ارزیابی تاثیر کارخانه آلومینای جاجرم در آلودگی خاک سطحی منطقه به عنصر سرب

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره هجدهم، ویژه نامه شماره2، پاییز 1395

ارزیابی تاثیر کارخانه آلومینای جاجرم در آلودگی خاک سطحی منطقه

 به عنصر سرب

مهدی الهی[1]*

mehdielahi61@gmail.com

سهیلا رضایی تبار ^[2]

عبدالعلی وحدانی[3]

محمد شریف فاضلی[4]

چکیده

زمینه و هدف: حضور فلزات سنگین در بخش­های مختلف محیط زیست (از جمله خاک)، اثرات زیان­بار را بر سلامت موجودات زنده به­دنبال دارد. یکی از مهم­ترین منابع انتشار این عناصر در محیط زیست، صنایع و معادن می­باشند. لذا در تحقیق حاضر به ارزیابی تاثیر کارخانه­ی آلومینای جاجرم در آلودگی خاک سطحی منطقه به عنصر سرب، پرداخته شده است.

روش بررسی: نمونه برداری از خاک سطحی (عمق>  10 سانتی­متر) با در نظر گرفتن جهت وزش باد غالب (شمال غربی – جنوب شرقی) و فاصله از کارخانه، از 38 ایستگاه در محدوده­ای به شعاع 10 کیلومتری اطراف کارخانه به اضافه یک ایستگاه شاهد در فاصله 20 کیلومتری کارخانه، در تابستان 1387 انجام شد. پس از آماده سازی نمونه­ها، غلظت سرب توسط دستگاه جذب اتمی فیلیپس مدل 9400 PU اندازه گیری شد.

یافته­ها: مقایسه میانگین غلظت سرب در چهار جهت اصلی جغرافیایی کارخانه، مبین اختلاف معنی­دار بین آن­ها بود (05/0p < ) که علی­رغم جهت وزش باد غالب، بیش­ترین میانگین غلظت سرب در جهت شمال کارخانه (34/27 میلی­گرم بر کیلوگرم) و کم­ترین آن در جهت جنوب کارخانه (40/9 میلی­گرم بر کیلوگرم) مشاهده شد. همچنین بررسی همبستگی غلظت سرب در خاک سطحی منطقه با فاصله از کارخانه (در چهار جهت اصلی) بیان­گر ارتباط مثبت و معنی­دار بین دو فاکتور مذکور در جهت شرق کارخانه بود.

نتیجه­گیری: نتایج تحقیق حاضر نشان داد که کارخانه­ی آلومینای جاجرم تاثیری بر آلودگی خاک سطحی منطقه به عنصر سرب ندارد.

واژه­های کلیدی: سرب، خاک سطحی، کارخانه­ی آلومینای جاجرم، سنگ معدن بوکسیت.

The Impact of Jajarm Alumina Plant on Topsoil Contamination with Lead

Mehdi Elahi ^[5]*

mehdielahi61@gmail.com

Soheila Rezaitabar ^[6]

Abdolali Vahdani ^[7]

Mohamadsharif Fazeli[8]

Abstract

Background and Objective: Presence of heavy metals in different parts of the environment (such as, soil) has adverse effects on organisms’ health. The main sources releasing these pollutants to the environment are industries and mines. Therefore, in this study, the effect of Jajarm Alumina plant (located in North Khorasan province) on contamination of topsoil with Lead (Pb) around the factory, has been proceed.

Method: Sampling of topsoil (depth < 10 cm) was carried out in 2008, considering the dominant wind direction (Northwest-Southeast) and distance from factory. 38 sites in 10 km of radius around the factory and also one evidence site 20 km away from the factory were studied. After preparing samples, Pb concentration was measured by atomic absorption spectrometry (Philips, PU 9400).

Results: Comparison of mean concentration of Pb in main geological directions of the factory, showed a significant difference between them (p < 0.05). Despite the direction of dominant wind, maximum and minimum mean concentrations of Pb were observed in the north (27.34 mg/kg) and south (9.40 mg/kg) respectively. Also, investigation of relationship between Pb concentrations with distance from the factory (in main geological directions) showed a positive significant correlation in the east of the factory.

Conclusion: Overall, results showed that Jajarm Alumina plant has not a significant effect on topsoil contamination with Pb.

Keywords: Lead, Topsoil, Jajarm Alumina plant, Bauxite ore.

مقدمه

خاک می­تواند به عنوان منبعی جهت انتقال آلاینده­ها به آب­های زیرزمینی، زنجیره غذایی و در نهایت بدن انسان تلقی شود. به­خصوص در مناطق شهری و صنعتی، خاک می­تواند بر حیات و سلامتی انسان­ها اثر بگذارد. فلزات سنگین به دلیل فراوانی، سمیت و پایداریشان نسبت به سایر آلاینده­های خاک، از اهمیت بیش­تری برخوردارند (1). سرب (Pb) یکی از سمی­ترین فلزات سنگین شناخته شده است (2). که همه ترکیبات آن مضر و تجمع­یابنده هستند. از عوارض ورود سرب به بدن انسان می­توان به سردرد، اختلال در سیستم عصبی و گوارشی و کاهش هوش در کودکان اشاره نمود (3). مسمومیت بالای سرب به علت تمایل اتصال آن به گروه سولفیدریل (SH) پروتیین­ها می­باشد به طوری که با اتصال غیر قابل برگشت، باعث ایجاد اختلال در فعـالیت پروتییـن می­شود (4). مهم­ترین منابع انسانی انتشار سرب به محیط­زیست، وسایل نقلیه، کارخانه­های رنگ­سازی، باتری سازی، ذوب و تصفیه­ی فلزات و معادن می­باشد (5، 6 و 7).

کارخانه­ی آلومینا، یکی از صنایعی است که با استفاده از سنگ معدن بوکسیت، آلومینا (Al₂O₃) را که ماده اصلی ساخت آلومینیوم است تولید می­نماید. گل قرمز یکی از تولیدات فرعی استخراج آلومینا از سنگ معدن بوکسیت در روش بایر (Bayer) در صنعت آلومینا است که حاوی مقادیر متفاوتی از ترکیبات فلزی و آلاینده (بسته به نوع بوکسیت مصرفی) می باشد. از آن­جایی که نسبت تولید گل قرمز به آلومینا زیاد بوده (350 الی 450 کیلوگرم به ازای هر تن آلومینا) و اغلب به صورت سد باطله در نزدیکی کارخانه تل انبار می­شود، مهم­ترین نگرانی محیط­زیستی این صنعت در سراسر جهان به شمار می­آید (8). مهم­ترین مسیرهای انتشار آلاینده­ها به محیط اطراف این صنعت عبارتند از: الف) خروجی دودکش ب)معدن­کاوی و ج) دفع مواد زاید به­صورت سد باطله.

لذا هدف از تحقیق حاضر، ارزیابی تاثیر کارخانه­ی آلومینای جاجرم بر آلودگی خاک­های سطحی در چهار جهت اصلی اطراف کارخانه به عنصر سرب می­­باشد.

تحقیقات مشابهی در زمینه بررسی میزان فلزات سنگین در خاک­های سطحی نواحی اطراف صنایع و کارخانجات صورت گرفته است. هودجی و جلالیان در سال 1383 به بررسی غلظت سرب در خاک­های اطراف مجتمع فولاد مبارکه، با در نظر گرفتن باد غالب (جنوب غربی-شمال شرقی) پرداختند و مشخص شد که بیش­ترین غلظت سرب در جهت غربی مجتمع فولاد و در عمق صفر تا 5 سانتی متری خاک برابر با 3/14 میلی­گرم بر کیلوگرم بود (9). Al-khashman و Shawabkeh در سال 2006 به بررسی توزیع فلزات سنگین از جمله سرب در خاک‌های اطراف یک کارخانه سیمان در جنوب اردن پرداختند. نتایج تحقیق آن­ها نشان داد که غلظت بالای سرب در نمونه‌های خاک منطقه در اثر وجود منابع انسان ساخت از قبیل کارخانه، فعالیت‌های کشاورزی و ترافیک بالا بود (10). در سال 2008، Fu و همکاران به بررسی غلظت سرب در زمین­های اطراف یک منطقه بازیافت زباله­های الکتریکی پرداختند. نتایج تحقیق آن­ها مشخص کرد که غلظت سرب در خاک منطقه مورد مطالعه 81/55 میلی­گرم بر کیلوگرم بود (11). Parizanganeh و همکاران، به برسی غلظت سرب در اطراف مجتمع صنعتی روی در زنجان پرداختند. نتایج تحقیق آن­ها نشان داد که غلظت سرب در خاک سطحی منطقه 63 میلی­گرم بر کیلوگرم بود که منبع انشار آن در محیط را وجود صنایع روی در منطقه دانستند (12). در سال 1999، Ullrich و همکاران به بررسی غلظت سرب در اطراف منطقه معدن­کاوی و ذوب فلزات سرب و روی در خاک سطحی (1-10 سانتی­متر) نزدیک شهر Bytom لهستان پرداختند. نتایج تحقیق آن­ها نشان داد که غلظت سرب در خاک سطحی منطقه 430 میکروگرم بر گرم بود (13).

روش بررسی

منطقه مورد مطالعه

شهرستان جاجرم در جنوب غربی استان خراسان شمالی و کارخانه آلومینا در فاصله 7 کیلومتری شمال شرقی این شهرستان واقع شده است. منطقه مورد مطالعه، دایره­ای به شعاع تقریبی 10 کیلومتر (منطقه تحت تاثیر مستقیم کارخانه) به مرکزیت کارخانه می­باشد (مختصات منطقه نمونه­برداری طبق سیستم UTM برای X 457410 - 440790 و برای Y 4099510 – 4085790 می­باشد). سنگ معدن بوکسیت مورد استفاده در این کارخانه، از معدنی که در فاصله 4 کیلومتری شمال کارخانه قرار دارد تامین می شود. همچنین پسماندهای کارخانه که گل قرمز نامیده می شود نیز در فاصله 2 کیلومتری از کارخانه در جهت شرق، تخلیه و تشکیل سد باطله را می دهد. طبق اطلاعات بدست آمده از سازمان هواشناسی، جهت باد غالب در این شهرستان، شمال غربی- جنوب شرقی می باشد.

نمونه برداری

نمونه برداری در تابستان 1387 انجام گرفت. به منظور تعیین ایستگاه­های نمونه برداری، ابتدا منطقه به چهار قسمت شمالی، شرقی، جنوبی و غربی تقسیم بندی شد. موقعیت ایستگاه­ها
با توجه به فاصله از کارخانه، جهت باد غالب و امکان تداخل
منابع آلودگی مربوط به سایر مراکز صنعتی به صورت تصادفی - منظم (مختلط) انتخاب شد. بدین صورت که در نزدیکی کارخانه و در قسمت جنوب شرقی، تعداد ایستگاه­های بیش­تری نسبت به فواصل دورتر و قسمت شمال غربی تعیین و جمعاً تعداد
38 ایستگاه به اضافه یک ایستگاه شاهد (در فاصله 20 کیلومتری از کارخانه) مشخص شد (شکل 1). در هر ایستگاه، جهت افزایش
دقت نمونه­برداری، تعداد 3 نمونه خاک سطحی منطقه توسط بیلچه ضد زنگ از عمق 0- 10 سانتی­متر برداشت شده و پس از ادغام، همگن سازی و کدگذاری، توسط کیسه­های نایلونی
به آزمایشگاه منتقل شدند.

آماده سازی نمونه ها

جهت تعیین غلظت سرب، نمونه­های خاک به ­مدت 72 ساعت در دمای 60 درجه سانتی گراد در آون قرار گرفتند. پس از
خشک شدن کامل و کوبیدن، نمونه­ها از الک 2 میلی­متر عبور داده شده و برای مراحل بعدی آماده شدند (14).

جهت هضم نمونه­ها ابتدا 1 گرم از نمونه خاک خشک شده توزین و به داخل ظروف پلی اتیلن منتقل گردید و روی حمام آبی (با دمای داخلی 100 درجه سانتی­گراد) قرار داده شد. سپس 5 میلی­لیتر اسید فلوئوریدریک (HF) به نمونه­ها اضافه شد.
سپس 10 میلی­لیتر اسید نیتریک (HNO₃) و 5 میلی­لیتر اسید کلریدریک (HCL) مجددا به نمونه­ها اضافه گردید (15). پس از پایان هضم و سرد شدن ظروف و محتویات داخل آن­ها، نمونه­ها از کاغذ صافی واتمن 42 عبور داده شده و با آب دیونیزه به حجم 25 میلی لیتر رسیدند و آماده قرایت با دستگاه جذب اتمی فیلیپس مدلPU 9400  شدند.

شکل 1- موقعیت منطقه مورد مطالعه و ایستگاه­های نمونه­برداری

Figure 1- Location of the study area and sampling stations

پردازش آماری داده­ها

به منظور نمایش گرافیکی و پردازش آماری داده­ها از نرم­افزارهای Excel و SPSS ویرایش 5/11 استفاده شد. ابتدا با استفاده از آزمون Shapiro-Wilk تابعیت داده ها از توزیع نرمال مورد ارزیابی قرار گرفت. جهت مقایسه میانگین غلظت سرب در چهار جهت اصلی جغرافیایی کارخانه، به علت نرمال نبودن (و نشدن) داده ها، برای ارزیابی کلی جهات از آزمون Kruskal-Wallis استفاده گردید و به منظور مقایسه دو به دو بین جهات جغرافیایی از آزمون Mann-Whitney U استفاده شد. جهت بررسی همبستگی غلظت سرب در خاکهای سطحی اطراف کارخانه آلومینا با فاصله از کارخانه، از آزمون Pearson و Spearman استفاده شد. همچنین جهت مقایسه میانگین غلظت سرب در ایستگاههای نمونه­برداری با ایستگاه شاهد و با حد مجاز غلظت سرب MAC در سایر کشورها از آزمون Binomial استفاده شد. لازم به ذکر است که نقشه پهنه­بندی آلودگی منطقه، با استفاده از روش Interpolation در نرم افزار ILWIS ترسیم شد.

یافته ها

در جدول 1 برخی از نتایج مربوط به غلظت سرب در خاک سطحی، در چهار جهت اصلی کارخانه نشان داده شده است.

جدول 1- نمایه­های آماری مربوط به غلظت سرب (میلی­گرم بر کیلوگرم) در نمونه­های خاک منطقه مورد مطالعه

Table 1- Statistical indices of Pb concentration (mg/kg) in the soil

در تحقیق حاضر به ­منظور نمایش بهتر چگونگی توزیع و پراکنش میزان سرب در خاک­های سطحی اطراف کارخانه آلومینای جاجرم، نقشه پهنه بندی غلظت سرب با استفاده از نرم افزار ILWIS تهیه شد (شکل 2).

شکل 2- نقشه پهنه­بندی آلودگی خاک منطقه مورد مطالعه به سرب

Figure 2- Map of the Pb distribution in the study area

نتایج تحقیق حاضر نشان داد که بین غلظت سرب در جهات شمال و شرق با جهات جنوب و غرب کارخانه اختلاف معنی­داری وجود دارد (شکل 3) که بیش­ترین مقدار غلظت سرب در جهت شمالی کارخانه (35/5 ± 34/27 میلی­گرم بر کیلوگرم) و کم­ترین مقدار آن در جهت جنوبی کارخانه (427/0 ± 40/9 میلی­گرم بر کیلوگرم) مشاهده شد.

شکل 3- مقایسه میانگین غلظت سرب بین چهار جهت اصلی کارخانه

Figure 3- Comparison of mean concentration of Pb in main geological directions of the factory

همچنین ارتباط بین دو فاکتور فاصله از کارخانه و غلظت سرب در خاک سطحی منطقه در جهات مختلف بررسی گردید و مشخص گردید که همبستگی مثبت معنی­داری بین غلظت سرب در جهت شرق کارخانه با فاصله از کارخانه وجود دارد، در سایر جهات (اگر چه ضریب همبستگی منفی و قابل قبولی داشتند)، همبستگی معنی­داری یافت نشد (05/0p >) (شکل 4).

شکل 4- نمودار همبستگی بین غلظت سرب در خاک منطقه مورد مطالعه با فاصله از کارخانه در جهات مختلف

Figure 4- Correlation between Pb concentration in soil and distance to the factory

با توجه به این­که در کشور ایران استانداردی ملی برای حد مجاز غلظت سرب در خاک تعریف نشده است، در تحقیق حاضر میانگین غلظت سرب در منطقه مورد مطالعه با حداکثر غلظت مجاز سرب در برخی کشورها مورد مقایسه قرار گرفته است (16) (جدول 2). نتایج تحقیق حاضر نشان داد که میانگین غلظت سرب در خاک سطحی اطراف کارخانه آلومینای جاجرم به­طور معنی­داری پایین­تر از حداکثر غلظت مجاز سرب در سایر کشورهای ارایه شده در جدول 2 می­باشد.

همچنین مقایسه میانگین غلظت سرب در خاک منطقه با میانگین غلظت سرب در ایستگاه شاهد (46/10 میلی­گرم بر کیلوگرم) نشان داد که اختلاف معنی­داری بین آن­ها وجود ندارد.

جدول 2- حداکثر غلظت مجاز (MAC) سرب در خاک بعضی کشورها

Table 2- Maximum Acceptable Concentration of Pb in soil of different countries

بحث و نتیجه­گیری

بر اساس تحقیق حاضر، بیش­ترین غلظت سرب در خاک سطحی منطقه، در جهت شمالی و شرقی و کم­ترین میزان آن در جهت جنوبی و غربی کارخانه مشاهده شد که این اختلاف غلظت، بین جهت شمال با جهات جنوب و غرب و بین جهت شرق با جهات جنوب و غرب معنی دار بود. اما بین جهات شمالی با شرقی یا جنوبی با غربی اختلاف معنی­داری یافت نشد (شکل 3). با توجه به جهت وزش باد غالب در منطقه (شمال غربی- جنوب شرقی) و تاثیر آن بر گردوغبار تولیدی کارخانه، انتظار می­رفت که بیش­ترین غلظت سرب در جهت جنوب شرقی کارخانه مشاهده شود. ولی با نتایج مذکور می­توان نتیجه گرفت که گردوغبار تولیدی کارخانه، تاثیری بر آلودگی خاک سطحی مناطق اطراف کارخانه نداشته است. دلیل مشاهده بیش­ترین غلظت سرب در جهت شمال و شرق را می­توان به­خاطر وجود معدن بوکسیت و سد باطله در این جهات دانست.

 بررسی همبستگی دو فاکتور غلظت سرب در خاک سطحی و فاصله از کارخانه، بر اساس این فرضیه شکل گرفت که با افزایش فاصله از کارخانه، غلظت سرب در خاک سطحی کاهش می­یابد زیرا کارخانه به­عنوان منبع آلودگی در نظر گرفته شده بود. نتایج آزمون همبستگی Pearson و Spearman نشان داد که ارتباط معنی­داری بین دو فاکتور مذکور در جهت شرق کارخانه وجود دارد که این ارتباط مثبت بود (با افزایش فاصله از کارخانه غلظت سرب نیز افزایش می­یافت). دلیل این ارتباط مثبت را می­توان به حضور سد باطله در شرق کارخانه نسبت داد. در سایر جهات (شمال، غرب و جنوب) ارتباط منفی بین دو فاکتور مذکور یافت شد ولی این روابط معنی­دار نبوند= (ضریب همبستگی بدست آمده برای شمال، شرق، غرب و جنوب به­ترتیب عبارتند از: 33/0– ، 5/0، 32/0– و 43/0–). از آن­جایی که عوامل فیزیکوشیمیایی متعددی هم­چون اسیدیته، سنگ بستر، مواد آلی، کربنات‌ها، ظرفیت تبادل کاتیونی و هدایت الکتریکی در تغییرپذیری و دسترسی فلزات در خاک نقش دارند (10)، مقدار سرب موجود در خاک را نمی­توان به­طور قطع پیامد فعالیت کارخانه آلومینا دانست. از طرف دیگر K.S patel و همکاران گزارش کردند که سرب به­طور طبیعی به میزان 13 میلی­گرم بر کیلوگرم در پوسته زمین وجود دارد (17). بنابراین با توجه به میانگین غلظت سرب در منطقه مورد مطالعه (78/14 میلی­گرم بر کیلوگرم) می­توان نتیجه گرفت که این میزان طبیعی است و خوشبختانه فعالیت کارخانه تاثیر چندانی بر غلظت سرب در خاک سطحی منطقه نداشته است.

تشکر و قدردانی

بدین وسیله از حمایت­های اداره کل حفاظت محیط­زیست استان خراسان شمالی جهت انجام تحقیق حاضر تشکر و قدردانی می­شود.

منابع

1-      Poggio, L., Vrscaj, B., Schulin, R., Hepperle, E., Marsan, F.A., 2009. Metals Pollution and Human Bioaccessibility of Topsoils in Grugliasco (Italy). Environ Poll, Vol. 157, pp. 680-689.

2-      Joel, G.H., 1996. The pharamacological Basis of Therapeutics.McGraw.Hil, 9th Ed. Newyork. 1650-1654.

3-      Merian, E., 1992. Metals and their compounds in the environment: Occurrence, Analysis, and Biological Relevance. Wiley-VCH. 1439 pages.

4-      Behrman, R., Kliegman, E., Jenson, R.M., H.B. 2000. Lead poisoning’-Nelson Textbook of pediatries. WB.Saunders Co.16 ed, Vol. 2, pp. 2010-2013.

5-      Cannon, H.L., Bowless, J.M., 1962. Contamination of vegetables by tetraethyl lead. Science, Vol. 137(3532), pp. 765-766.

6-      Huang, P.M., Iskandar, I.K., 2000. Soils and ground water pollution and remediation: Asia, Africa, and Ocean. Lewis Publishers. Boca Rotan. London, New York, Washington D.C.

7-      Tiller, K.G., 1989. Heavy metals and their environmental significance, pp. 113-142. In: B.A. Steward (ed.) Advances in soil science. 4: New York. Springer Verlage.

8-      Alvarado, J., Petrola, A., 1989. Determination of cadmium, chromium, lead, silver and gold in Venezuelan red mud by atomic absorption spectrometry. Journal of analytical atomic spectrometry, Vol. 4, pp. 411- 414

9-      هودجی، جلالیان، 1383، پراکنش آهن، روی و سرب در خاک و محصولات اطراف کارخانه فولاد مبارکه اصفهان، مجله مطالعات زیست محیطی، شماره 36، صفحه 15-26.

10-  Al-khashman, O.A., Shawabkeh, R.A., 2006. Metals distribution in soils around the cement factory in southern Jourdan. Environ Poll, Vol. 140(3), and pp. 387-394.

11-  Fu, J., Zhou, Q., Liu, J., Liu, W., Wang, Th., Zhang, Q., Jiang, G., 2008. High levels of heavy metals in rice (Oryza sativa L.) from a typical E-waste recycling in southeast China and its potential risk to human health. Chemosphere, Vol. 71, pp. 1269-1275.

12-  Parizanganeh, A., Hajisoltani, P., Zamani, A., 2010 a. Assessment of heavy metal pollution in surficial soils surrounding zinc industrial complex in Zanjan- Iran. Procedia, Vol. 2, pp. 162-166.

13-  Ullrich, S.M., Ramsey, M.H., Helios-Rybicka, E., 1999. Total and exchangeable concentrations of heavy metals in soils near Bytom, an area of Pb/Zn mining and smelting in Upper Silesia, Poland. Applied geochemistry, Vol. 14, pp. 187-196  .

14-  Lee, C.G., Chon, H.T., Jung, M.C., 2001. Heavy metal contamination in the vicinity of the Daduk Au-Ag-Pb-Zn mine in Korea. Applied Geochem, Vol. 16, pp. 1377-1386.

15-  ASTM. 2000. Annual book of ASTM Standards ASTM. Vol: 11. 01, pp. D1971-95. D-4691-96.

16-  Parizanganah, A., Hajisoltani, P., Zamani, A., 2010 b. Concentration, distribution and comparsion of total and bioavailable metals in top soils and plants Accumulation in Zanjan zinc industrial town-Iran. Procedia, Vol. 2, pp. 167- 174.

17-  Patel, K.S., Shrivas, K., Hoffmann, P., Jakubowski, N., 2006. A survey of lead pollution in Chhattisgarh State, central India, Environmental Geochemistry and health, Vol. 28, pp. 11-17.