بررسی پرتوزایی محیطی در نمونه‌های رسوب، آب و گیاه نی در محل ورودی پساب تصفیه‌خانه فاضلاب اراک به تالاب بین المللی میقان

مقاله پژوهشی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره بیست و سوم، شماره شش، شهریورماه 1400(56-47)

بررسی پرتوزایی محیطی در نمونه­های رسوب، آب و گیاه نی در محل ورودی پساب تصفیه­خانه فاضلاب اراک به تالاب بین المللی میقان

رضا پورایمانی^[1]*

r-pourimani@araku.ac.ir

رامین فرداد^[2]

محمود میرزایی^[3]

چکیده

زمینه و هدف هسته­های پرتوزا به صورت طبیعی و مصنوعی در آب، خاک، گیاهان و هوا وجود دارند. امروزه آلاینده­های صنعتی و شهری نیز در بالا بردن سطح آن موثر هستند. در این پژوهش تاثیر آب خروجی تصفیه‌خانه فاضلاب اراک در ناحیه ورودی به تالاب میقان بر پرتوزایی محیطی این ناحیه مورد بررسی قرارگرفته است.

روش بررسی: در این پژوهش 10 نمونه رسوب، 10 نمونه آب و 10 نمونه گیاه نی از محل ورودی آب خروجی تصفیه‌خانه فاضلاب اراک به تالاب میقان، تهیه گردید. فعالیت‌ویژه هسته­های پرتوزا با استفاده از روش بیناب­­نگاری گاما و با استفاده از آشکارساز فوق‌خالص ژرمانیومی(HPGe) تعیین شد و نقشه توزیع هسته­های پرتوزا در این ناحیه برای نمونه­های رسوب و آب رسم گردید.

یافته­ها: مقادیر میانگین فعالیت ‍‌ویژه هسته­های ²²⁶Ra، ²³²Th،⁴⁰K و ¹³⁷Cs در نمونه­های رسوب به ترتیب 86/22، 26/27، 04/409و 34/6، در نمونه آب به ترتیب 57/2، 04/3، 7/23و 37/0 و در نمونه های نی نیز به ترتیب 8/8، 59/9، 66/45و 26/2 برحسب Bqkg^-1  به-دست آمد. مقدار فعالیت رادیوم معادل در نمونه­ رسوب در محدوده  14/84  تا 55/104 تغییر می­کند.

بحث و نتیجه گیری: نتایج  این پژوهش نشان می­دهد رسوبات این ناحیه آلوده به  ¹³⁷Cs است که نمایانگر انتقال غبار ناشی از سوانح هسته­ای از خارج از مرزهای کشور می­باشد.  مقدار میانگین Ra_eq درنمونه­ی رسوب مورد مطالعه Bqkg^-1 34/93 به دست آمده است که از مقدار میانگین جهانی (Bqkg^-17/139) کم­تر است. به نظر می­رسد که آلاینده­ها  در حوضچه­های آرامش حذف می­گردند و مواد پرتوزای کمی وارد تالاب می شود.

واژه­های کلیدی: پرتوزایی محیطی، آشکارساز HPGe، رادیوم معادل، تالاب میقان.

Assessment of Environmental Radioactivity in Sediments, Water and Reed Samples at the Inlet of Wastewater Treatment Plant to Arak Meyghan Wetland

Reza Pourimani^[4]*

rpourimani@araku.ac.ir

 Ramin Fardad^[5]

Mahmoud Mirzaei^[6]

Abstract

Background and Objective: Radionuclides are naturally occurring in water, soil, plants and air, and today, industrial and urban pollutants are also effective in increasing its level. As part of this research, the impact of Arak wastewater treatment plant production on environmental radiation in the Meyghan wetland entrance area was examined.

Material and Methodology: In this study, 10 sediment samples, 10 water samples and 10 reed samples from the water input zone from the Arak wastewater treatment plant to Meyghan wetlands were collected. The specific activities of radionuclides were determined using gamma ray spectrometry method employing high purity germanium detector (HPGe) and maps of the distribution of radionuclides in this area were prepared for sediment and water samples.

Findings: The average values ​​of specific activity of ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K and ¹³⁷Cs in sediment samples were 22.86, 27.26, 409.04 and 6.34, and in water samples 2.67, 3.04, 23.7 and 0.37 as well as in reed samples 8.8, 9.59, 45.66 and 2.26 in Bqkg^-1, respectively. The amount of radium equivalent activity in sediment samples ranges from 84.14 to 104.55, with an average of 93.34 in Bqkg^-1.

Discussion and Conclusion: The average Ra_eq value in the sediment samples obtained as 93.34Bqkg^-1, which is less than the global average (139.7Bqkg^-1). It seems that the pollutants are removed from the water taken in calm ponds and the treatment section by active sludge, and the water entering the wetlands contains a small amount of radioactive contaminants.

Keywords: Environmental Radioactivity, HPGe Detector, Radium Equivalent, Meyghan Wetland.

مقدمه

تابش­های یون­ساز، جزء جدایی‌ناپذیر طبیعت به‌حساب می‌آیند. اکثر این پرتوها ناشی از پرتوزایی طبیعی و مصنوعی حاصل از فرایندهای بشری می‌باشند. هسته­های پرتوزای طبیعی موجود در پوسته زمین شامل سری­های واپاشان ²³⁵U،  ²³²Thو  ²³⁸Uو دختران پرتوزای آن­ها و ویژه­هسته­های پرتوزای منفرد مانند ⁴⁰K هستند (1). این ویژه‌هسته­ها از ابتدای شکل­گیری کره زمین وجود داشته و بسته به نوع خاک، سنگ و یا منطقه جغرافیایی، مقادیر متفاوتی از خود نشان می‌دهند (2). در حالت طبیعی مقدار میانگین اورانیوم در پوسته زمینmgkg^-1 7/2 تخمین زده شده است (3). در مورد توریم مقدار میانگین برآورد شده mgkg^-16/9 می­باشد (4). مقدار پتاسیم به عنوان هشتمین عنصر از نظر فراوانی در پوسته زمین 8/2% مواد تشکیل دهنده اندازه‎گیری شده است (5). تابش­های هسته­ای گسیل شده از این عناصر از جمله گاز پرتوزای رادن و فوتون­های گاما  برای بافت­های بدن مضر می­باشند و ممکن است باعث بیماری­هایی نظیر سرطان و یا ناهنجاری­های ژنتیکی گردند (6). امروزه به دلیل استفاده مردم از رادیوداروها، آلودگی ناشی از رخدادهای هسته‌ای در کشورهای دیگر و همچنین آلاینده­های صنعتی نظیر استفاده از سوخت‌های فسیلی در کارخانه­ها و تاسیسات شهری، استفاده از کودهای فسفاته در اراضی کشاورزی سطح پرتوزایی بعضی ازمناطق تغییر می­کند. قسمتی از این مواد به همراه آلاینده‌های صنعتی از طریق دودکش_­ها، فاضلاب و یا روان­آبها جابه‌جا می­شوند. در شهر اراک فاضلاب مناطق مسکونی به همراه نزولات آسمانی جمع­آوری و به تالاب میقان در ضلع شمالی شهر هدایت می­گردد. میزان فاضلاب ورودی به تصفیه‌خانه بین 8/0 تا 2 مترمکعب‌برثانیه متغیر است. قسمتی از این فاضلاب با استفاده از روش لجن‌فعال و قسمتی دیگر از طریق حوضچه­های آرامش تصفیه شده و وارد تالاب میقان می­گردد. آب خروجی از این تصفیه‌خانه ممکن است بعدها به عنوان آب مصرفی در صنعت، فضای سبز شهری و کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد لذا با اندازه‌گیری سطح پرتوزایی ناحیه ورودی به تالاب می‌توان اطلاعاتی در مورد تاثیرات آن کسب کرد. در این پژوهش مقادیر فعالیت‎ویژه هسته­های پرتوزای ²²⁶Ra، ²³²Th، ⁴⁰K و ¹³⁷Cs در نمونه­های خاک، آب و نی‌های روییده شده در محل ورودی آب تصفیه شده به تالاب میقان، اندازه­گیری شده است.  

روش انجام تحقیق

معرفی منطقه تحت بررسی

 محل نمونه­برداری در تالاب میقان واقع در استان مرکزی و 15 کیلومتری شمال شرق اراک در مختصات طول و عرض جغرافیا­یی 826119/49 درجه شرقی و 142065/34 درجه شمالی قرارگرفته است. موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه در شکل (1) نمایش داده شده است.

شکل1- موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه واقع در تالاب میقان

Figure1. Geographical map of studied region in Meyghan wetland

نمونه­برداری و نمونه­سازی

در این تحقیق 10 نمونه رسوب از قسمت­های مختلف ناحیه ریزش آب خروجی تصفیه­خانه به تالاب در مساحت حدود 5000 متر مربع از کف تا عمق 5 سانتی­متری به روش نمونه­برداری تصادفی، 10 نمونه آب سطحی ورودی و 10 نمونه ساقه و برگ نی روییده شده در همان ناحیه برداشت شد. نمونه­های رسوب پس از انتقال به کارگاه نمونه­سازی دانشگاه اراک با استفاده از دو نوع آسیاب فکی و گلوله­ای خُرد و سپس به منظور تهیه نمونه یکنواخت از مش شماره 40 عبور داده شدند و نمونه­های گیاهی با آسیاب گیاهی آسیاب گردیدند(7). به منظور برطرف کردن رطوبت احتمالی، پودرهای آماده شده در کوره با دمای 100 درجه سانتی­گراد به مدت 6 ساعت خشک شدند. نمونه­های آب و نی در ظروف استاندارد مارینلی­بیکر^[7] به‌ترتیب با وزن خالص 800 گرم و 330 گرم و نمونه‌های رسوب در ظروف استاندارد نگین[8] با وزن خالص 300 گرم بسته­بندی و به منظور برقراری تعادل بین هسته‌های  ²²⁶Ra - ²²²Rn و ممانعت از خروج گاز رادن کاملا آب‌بندی شدند. بعد از گذشت مدت 60 روز، از هر نمونه به مدت یک شبانه­ روز (86400 ثانیه) طیف‌گیری به­عمل آمد (8). در جدول 1 مشخصات نمونه­ها شامل کد محل نمونه­برداری همراه با مختصات جغرافیایی آن درج شده است.

بیناب­­نگاری نمونه­ها و ارائه نتایج

طیف نمونه­ها با استفاده از آشکارساز فوق‌خالص‌ ژرمانیومی(HPGe) هم­محور نوع P مدل GCD-30195BSI ساخت شرکتBSI (Baltic Scientific Instrument LTD (005- Latvia))  با قدرت تفکیک انرژی keV95/1 برای خط گامای keV52/1332 مربوط به ⁶⁰Co ثبت شد. کالیبراسیون انرژی و بازدهی طیف­سنجی گاما با استفاده از چشمه استاندارد مخلوط حاوی رادیونوکلوئیدهای ²⁴¹Am، ¹⁵²Eu و ¹³⁷Cs و مواد مرجع RGU ، RGK و  RGThبا فعالیت مشخص انجام و کنترل کیفی در سطح 05/0انجام گرفت.

جدول1- کد و مختصات جغرافیایی نمونه­های خاک جمع آوری شده از تالاب میقان

Table 1. Geographical Coordinate and code of collected samples of meyghan wetland

برای کاهش اثرات تابش زمینه، آشکارساز در مرکز یک حفاظ سربی به ضخامت cm10 با یک لایه درونی مسی به ضخامت mm2 قرار داده شده که پرتوهای نرم کیهانی شامل فوتون­های کم­انرژی و الکترون­ها به وسیله حفاظ سربی به سطح بسیار پایینی تقلیل ­یابند (9). تصحیح تابش زمینه با استفاده از طیف ثبت شده برای ظرف خالی تحت شرایط یکسان صورت گرفت. بر مبنای طیف­های ثبت شده فعالیت‌ویژه هسته‌های ²²⁶Ra، ²³²Th،⁴⁰K  و ¹³⁷Cs در نمونه­ها تعیین گردید. بازدهی مطلق آشکارساز با استفاده از رابطه 1 محاسبه شد (8).

در این رابطه N_i شمارش خالص زیر قله فوتوپیک متناظر با انرژی E_i،  Act فعالیت‌ویژه هسته­های پرتوزای موجود در ظرف استاندارد برحسب Bq، P_n(E_i) احتمال انتشار فوتون گاما با انرژی E_i  به‌ازای هر واپاشی برحسب درصد و T زمان طیف­گیری از نمونه برحسب ثانیه است (8).

اندازه­گیری ویژه فعالیت هسته­های پرتوزا در نمونه­های مورد مطالعه

 مقادیر فعالیت‌ویژه هسته­های پرتوزا با استفاده از تجزیه و تحلیل طیف­های گاما به کمک نرم­افزار GammaVision32 Ortec Software محاسبه گردید. در تجزیه و تحلیل تمامی بیناب­ها، برای تصحیح مربوط به تابش­های زمینه،  بیناب ظرف خالی مارینلی، در شرایط هندسی و زمان یکسان اندازه­گیری، و از بیناب نمونه­ها کسر گردیده است. برای محاسبه فعالیت‌ویژه از معادله 2 استفاده شد:

(2)

در این رابطه،Act  فعالیت نمونه برحسب Bqkg^-1، Net Area سطح زیر پیک تمام­انرژی متناظر با انرژی خاص، e بازدهی آشکارساز در آن­ انرژی،  ^[9]B.R نسبت انشعابی برحسب درصد، t زمان بیناب­نگاری از نمونه برحسب ثانیه و m جرم نمونه برحسب کیلوگرم می­باشد (8). برای اندازه‌گیری ­فعالیت‌ویژه ²²⁶Ra در نمونه­ها، از پرتو گامای ²¹⁴Pb با انرژی keV93/351 و پرتو­­ گامای ²¹⁴Bi با انرژی keV31/609 استفاده شده است و برای تعیین ویژه­فعالیت ²³²Th از دو خط گامای ²²⁸Ac، یکی با انرژی keV21/911 و احتمال واپاشی 6/26% و دیگری با انرژی keV97/968 و احتمال واپاشی 4/17% استفاده شده است. همچنین ­فعالیت­‌ویژه ⁴⁰K و ¹³⁷Cs  با استفاده از خطوط گامای این هسته­­ها به ترتیب با انرژی keV70/1460­ و  keV 66/ 661  تعیین شدند (8).

فعالیت معادل رادیوم(Ra_eq)

5/98% از اثرات رادیولوژیکی سری اورانیوم مربوط به ²²⁶Ra و ویژه­هسته­های پرتوزای دختر آن می­باشد، بنابراین برای تعیین سطح پرتوزایی محیط‌زیست و امکان مقایسه نمونه­ها، کمیتی به نام فعالیت‌ویژه معادل رادیوم(Ra_eq) که بیان­گر اثرات رادیولوژیکی ²²⁶Ra و ²³²Th و دختران آن­ها و ⁴⁰K می­باشد تعریف و طبق رابطه 3 محاسبه می­گردد (6).

یافته­ها

نتایج اندازه­گیری ویژه‌فعالیت هسته­های پرتوزا و فعالیت معادل رادیوم در رسوبات، آب و نی در جدول (2) آمده است. در این جدول برای نمونه­هایی که فعالیت هسته­های پرتوزا کمتر از حد قابلیت تشخیص دستگاه می­باشد با علامت > ومقدار MDA[10] برای آن محاسبه و درج شده است.

بحث و نتیجه­گیری

مقادیر فعالیت‌ویژه ²²⁶Ra، ²³²Th و ⁴⁰K در نمونه­های رسوب به ترتیب در محدوده  44/14 تا 58/26 با میانگین 86/22،  در محدوده 78/22 تا 56/34 با میانگین 26/27 و 84/360 تا 79/447 با میانگین 04/409 به دست آمد. مقادیر میانگین فعالیت‌ویژه این عناصر در نمونه‌های آب به ترتیب 57/2، 04/3 و 70/23 و در نمونه های نی به ترتیب 80/8، 59/9 و 66/45 برحسب Bqkg^-1 به‌دست آمد. مقدار متوسط جهانی ارایه شده برای ²²⁶Ra و ²³²Th و ⁴⁰K در خاک توسط UNSCAER به ترتیب برابر 30، 35 و400 برحسب Bqkg^-1 است (6). مقدار کمیت Ra_eq برای نمونه­ رسوب از 14/84 تا 55/104 با میانگین 34/93 و برای نمونه آبی از 62/3 تا 53/13 با میانگین 73/8 و برای نمونه نی از 42/7 تا 63/38 با میانگین 03/26 بکرل بر کیلوگرم به‌دست آمد. مقدار میانگین ویژه‌فعالیت ¹³⁷Cs در نمونه­‌های رسوب 34/6 برحسبBqkg^-1  به دست آمده است. لذا نتایج این پژوهش نشان می­دهد که رسوبات این منطقه آلوده به سزیوم پرتوزا می­باشد و آلودگی آن درسطح آلودگی خاک­های استان­مرکزی است (10). به منظور مقایسه نتایج به دست آمده در این پژوهش، در جدول (3) نتایج اندازه­گیری فعالیت‌ ویژه­ ­هسته­های پرتوزا در خاک برخی کشورها درج شده است (11-17). که نتایچ این پژوهش نشان می­دهد که پرتوزایی رسوبات در کشور­های مصر، فرانسه و یونان بیشتر و بقیه کشورهای یاد شده در سطح این پژوهش می­باشد. با توجه به نتایج به دست آمده می­توان نتیجه گرفت آلودگی­ها بیشتر در حوضچه­های آرامش و تصفیه‌خانه ته‌نشین شده و مقدار کمی از آن وارد تالاب می­گردد. میزان پرتوزایی ناحیه مورد مطالعه در سطح طبیعی می­باشد و از این نظر خطری سلامتی افراد را تهدید نمی­کند. میانگین پتاسیم  در نمونه­های آب زیاد است، بنابراین برای آبیاری فضای سبز و کشت درختان غیر مثمر از این نظر مفید می­باشد. در شکل­های2 تا4 نقشه توپوگرافی توزیع رادیوم، کمیت رادیوم معادل و سزیم رسم شده است که نقطه S1  محل ورود آب  به تالاب می باشد.

جدول 2- نتایج اندازه­گیری فعالیت ویژه هسته­های پرتوزا در نمونه‌های رسوب، آب و نی در ناحیه تالاب میقان

Table 2. Results of measurement of specific activities of radionuclides in sediment, water and reed samples in meyghan wetland region

جدول3- مقایسه نتایج فعالیت ویژه هسته­های پرتوزای طبیعی در این پژوهش و خاک بعضی از کشورها

Table 3. Comparison the results of specific activities of natural radionuclides in this research with soil of some countries

این نقشه­ها نشان می‌دهند که هرچه از ورودی فاصله بیشتر می­شود مقدار پرتوزایی رادیوم کم می‌شود در نتیجه در ابتدای ورود مقدار ته‌نشینی بیشتر است. در مورد سزیم  نقشه توزیع، عکس این مطلب را نشان می‌دهد و سزیم بیشتر در نقاطی که سرعت آب کم می‌شود رسوب می­کند. در مورد توریم و پتاسیم شکل­های 2 تا 4 نشان می­دهند که توزیع توریم شبیه سزیوم  و پتاسیم شبیه رادیم می­باشد.

شکل 2- نقشه توزیع     ²²⁶Ra  در محل ورودی آب تصفیه­خانه به تالاب میقان 

Figure 2. ²²⁶Ra distribution map at the inlet from the wastewater treatment plant to Meyghan Wetland

شکل 3- نقشه توزیع رادیم معادل در محل ورودی آب تصفیه­خانه  به تالاب میقان

Figure3. Radium equivalent distribution map at the inlet of the wastewater treatment plant to Meyghan wetland 

شکل4-. نقشه توزیع  ویژه هسته ¹³⁷Cs در محل ورودی آب تصفیه‌خانه به تالاب میقان

Figure 4. ¹³⁷Cs distribution map at the inlet of the wastewater treatment plant to Meyghan wetland

تشکر و قدردانی

این تحقیق توسط معاونت پژوهشی دانشگاه اراک تأمین مالی شده است بنابراین نویسندگان بر خود لازم می­دانند از معاونت یاد شده کمال تشکر را داشته باشند.

Reference

1. El-Taher A, Uosif M.A., Orabi A.A., 2007. Natural radioactivity levels and radiation hazard indices in granite from Aswan to Wadi El-Allaqi southeastern desert, Egyptian Radiation Protection Dosimetry, 124(2), 148-154
2. El-Arabi, A.M., 2007. ²²⁶Ra, ²³²Th and ⁴⁰K concentration in igneous rocks from eastern desert Egypt and its radiological implication. Radiation Measurement, 42, 94-100.
3. Singh P, Rana N, Azam A, Naqvi A, Srivastava D., 1996. Levels of uranium in waters from some Indian cities determined by fission track analysis. Radiation Measurements, 26(5), 683-687
4. Firestone B R, Shirley S V, Bagalin M C, Frank Chu SY, Zipkin J. The Edition of Table of isotopes, CD-ROM, John Wiley & Sons Inc
5. Wedepohl , 1995. The composition of the continental crust. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59,1217-1239
6. UNSCEAR, 2008. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Exposure from natural sources of radiation, United Nations publication sales No. 10.IX.3
7. International Atomic Energy Agency. Collection and      Preparation of bottom sediment sample for analysis of radionuclides an trace element. IAEA- TECDOC-1360, IAEA; VIENNA; 2003.
8. Gilmore GR, Practical Gamma-ray Spectrometry, 2nd Edition, Nuclear Training Services Ltd Warrington, UK, 2008; ISBN: 978-0-470-86196-7
9. Aziz A, 1981. International Atomic Energy Agency, Vienna, Methods of Low-Level Counting and Spectrometry Symposium. Berlin. Vol. 221.
10. Pourimani R., Asadpour F., 2016. Determination of Specific Activities of Radionuclides in Soil and Their Transfer Factor from Soil to Bean and Calculation of Cancer Risk for Bean Consumption in Iran. Arak Medical University Journal (AMUJ), 19(107), 9-18.(In Persian)
11. Florou H., Kriditis P., 1992. Gamma radiation measurements and dose rate in the coastal areas of a volcanic island, Aegan Sea, Greece, Radiation Protection Dosimetry. 45 (1), 277–279.
12. Ibrahiem, N.M., Shawky, S.M., Amer, H.A., 1995. "Radioactivity levels in Lake Nasser sediments", Appl. Radiat. Isot. 46 (5), 297–299.
13. Lambrechts A., Foulquier L., Garnier-Laplace J., 1992. "Natural radioactivity in the aquatic components of the main French rivers", Radiat. Prot. Dosim. 45 (1), 253–256.
14. Tsabaris C., Eleftheriou G., Kapsimalis V., Anagnostou C., Vlastou R., Durmishi C., Kedhi M., Kalfas C.A., 2007. " Radioactivity levels of recent sediments in the Butrint Lagoon and the adjacent coast of Albania", Appl. Radiat. Isot. 65 (4), 445–453.
15. Ligero R.A., Ramos-Lerate I., Barrera M., Casas-Ruiz M., 2001. Relationships between sea-bed radionuclide activities and some sedimentological variables. J. Environ. Radioact. 57, 7–
16. Benamar M.A., Zerrouki A., Idiri Z., Tobbeche S., 1997. Natural and artificial levels in sediments in Algiers Bay. Appl. Radiat. Isot. 48 (8),1161–
17. Doretti L., Ferrar D., Barison G., Gerbasi R., Battiston G., 1992. Natural radionuclides in the muds and waters used in thermal therapy in Abano Terme, Italy. Radiat. Prot. Dosim. 45 (1), 175–

[1] - دانشیار، دانشکده علوم پایه، دانشگاه اراک، اراک، ایران. ^*(مسوول مکاتبات)

[2] - دانش آموخته کارشناسی ارشد فیزیک هسته­ای، گروه فیزیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

- [3]  دانشیار، دانشکده علوم پایه، دانشگاه اراک، اراک، ایران.

[4]- Associate Professor, Department of Physics, Faculty of Science, Arak University, Arak, Iran *(Corresponding Author)

[5]- M.Sc., Nuclear Physics, Department of Physics, Faculty of Science, Arak University, Arak, Iran

[6]- Associate Professor, Department of Physics, Faculty of Science, Arak University, Arak, Iran

[7]- Marinelli Beaker

[8]- Negin

[9]- Branching Ratio

[10]- Minimum detectable activity