پیش‌بینی می‌شود تولید جهانی فاضلاب تا سال 2030، 24% و تا سال 2050، 51% نسبت به سطح فعلی افزایش یابد [1]. فاضلاب تصفیه نشده می‌تواند خطرات جدی برای سلامت انسان و اکوسیستم‌های آبی ایجاد کند و منجر به بیماری‌های ناشی از آب، اتروفیکاسیون و از بین رفتن تنوع گونه­های زیستی شود. در نتیجه، تصفیه فاضلاب کارآمد، مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست به یک اولویت جهانی تبدیل شده است که با اهداف توسعه پایدار سازمان ملل متحد (SDGs)^[1] و به ویژه با SDG 6 که به دنبال تضمین در دسترس بودن و مدیریت پایدار آب و فاضلاب برای همه است؛ هماهنگ است. روش‌های مرسوم تصفیه فاضلاب (مبتنی بر سیستم‌های لجن فعال، بیوراکتور غشایی یا تصفیه شیمیایی) رایج‌ترین ابزارها برای حذف آلاینده‌ها و عوامل بیماری‌زا هستند. با این حال، این روش‌های سنتی نیز محدودیت‌های متعددی دارند. آن­ها اغلب انرژی‌بر هستند؛ از مواد شیمیایی بسیار زیادی استفاده می‌کنند و آلودگی بعدی (لجن) ایجاد می‌کنند که باید به خوبی مدیریت شود [2].

با افزایش تولید و مصرف داروها در سراسر جهان، انتشار این ترکیبات شیمیایی به محیط زیست نیز با سرعت نگران‌کننده‌ای در حال افزایش است. اکثر این ترکیبات شیمیایی در محیط‌های آبی در سراسر جهان شناسایی شده‌اند که پتانسیل ایجاد اثرات نامطلوب برای ‌محیط زیست و سلامت انسان را دارند و بنابراین باید به عنوان آلاینده‌های شیمیایی در نظر گرفته شوند. بسیاری از این مواد شیمیایی، ترکیبات فعال دارویی روزمره (PhACs)^[2] محسوب می‌شوند. تصفیه‌خانه‌های فاضلاب (WWTPs)^[3] مجرای اصلی ورود این آلاینده‌های شیمیایی از صنایع، بیمارستان‌ها و خانه‌ها به محیط‌های آبی طبیعی از طریق تخلیه روزانه فاضلاب تصفیه‌خانه‌ها در نظر گرفته می‌شوند. منابع مهم دیگری از آلاینده‌های نگران‌کننده نوظهور (CECها)^[4] مانند تأسیسات تولید داروسازی، مراکز درمانی، محل‌های دفن زباله، روان­آب‌های سطحی شهری، کارخانه‌های فرآوری مواد غذایی/خوراک دام و سایر زیرساخت‌های آبی وجود دارند. برخی از آن­ها همچنین در جامدات زیستی وجود دارند و به عنوان کود یا کود دامی برای کشت محصولات کشاورزی در زمین استفاده می‌شوند و در نهایت به دلیل روان­آب به محیط­های آبی راه پیدا می‌کنند. برخی از CECها به عنوان شیرابه از محل‌های دفن زباله وارد محیط‌های آبی می‌شوند؛ اما تصفیه‌خانه فاضلاب همچنان مسیر اصلی ورود اکثر CECها به محیط زیست است [3].

مطالعات طیف وسیعی از خطرات سلامت اکوسیستم مرتبط با PhACها، از جمله خطرات تجمع زیستی، اختلال در غدد درون ریز و سمیت را نشان داده‌اند. یکی از نگران‌کننده‌ترین گروه‌های دارویی، آنتی‌بیوتیک‌ها هستند. اگرچه آنتی‌بیوتیک‌ها درمان بیماری‌های عفونی در انسان و حیوانات را متحول کرده‌اند؛ اما استفاده بیش از حد آنتی‌بیوتیک‌ها نه تنها حضور و ماندگاری آن­ها را در جریان‌های فاضلاب افزایش داده است؛ بلکه به افزایش باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک (ARB)^[5] و ژن‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک (ARG)^[6] که در حال حاضر در سراسر جهان مشاهده می‌شوند؛ کمک می‌کند [3]. جالب توجه است که مقاومت آنتی‌بیوتیکی اندکی پس از کشف آنتی‌بیوتیک‌ها مشاهده شد و افزایش مقاومت آنتی‌بیوتیکی، درمان مؤثر طیف فزاینده‌ای از عفونت‌هایی را که در برابر درمان با این ترکیبات مقاوم هستند؛ تهدید می‌کند. مقاومت آنتی‌بیوتیکی می‌تواند منجر به مشکلاتی در رابطه با تشدید بیماری‌ها، از جمله افزایش خطرات ابتلا به بیماری/مرگ شود. طبق گفته سازمان بهداشت جهانی (WHO)^[7]، انتظار می‌رود که تلفات انسانی ناشی از مقاومت چند دارویی (MDR)^[8] تا سال 2050 به ده میلیون مرگ و میر افزایش یابد. از دیگر پیامدهای مقاومت آنتی‌بیوتیکی می‌توان به افزایش عوارض جانبی/پیچیدگی‌های مرتبط با استفاده از داروهای جایگزین، درمان‌های پزشکی طولانی‌مدت و پیامدهای احتمالی برای اقتصاد به دلیل درمان‌های پرهزینه مورد نیاز برای مدیریت عفونت‌های باکتریایی مقاوم به آنتی‌بیوتیک اشاره کرد. همچنین، بقایای آنتی‌بیوتیک در محیط زیست می‌تواند سبب ایجاد توانایی زنده ماندن باکتری­ها در حضور آنتی‌بیوتیک شود [3].

روش‌های متنوعی در بین تصفیه‌خانه‌های فاضلاب برای حذف محتوای باکتریایی و سایر آلاینده‌ها از فاضلاب‌ها، از جمله فرآیندهای بیولوژیکی، ضدعفونی و سایر راهکارهای حذف، ایجاد شده است. لجن فعال یک فرآیند بیولوژیکی رایج است که در آن فاضلاب از طریق استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه مواد آلی تصفیه می‌شود. با این حال، فرض بر این است که این روش تصفیه با ایجاد محیطی مناسب برای افزایش مقاومت، تجمع ARBها را تسهیل می‌کند. در واقع، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب به دلیل عوامل مختلف، «نقاط داغ» برای تبادل ژنتیکی لقب گرفته‌اند. از طرف دیگر، کلرزنی یک راهکار ضدعفونی پرکاربرد برای غیرفعال کردن میکروارگانیسم‌های موجود در فاضلاب است. با این حال، باکتری‌های آسیب‌دیده توسط کلرزنی، در صورت قرار گرفتن در معرض دوزهای پایین کلر، توانایی زنده ماندن و رشد مجدد را دارند. تابش اشعه ماورا بنفش نیز به عنوان یک فرآیند ضدعفونی استفاده می‌شود زیرا باعث آسیب DNA می‌شود که چرخه تکثیر میکروبی را مهار می‌کند. با این حال، بسیاری از باکتری‌های در معرض اشعه ماورا بنفش می‌توانند DNA خود را بازیابی کرده و فعالیت تکثیر خود را از طریق مکانیسم‌های فعال‌سازی نوری بازیابی کنند. بنابراین، اکثر روش‌های تصفیه فاضلاب که عمدتاً مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ نمی‌توانند به طور مؤثر تمام ARB و ARGها را از بین ببرند. یک فناوری حذف مناسب که ممکن است به زودی توسط تصفیه‌خانه‌های فاضلاب به کار گرفته شود؛ شامل روش‌های بیوالکتروشیمیایی است که آنتی‌بیوتیک‌ها را در فاضلاب از طریق تجزیه بیوشیمیایی توسط میکروارگانیسم‌ها همراه با واکنش‌های ردوکس برای تولید همزمان برق، از بین می­برند. راندمان حذف برای دو کلاس آنتی‌بیوتیک ممکن است به دلیل تفاوت در ماهیت شیمیایی هر یک از این آنتی‌بیوتیک­ها به طور قابل توجهی متفاوت باشد. این امر چالش‌هایی را ایجاد می‌کند زیرا روش حذف ایده‌آل باید روشی باشد که برای حذف همه/اکثر کلاس‌های آنتی‌بیوتیک با راندمان بالا، بسیار دقیق و مؤثر طراحی شده باشد [3].

^[1] Sustainable Development Goals (SDG)

^[2] Pharmaceutically Active Compounds (PhACs)

^[3] Waste Water Treatment Plants (WWTPs)

^[4] Contaminants of Emerging Concern (CEC)

^[5] Antibiotic-Resistant Bacteria (ARB)

^[6] Antibiotic-Resistance Genes (ARGs)

^[7] World Health Organization (WHO)

^[8] Multi Drug Resistance (MDR)

از طرف دیگر، پس از کشف اینکه پلاستیک چقدر متنوع، بادوام و مقرون به صرفه است؛ استفاده از آن به یک ضرورت جهانی تبدیل شده و منجر به رونق نمایی تولید شده است. تا به امروز، بیش از 2/9 میلیارد تن پلاستیک در سطح جهان تولید شده است. درنتیجه، استفاده گسترده از پلاستیک منجر به ایجاد مسائل زیست محیطی نگران­کننده­ای شده است. حتی در صورت دفع صحیح، پلاستیک­ها می­توانند به سیستم­های آب نفوذ کنند که این امر به ویژه در WWTPs مشهود است. علی­رغم تلاش­ها برای مدیریت زباله­های پلاستیکی، تصفیه خانه­های فاضلاب می­توانند پلاستیک­های در اندازه ماکرو را به میکروپلاستیک­ها (MPs)^[1] تجزیه کنند که در نهایت می­توانند شسته شوند یا فرار کنند و دوباره وارد محیط زیست شوند. الیاف­ها که زیرشاخه­ای از MPs هستند؛ به دلیل قرار گرفتن در معرض رنگ‌ها و افزودنی‌های شیمیایی که می‌توانند به محیط زیست نفوذ کنند؛ برای محیط زیست مضر در نظر گرفته می‌شوند. همچنین، الیاف­های مصنوعی به دلیل سرعت احتراق بالا و عدم توانایی در تجزیه زیستی، به عنوان مضرترین الیاف شناخته شده­اند. میکروپلاستیک­ها پس از پراکنده شدن، می‌توانند در اکوسیستم‌ها باقی بمانند و چالش‌هایی را برای سلامت محیط زیست ایجاد کنند. میکروپلاستیک­ها می‌توانند به عنوان جاذب عمل کنند و به دلیل توانایی‌های جذب متنوع خود، سایر آلاینده‌های محیطی را جذب و منتقل کنند. این امر باعث ایجاد اثرات نامطلوب بر سلامتی موجودات زنده شامل اختلالات جزئی در عملکردهای فیزیولوژیکی و مرگ و میر می‌شود [4].

در حال حاضر، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب فاقد فرآیندهایی هستند که منحصراً برای تصفیه میکروپلاستیک‌ها طراحی شده‌ باشند. دلیل این امر این است که تصفیه‌خانه‌های فاضلاب در درجه اول بر حذف مواد آلی و ذرات معلق تمرکز داشته و بر حذف آلاینده‌های محیطی مانند میکروپلاستیک‌ها، داروها، مواد مخدر غیرقانونی و فلزات سنگین؛ متمرکز نیست. با این حال، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب مرسوم معمولاً دارای ۳ مرحله تصفیه هستند که می‌توانند به کاهش میزان میکروپلاستیک‌های آزاد شده در پساب کمک کنند. قبل از این مراحل، پیش تصفیه اولیه با استفاده از الک‌های بزرگ­تر از ۵ میلی‌متر به جذب پلاستیک‌های بزرگ­تر کمک می‌کند و از جابجایی آن­ها درون لوله‌های فاضلاب جلوگیری می‌کند. در طول تصفیه اولیه، اغلب از فرآیندهای فیزیکی مانند غربالگری، چربی‌زدایی و حذف توسط فیلتر شنی برای حذف میکروپلاستیک‌های موجود در فاضلاب استفاده می‌شود. به طور کلی، میکروپلاستیک­های با چگالی بالا را می‌توان با ته‌نشینی توسط نیروی گرانش و میکروپلاستیک­های با چگالی کم را از طریق روش شناورسازی حذف کرد. به طور کلی تصفیه‌های اولیه غلظت میکروپلاستیک­ها را در فاضلاب کاهش می‌دهند اما هرگونه باقیمانده‌ای که از این مرحله خارج شود؛ در تصفیه‌های مراحل دوم و سوم، تحت فرآیندهای حذف بیشتری قرار می‌گیرد. مراحل دوم تصفیه، معمولاً شامل تخریب زیستی (هوازی و بی‌هوازی) و به دنبال آن جداسازی فیزیکی از طریق فرآیند انعقاد-لخته‌سازی است. همچنین MBRs با نرخ حذف کافی، به عنوان یکی از روش‌های مراحل سوم، در نظر گرفته می‌شوند [4].

علی­رغم تلاش‌ها برای حذف میکروپلاستیک­ها از لجن، میزان حذف آن­ها به طور قابل توجهی به دلیل افزایش تولید مقدار لجن، کاهش یافته است. با توجه به علاقه روزافزون به استفاده از لجن فاضلاب به عنوان یک منبع زیستی برای کشاورزی پایدار، میکروپلاستیک­های باقیمانده در لجن نیاز به بررسی بیشتر برای بررسی تأثیر بالقوه دارند. هنگامی که میکروپلاستیک­ها دوباره وارد محیط زیست می‌شوند؛ در بخش‌های مختلف اکوسیستم‌ها انتقال یافته؛ به رسوبات فرو می‌روند؛ در آب‌ها پراکنده می‌شوند؛ در سطح مشترک آب و هوا شناور می‌شوند و از همه نگران‌کننده‌تر، در بدن انسان تجمع می‌یابند. پس از نشر پساب‌های تصفیه‌خانه‌های فاضلاب، میکروپلاستیک‌ها به همراه هرگونه آلاینده آلی که ممکن است جذب کنند؛ وارد محیط آبی شده و در نهایت به آبراه‌های خانگی می‌رسند. میکروپلاستیک‌ها می‌توانند از طریق بلع، استنشاق و جذب وارد بدن انسان شوند. میکروپلاستیک‌ها در سیستم‌های آبی می‌توانند توسط موجودات دریایی و سایر موجودات به عنوان ذرات غذا اشتباه گرفته شوند و در نتیجه بلع آن­ها، از طریق مصرف غذاهای دریایی یا محصولات فرآوری شده، وارد بدن انسان شوند. نوشیدن آب لوله‌کشی و بطری نیز به عنوان یکی از مسیرهای احتمالی قرار گرفتن انسان در معرض میکروپلاستیک‌ها تأیید شده است. احتمال بلع غیرعمدی میکروپلاستیک‌ها هنگام استفاده از محصولات مراقبت شخصی (PCP)^[2] نیز گزارش شده است. از طریق تبخیر گودال‌ها یا محیط‌های آبی مانند دریاچه‌ها و رودخانه‌ها، میکروپلاستیک‌ها می‌توانند به یک آلاینده موجود در هوا تبدیل شوند و انسان از طریق استنشاق، در معرض آن­ها قرار گیرد. شکل ؟، نمودار منبع تا سرنوشت میکروپلاستیک­ها، شامل اثرات احتمالی گزارش‌شده بر سلامت انسان را نشان می­دهد [4].

^[1] Micro-Plastics (MPs)

^[2] Personal Care Products (PCPs)

  نمودار منبع تا سرنوشت میکروپلاستیک­ها، شامل اثرات احتمالی گزارش‌شده بر سلامت انسان

مدیریت آب و فاضلاب نیازمند نظارت دقیق و رعایت مقررات است. فناوری­های پیشرفته، تجزیه و تحلیل داده‌ها و سیستم‌های نظارت به عملیات تصفیه آب کمک می‌کنند تا مقررات سخت­گیرانه را رعایت کرده و به طور کارآمد اجرا شوند. سیستم‌های نظارت برای اندازه‌گیری پارامترهای کیفیت آب به شبکه‌های حسگر متکی هستند. کیفیت آب عموماً با ویژگی‌های فیزیکی (کدورت و دما)، شیمیایی (رنگ، pH، مواد جامد معلق، اکسیژن مورد نیاز بیولوژیکی، اکسیژن محلول، نیتروژن، ترکیبات آلی و معدنی و غیره)، بیولوژیکی (جلبک‌ها، باکتری‌ها و غیره) و زیبایی‌شناختی (بو، رنگ و غیره) سنجیده می‌شود [1]. حسگرها به طور مداوم pH، کدورت، اکسیژن محلول، غلظت مواد شیمیایی و محتوای میکروبیولوژیکی را تشخیص می‌دهند. این حسگرها امکان شناسایی سریع تخلفات نظارتی را فراهم می‌کنند. داده‌های حسگرها و دستگاه‌های نظارت به اپراتورها اجازه می‌دهد تا کل سیستم تصفیه آب را ارزیابی کنند. شناسایی زودهنگام بی‌نظمی‌ها، امکان اصلاح سریع را فراهم می‌کند و انطباق با استاندارد تخلیه را تضمین می‌کند. مقامات محیط زیست الزامات تصفیه فاضلاب را برای حفظ سلامت انسان، اکوسیستم‌ها و کیفیت آب تعیین می‌کنند. مقررات فاضلاب شامل عوامل فیزیکی، شیمیایی و زیستی است. BOD، COD، ذرات معلق، مواد مغذی (نیتروژن و فسفر)، pH، فلزات سنگین و آلاینده‌های صنعتی معمولاً از ویژگی‌های مهم فاضلاب هستند. سیستم‌های لجن فعال و بیوراکتورهای غشایی برای رعایت مقررات سختگیرانه BOD و COD مورد نیاز هستند. این سیستم‌ها آلاینده‌های آلی را با استفاده از فعالیت میکروبی تجزیه می‌کنند تا استانداردهای مربوط به COD و BOD را برآورده کنند. حذف نیتروژن و فسفر برای رعایت مقررات بسیار مهم است. برای رعایت محدودیت‌های سخت­گیرانه تخلیه مواد مغذی، از روش‌های پیشرفته تصفیه مانند BNR یا EBPR استفاده می‌شود. رعایت الزامات نظارتی نیاز به کنترل pH دارد. روش‌های تصفیه عموماً شامل تنظیم قلیائیت و سیستم‌های دوز مواد شیمیایی برای حفظ pH هستند. فلزات سنگین به دلیل آسیب رساندن به محیط زیست به شدت کنترل می‌شوند. برای حذف فلزات از روش‌های پیشرفته‌ای از جمله انعقاد، رسوب‌گذاری و تبادل یونی استفاده می‌شود. برای شناسایی و حذف مواد شیمیایی صنعتی و آلاینده‌های در حال توسعه، به تصفیه‌های تخصصی نیاز است. فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته (AOPs) و فیلتراسیون کربن فعال دانه‌ای گزینه‌هایی در این خصوص هستند [2].

تصفیه‌خانه آب یا فاضلاب از روش‌های متنوعی برای رعایت مقررات مربوط به کدورت، مواد شیمیایی، میکروبیولوژیکی و غیره که می‌توانند خطرات سلامتی را ایجاد کنند؛ استفاده می‌کنند. رویکردهای تصفیه به دو دسته روش­های مرسوم و روش­های غیرمتعارف تقسیم می­شوند. رویکردهای مرسوم شامل فرآیندهایی مانند انعقاد، لخته‌سازی، فیلتراسیون، جذب، رسوب‌گذاری، فلورایداسیون و غیره است درحالیکه رویکردهای غیرمتعارف شامل فناوری غشایی، ازن‌زنی، نور UV، تصفیه کربن فعال زیستی و غیره است. در مقایسه با روش­های مرسوم تصفیه‌، روش‌های غیرمتعارف از فناوری پیشرفته‌تری استفاده می‌کنند و آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌کنند [1].

رویکردهای مرسوم تصفیه آب شامل فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی است. فرآیندهای مرسوم تصفیه آب شامل غربالگری اولیه فاضلاب برای حذف ذرات معلق بزرگ با استفاده از مجموعه‌ای از الک‌ها، صفحات مشبک از جنس استیل ضد زنگ با اندازه حفرات مختلف (تصفیه اولیه (مکانیکی)) است. در ادامه، هوادهی با افزودن هوا به آب (اکسیداسیون)، برای افزایش رشد میکروبی به منظور تجزیه زیستی آلاینده‌ها (تصفیه ثانویه (بیولوژیکی)؛ صورت می­گیرد. مرحله سوم تصفیه آب، معمولاً از روش‌های شیمیایی برای حذف مواد آلی باقیمانده از طریق واکنش‌های اسیدی، قلیایی، اکسیدکننده یا آنزیمی استفاده می‌شود که بسته به نوع آلاینده و عامل شیمیایی، راندمان‌های متفاوتی دارند. در این مرحله، عوامل انعقادی با بار مثبت مانند سولفات آلومینیوم، کلرید فریک، سولفات فریک و غیره به فاضلاب اضافه شده که این مواد به سمت آلاینده‌های با بار منفی جذب می‌شوند و در نتیجه بار خنثی ایجاد شده و لخته‌های بزرگ (لخته‌سازی) تشکیل می‌شوند که سنگین هستند. پس از لخته‌سازی، فاضلاب برای رسوب‌گذاری به یک حوضچه منتقل و پس از مدتی، لخته‌ها در کف حوضچه ته‌نشین می‌شوند. انواع زیادی از ترکیبات آلی را می‌توان با انعقاد حذف کرد. با این حال، روش انعقاد قادر به حذف تمام عوامل بیماری‌زای موجود در آب مانند باکتری‌ها، ویروس‌ها و غیره نیست. سپس آب از فیلترهایی (محیط متخلخل) مانند شن، ماسه، زغال چوب و غیره عبور داده می‌شود تا ذرات معلق ریز، میکروارگانیسم‌ها و غیره از آب حذف شوند. در واقع در این مرحله، مولکول‌های آلاینده موجود در محیط مایع به سطح مواد جامد، معروف به جاذب‌ها، با مساحت سطح بالا، می­چسبند. کربن فعال به دلیل مساحت بالا و ساختار بسیار متخلخل، رایج‌ترین جاذب مورد استفاده است. اولترافیلتراسیون و اسمز معکوس روش­های مدرن امروزی برای فیلتراسیون آب هستند. ضدعفونی کردن مرحله بعدی است که شامل از بین بردن میکروارگانیسم‌های موجود در آب می‌شود. کلر رایج‌ترین ماده ضدعفونی‌کننده مورد استفاده است [1].

1.         Kumar, J., et al., Recent advancements in utilizing plant-based approaches for water and wastewater treatment technologies. Cleaner Water, 2024. 2: p. 100030.

2.         Krishnan, A. and Y. Devarajan, Sustainable wastewater treatment with AI: a path to enhanced hygiene and environmental protection. Process Safety and Environmental Protection, 2025. 201: p. 107487.

3.         Aladekoyi, O., et al., Accumulation of antibiotics in the environment: Have appropriate measures been taken to protect Canadian human and ecological health? Ecotoxicology and Environmental Safety, 2024. 280: p. 116513.

4.         Nguyen, J.K., et al., A review on microplastic fibers and beads in wastewater: The current knowledge on their occurrence, analysis, treatment, and insights on human exposure impact. Science of The Total Environment, 2025. 968: p. 178818.