جزوه آلودگی خاک مهندسی بهداشت محیط

جزوه آلودگی خاک مهندسی بهداشت محیط

جزوه آلودگی خاک مهندسی بهداشت محیط

تهیه و تنظیم: دکتر محمود علی محمدی

فرمت: Pdf تعداد صفحات: 93

فهرست:

• خصوصیات یا ویژگی های خاک
• طبقه بندی خاک
• خصوصیات میکروبی خاک
• لایه های افقی خاک
• بررسی رطوبت خاک
• قارچ در خاک
• نماتدها در خاک
• پروتوزاها در خاک
• چرخه کربن و میکروب ها
• چرخه گوگرد و میکروب ها
• چرخه فسفر
• چرخه آهن
• میکروب های خاک و تثبیت نیتروژن

فصل اول: منشأ خاک

١- هوازدگی فیزیکی یا مکانیکی:

عوامل فیزیکی و بیولوژیکی، از قبیل باد، آب سطحی، درجه حرارت آب، تغییرات دما، میکروارگانیسم های زنده اصلاح دائمی پوسته زمین، و تغییرات خود پوسته زمین و همچنین تغییرات سطح بالایی آن بر روی محصولاتی که نزدیک به اتمسفر، هیدروسفر و بیوسفر هستند تأثیر بیشتری دارد. دانشمندان علم زمین شناسی تمام فرآیندهایی را که این تغییرات تحت فرآیند هوازدگی مسیب به وجود آمدن آنها هستند مورد بررسی قرار داده اند. یکی از نویسندگان از هوازدگی مکانیکی که از نیروهای غالب مکانیکی و شامل عمل فرسایش سطحی، عمل لایروبی جریان، عمل فیزیکی باد و نوسانات شدید دما است صحبت می کند. به طور مشابه، یکی دیگر از دانشمندان در مورد هوازدگی زیستی صحبت میکند زمانی که نیروهایی که مسبب تغییرات هستند مربوط به موجودات زنده هستند. از این قبیل ما می توانیم چند مثال مطرح کنیم. این مثال ها شامل عمل نقب زدن حیوانات، نفوذ ریشه گیاهان به داخل زمین و عمل مخرب باکتری ها، جلبک ها و محصولات اسیدی که جوامع هم زیست تولید می کنند و با اقدامات مخرب انسان ها که به سادگی به پوسته زمین آسیب میزنند، می باشد. فرآیندهای فروپاشی که در طی آن پوشش سنگی زمین بدون تغییر در خصوصیات شیمیایی آن شکسته می شود به نام فرآیندهای هوازدگی فیزیکی شناخته شده است. برجسته ترین عوامل هوازدگی فیزیکی عبارتند از:

– Differential stress caused by unloading of deep-seated rocks on emerging to the surface.

– Differential thermal expansion under extreme climatic conditions. Expansion of interstitial water volume by freezing, that leads to rupture along crystal boundaries. Other mechanical agents enhance the effect of mechanical weathering. These may include processes such as gravity, abrasion by glacial ice or wind blown particles

۲. هوازدگی شیمیایی:

هوازدگی شیمیایی بستگی به حضور آب در محیط دارد. این فرآیند همراه با پیشرفت هوازدگی فیزیکی آغاز می شود، از آنجایی که فروپاشی ذرات خاک منجر به فعال شدن فاز جامد و در نهایت مطلوب تر شدن شرایط برای تغییرات شیمیایی می شود. این فرآیند همراه با پیشرفت هوازدگی فیزیکی آغاز می شود. هوازدگی شیمیایی به طور معمول از طریق یکی از واکنش های زیر انجام می شود:

1- اکسیداسیون: در منطقه هوادهی خاک (شکل ۱)، جایی که بیشتر فرایندهایی که منجر به تشکیل خاک می شوند در آن اتفاق میافتند، به علت در دسترس بودن اکسیژن، آب و گازهای محلول واکنش های اکسیداسیون غالب ترند. رنگ زرد، قهوه ای و یا قرمز خاک در مناطق گرم مانند مناطق مدیترانه ای ناشی از افزایش اکسیداسیون آهن دو ظرفیتی موجود در مواد معدنی مانند پیروکسن، آمفيبول و الیوین به آهن سه ظرفیتی می باشد. در کنار آهن دو ظرفیتی، منگنز و گوگرد دو ظرفیتی متداول ترین عناصری هستند که تحت تأثیر فرآیند اکسیداسیون قرار می گیرند. آن ها به طور معمول به منگنز چهار ظرفیتی و گوگرد شش ظرفیتی اکسید می شوند. عناصر دیگر شامل وانادیوم، کروم، مس آرسنیک، سلنیوم، مولیبدن، قلع، آنتیموان، تنگستن و اورانیوم می باشند. یک مثال خوب از فرآیند اکسیداسیون که در طول هوازدگی اتفاق میافتد اکسیداسیون پیریت به اسيد سولفوریک است که منجر به تخریب سنگ ها و ایجاد لک و چاله بر روی آن ها میشود (معادله ۱). معادله ۱:

2FeS₂ + 2H₂O + 7O₂ ⇒ 2FeSO₄ + 2H₂SO₄

2NaAlSi₃O₈ + 2H⁺ + H₂O ⇒ Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4SiO₂ + Na⁺

شکل 1: شماتیک آب های زیرزمینی

2- هیدراسیون و هیدرولیز: هیدراسیون و هیدرولیز، مهم ترین فرآیندهایی هستند که در طول فرآیند هوازدگی با آنها مواجه می شویم. در فرآیند هیدرولیز، واکنش شیمیایی بین آب و مواد معدنی برای تولید یا مصرف یک پروتون (H) و یا یک الکترون (OH) اتفاق میافتد. آب در فرم هیدراته اطراف کاتیون ها را گرفته و یک ساختار متحد یکپارچه بلورین را تشکیل داده است. نمونه ای از هیدراسیون تبدیل ،CaS به CaS 2H₂. می باشد. رس به همراه مواد آلی و دیگر مواد کلوئیدی، که شاخص های فیزیکی خاک هستند، نمونه ای از محصولات فرآیند هیدرولیز می باشند مانند تبدیل سیلیکات های آهن یا آلومینیوم به کانی های رس و یا اکسیدهای آهن و همچنین واکنش آلبيت معدنی در طی هوازدگی با اسیدهای ضعیف (اسید کربونیک و ..) و تولید کائولینین (رس) و یون های سدیم و سیلیکا (معادله ۲)

معادله ۲:

2NaAlSi₃O₈ + 2H⁺ + H₂O ⇒ Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4SiO₂ + 2Na⁺

Albite………………………………… Koolinite

3- هوازدگی به واسطه عوامل بیولوژیکی: اثر بیولوژیکی در فرآیند هوازدگی هیچ وقت نمی تواند در نظر گرفته نشود. معمولا در فرآیند هوازدگی بیولوژیکی دو بعد مطرح است. بعد مکانیکی فرآیند هوازدگی بیولوژیکی به ورود ریشه گیاهان به داخل زمین و یا فعالیت کرم ها و جوندگان در تخریب پوشش سنگی و رویی سطح زمین مربوط می شود، اما بعد شیمیایی این فرآیند از یک واکنش تجزیه ساده در محیط اسیدی نوک ریشه گیاهان تا فرآیندهای بیوشیمیایی پیچیده، که توسط آنها عناصر مختلف استخراج می شوند و یا توسط گیاهان یا فعالیت باکتریایی به ترکیبات پیچیده باند می شوند، میتواند متفاوت باشد. به عنوان یک مثال ما میتوانیم اکسیداسیون آهن یا سولفور و یا تثبیت نیتروژن توسط باکتری ها را نام ببریم.

۴- عوامل کنترل کننده تشکیل خاک:

آب و هوا: این عامل نه تنها فرآیندهای اصلی و مستقیم چرخه مواد را کنترل می کند بلکه بر روی تعداد میکروارگانیسم ها نیز تأثیر می گذارد، به طوری که سرعت واکنش های شیمیایی به ازای هر ده درجه افزایش دما دوبرابر می شود و ماکزیمم سرعت تجزیه مواد آلی در دمای ۲۵ تا ۳۵ درجه اتفاق میافتد.

گیاهان و جانوران: همانطور که قبلا ذکر شد واکنش های شیمیایی که توسط باکتری ها و ریشه گیاهان انجام می شوند، نقش بسیار مهمی در روند شکل گیری خاک دارد.

مواد اولیه: از آنجائی که منبع اصلی خاک، سنگ ها با مواد اولیه از پیش موجود هستند، کنترل تشکیل خاک به طور مستقیم به حساسیت این مواد به تغییرات آب و هوا و به دنبال آن تغییرات فیزیکی و شیمیایی آنهاست.

5- مرفولوژی خاک: یکی از ویژگی های خاک این است که ساختار تشکیل دهنده اش به صورت لایه لایه است که هر کدام از این لایه ها که از طریق رنگ و بافتشان شناسایی می شوند دارای خواص شیمیایی و ترکیبات مختلفی هستند که مهم ترین این خواص و ترکیبات عبارتند از pH ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی و غلظت فلزات به خصوص آهن و منگنز، معمولا لایه های خاک به صورت افقی هستند و ضخامت آنها از چند سانتی متر تا یک متر و یا بیشتر متغیر است. این لایه ها بر اساس موقعیتی که در پروفیل زمین دارند طبقه بندی می شوند که این موقعیت مطابق شکل 2 وابسته به نوع و سایز ذرات می باشد.

شکل 2: دیاگرام پروفیل خاک

در قسمت بالای پروفیل (منطقه .A) لایه ای از رسوبات مواد آلی وجود دارد که حدود ۲۰-۲۰% این مواد از بقایای گیاهان و جانوران میباشد. روند اصلی تشکیل خاک در این ناحیه، تحت عنوان Humification شناخته شده است. در این فرآیند بقایای مواد آلی خاک به صورت کامل تبدیل به مواد آلی شده و در نهایت مجموعه ای از مواد آلی تشکیل ماده جدیدی به نام هوموس را می دهند. این ماده دارای pH اسیدی و رنگ تیره می باشد و عمدتا به واسطه تجزیه کنندگان و مصرف کنندگان میکروارگانیسم هایی که در محل تشکیل خاک زندگی می کنند، تولید می شوند. پروفیل خاک هایی که بهترین توسعه را دارند شامل سه لایه اصلی است. منطقه صفر که در مورد آن صحبت شد. منطقه بعدی شامل ریشه خاک است که تحت عنوان منطقه R نامیده می شود. سه لایه در وسط که با حروف A , B , C نشان داده شده اند. این سه لایه از شن و رس و دیگر ترکیباتی که مشخصات آن ها در جدول زیر آورده شده است تشکیل شده اند. این سه لایه نماینده دو مرحله اصلی تشکیل خاک هستند. لایه نزدیک ترین لایه به منشأ خاک است و از یک بستر سنگی ساخته شده که حاوی مواد آلی و رس است. لایه های A , B هر دو با یکدیگر نماینده ای از یک خاک واقعی هستند و در اثر هوازدگی کامل Chorizon تشکیل می شوند.