تاریخ تمدن، به¬ویژه تمدن شهری، تاریخ آب است- تاریخ نیاز اساسی به تأمین آب آشامیدنی پاک، تازه و عاری از بیماری و درعین‌حال دفع پسماند حجم زیادی از پساماندهای انسانی و حیوانی متعفن و بیماری¬زا. حداقل از زمان فنیقی¬ها تا امروز رشد مراکز کلانشهری اصلی جهان- روم، پاریس، لندن، نیویورک، پکن- بر این اساس که آنها تا چه میزان به‌خوبی توانسته¬اند مسئله تأمین آب و دفع پسماند را حل کنند تعریف شده است.

 چالش تأمین آب و دفع پسماند مستقیماً با تراکم جمعیت ارتباط دارد. در دوران پیشا¬تاریخ و حتی در بسیاری از مناطق فقیر امروزی، «کود‌دادن شبانه »ی کشتزارهای باز و زمین¬های زراعی، غیرعادی نبوده، تا شاید [به این طریق] خطر تضمین‌نشدۀ ایجاد بیماری به جمعیت، یا فشار سنگینی به محیط¬زیست تحمیل نشود. در شرایط کشاورزی روستایی، هم تأمین آب آشامیدنی و هم دفع ایمن پسماند، تنها مشکلاتی کوچک هستند. اغلب خود طبیعت، بدون مداخله بشر، سازوکارهایی را فراهم کرده که توسط آن آب پالایش شده و آلاینده‌های آن تصفیه می¬شود. هرکجا تراکم جمعیت کم باشد احتیاط سادۀ نگهداری منزل دور از چاه آب، برای تضمین سلامت بشر کافی است.

افزایش تراکم جمعیت مستلزم راه¬حل¬های سالم¬سازی به‌طور فزاینده پیچیده است. حداقل سه مسئله زیست¬محیطی اصلی وجود دارد که باید در هنگام دفع پسماندهای انسانی و حیوانی مورد توجه قرار گیرد: (1) کاهش مواد جامد ارگانیک و غیر ارگانیک، (2) کاهش تقاضا برای اکسیژن در آب پسماند¬ها که پیامد ناخالصیِ حل‌نشده و معلق مواد ارگانیک است و (3) کاهش غلظت مواد مغذی و شیمیایی که همیشه مشخصه مواد پسماندهاست.

هنگامی که تراکم جمعیت از تراکم سطح روستا و کشاورزی بالاتر می¬رود، باید به دنبال برخی از راه¬حل¬های مهندسی‌شده برای مسئله دفع پسماند باشیم. سیستم¬های چاه مستراح و فاضلاب مدتی طولانی چنین راه¬حل¬هایی را در بسیاری از مناطق حومه شهری جهان ارائه می¬کردند. یک چاه مستراح از یک مخزن زیرزمینی با چاله‌های بسیار در آن، کمی بهتر است. پسماندهای خانگی وارد یکی از محفظه¬‌های (ته¬نشینی) مخزن زیرزمینی می¬شود و آب سرریز آن می‌تواند به خاک اطراف محفظه نشت کند. میکروب¬های طبیعی یا جدید و آنزیم¬های مخزن چاه مستراح مواد ارگانیک جریان پسماند را تجزیه می¬کنند، درحالی‌که خود مخزن مواد غیر قابل تجزیه را ذخیره می¬کند. ارگانیسم¬های خاک و گیاهان اطراف و بالای مخزن مقدار بیشتری از آب پسماند را پالایش و مقداری، اگر نه همه، از ناخالصی شیمیایی را می¬گیرد. چاه‌های مستراح در طی زمان انباشته شده و نیازمند پاکسازی و بازکردن آبریز مستراح جهت عملکرد مؤثرتر هستند. سیستم¬های فاضلاب خانگی نسبت به چاه‌های مستراح پیشرفت اندکی دارند -سرریز جریان آب فاضلاب از مخزن فاضلاب از طریق یک مشبک از لوله‌های سوراخ‌داری خارج می¬شود که در سطحی کم‌عمق در خاک جاسازی شده¬اند. جریان آهسته آب از طریق شبکه میدان اطراف فاضلاب، تجزیه مواد ارگانیک و جذب مواد مغذی و مواد شیمیایی توسط ارگانیسم¬های خاک و گیاهان را افزایش می¬دهد. سیستم‌های فاضلاب به حفاظت کمتری نیاز دارد اما نیازمند منطقه بزرگی مثل چمنزار یا زمینی باز است که اغلب در مراکز شهری قابل دسترسی نیست.

هم چاه مستراح و هم سیستم¬های فاضلاب نمی¬توانند 100 درصد ناخالصی مواد ارگانیک، مواد مغذی و مواد شیمیایی را از پسماند¬های خانگی معمولی حذف کنند. افزایش استفاده از مواد شوینده، صابون و دیگر مواد شیمیایی در خانه¬داری مدرن باری اضافی و روبه‌رشد بر توانایی سیستم¬های دفع پسماند خاص منزل تحمیل کرده¬اند. در برخی اوقات منحنی رشد جمعیت نظام‌های شهری، چاه مستراح و سیستم¬های فاضلاب خانگی، دیگر جایگزینی کاربردی نیستند و باید از برخی روش‌های دیگر برای حل مسئله فاضلاب استفاده کرد. یکی از جالب‌ترین نمونه‌های این نوع تغییرروش در دوران مدرن، توسط بخش‌های ناسو و سافلک در لانگ آیلندِ نیویورک  ارائه شده است. آنچه که زمانی مزارع روستایی بود بعد از جنگ جهانی دوم به‌سرعت به حومه شهری تبدیل شد. دفع پسماند¬های خانگی در اصل از طریق چاه مستراح و سیستم فاضلاب خانگی انجام می¬گرفت- که هر دو به ناحیه¬ای وسیع نیاز داشتند. اما با گذر زمان، این سیستم¬های خاص منازل، باری اضافی از مواد مغذی را بر سیستم آب زیرزمینی جزیره تحمیل کردند- یک منبع آب آشامیدنی که کل اجتماع ساکن در حومه شهر به آن وابسته بود. غلظت یک ماده مغذی خاص، نیترات غیر ارگانیک محلول، محرّکی بود که منجر به مهندسی کامل هر دو سیستم دفع پسماند¬ شد- یک پروژه در حال ساخت با حجمی عظیم که هنوز هم ادامه دارد. سطح بالای نیترات منجر به «سندورم بچه آبی » شد؛ شرایطی که طی آن نوزادان تازه‌متولد‌شده به سختی نفس می¬کشند. یک راه¬حل، وصل‌کردن خانه‌های واقع در هردوی این بخش‌ها به سیستم¬های فاضلابی بود که به کارخانجات مرکزی تصفیه متصل می¬شدند. تقریباً لازم بود تا همه خیابان¬ها و بزرگراه‌ها را حفاری کنند، همه چمنزارهای خانگی را بکنند و لوله‌های فاضلاب را نصب کنند. به‌علاوه، مکانی برای کارخانجات عظیم تصفیه لازم بود که همیشه مورد استقبال قرار نمی¬گرفت.

از قرن نوزدهم در شهرهای اصلی کارخانه‌های تصفیه فاضلاب ساخته شدند. اساساً سیستم پس¬آب شامل شبکه¬ای از لوله‌های جمع¬آوری از محیط شهری بود که با استفاده از نیروی جاذبه به تجهیزات مرکزی که معمولاً در کمترین ارتفاع موجود واقع شده بود -یا در کنار ساحل یا یک رودخانه- هدایت می¬شد. در آغاز، تجهیزات تصفیه صرفاً مخزن¬های رسوب-گیری بودند که طی آن با «چیزهای شناور » و رسوبات انباشته، و سپس به‌صورت لجن دفن می¬شدند. این نوع تصفیه «اولیه» جهت تغلیظ کلی مواد ارگانیک، مواد مغذی و شیمیایی در آب کار چندانی انجام نمی¬داد. خروجی‌های این کارخانه‌ها مستقیماً در اقیانوس، رود، یا رودخانه تخلیه می¬شد تا از طریق تجزیه طبیعی از بین برود. اما، در برخی از محیط‌ها و حومه‌های شهر، خطوط فاضلاب با جریان زهکش فاضلاب خیابان در قالب چیزی موسوم به سیستم¬ «سرریز پس¬آب ترکیب‌شده » ادغام شده بود. در جریان بارش، مقدار عظیمی از روان¬آب، که به سرعت در محیط¬های شهری افزایش می¬یافت، با پس¬آب ترکیب می¬شد و مستقیماً در رودها و رودخانه‌ها بدون هیچ نوع تصفیه‌ای تخلیه می‌شد. شهرهای ایالات متحده امروزه هنوز با میراث این سیستم¬های سرریز پس¬آبِ ترکیب‌شده سروکار دارند.

تعداد معدودی از بوم¬نظام‌های آبی طبیعی وجود دارند که با ورود حجم زیادی از پس¬آب تحمیلی که به شکل اولیه تصیفه شده است، قادر به برآوردن تقاضای سنگین تجزیه هستند. هنگامی که تجزیه درون سیستم¬های طبیعی انجام می‌شود، برای برانگیختن فرایند تجزیه میکروبی، از ظرفیت جذب اکسیژن از سطح آب یا تولید اکسیژن از طریق عمل فتوسنتز توسط گیاهان، نیاز به اکسیژن فزونی می¬گیرد. نوعی «افت اکسیژن »، به سمت پایین رودخانه، از خروجی کارخانه تصفیه فاضلاب توسعه می¬یابد. بسته به عوامل مختلف - فشار کارخانه تصفیه، تخلیه رود یا رودخانه، و جریان سریع جزر و مدِّ خورها و مصب¬ها- تقلیل اکسیژن در آب می¬تواند به کمتر از سطوح بحرانی یعنی زیر 4 میلی‌گرم در لیتر اکسیژن محلول برسد. در این سطوح پایین اکسیژن، ماهی و حشراتِ وابسته به اکسیژن می¬میرند. ارگانیسم‌های دیگری که تاب تحمل آن شرایط را دارند جایگزین ماهی¬ها و حشرات «مرتبه بالاتر » می¬شوند. درنهایت، همه جانورانی که زندگی آنها وابسته به اکسیژن است منقرض می‌شود و سیستم آبی به بی¬اکسیژنی دچار خواهد شد و تنها قادر به تأمین شرایط لازم برای ارگانیسم¬های ناهوازی خواهد بود. این ارگانیسم‌های ناهوازی معمولاً، نمونه¬ای از مواد شیمیایی سمّی‌اند و سولفید هیدروژن تولید می¬کنند که بوی تعفن می¬دهد.

در ایالات متحده و اروپا، در طی دهه‌های 1960 و 1970 بیشتر رودها و رودخانه‌های شهری دچار این وضعیت تأسف¬بار شدند که مستقیماً منجر به تصویب قوانین کیفیت آب از قبیل قانون آب پاک در ایالات متحده شد. کارخانه‌های کنونی تصفیه فاضلاب ارتقا یافت و کارخانه‌های جدیدی در سراسر کشور ساخته شد. این ارتقا عمدتاً شامل سالم¬سازی «ثانویه» همه تجهیزات است. طراحی تصفیه ثانویه برای کاهش مواد ارگانیک محلول یا معلق در جریان فاضلاب به شیوه‌های مختلفی انجام شده است. ساده¬ترین روش، در معرض هوا قرار‌دادن فاضلاب در مخزن¬های عظیم است که این کار یا از طریق ترکیب‌کردن یا هوادهی مستقیم با حباب¬سازی صورت می¬گیرد. برخی کارخانه‌های تصفیه از هضم ناهوازی استفاده می¬کنند؛ یعنی مخزن¬های بسته‌شده¬ای که اکسیژن از آن حذف شده است. درون این مخازن باکتری، مواد ارگانیک را به متان تقلیل می¬دهد، که می¬تواند به‌منزله سوخت مورد نیاز فرایند تصفیه به‌کار رود. به‌علاوه، هضم‌کننده‌های ناهوازی، چنانکه اینگونه نامیده می¬شوند، نسبت به تجهیزات مخازن باز تجزیه اکسیژن، بوی کمتری را منتشر می¬کنند. با وجود این، نگهداری آنها گران‌تر است و ممکن است مستلزم تزریق دوره¬ایِ میکروب¬ها باشد؛ برای مثال وقتی که آنتی‌بیوتیک¬ها از طریق خطوط پس¬آب وارد مخزن می¬شوند.

تصفیه ثانویه در کاهش سطوح مواد ارگانیک هنگام تخلیه دستگاه‌های آب فاضلاب مؤثر است، اما تأثیر کمی بر بار مواد مغذی مواد شیمیایی هنگام تخلیه دستگاه‌ها دارد. درواقع، تصفیه ثانویه ممکن است حتی سطح مواد مغذی از قبیل نیترات-ها را افزایش دهد و بار موجود فسفات را در تخیله کارخانه تغلیظ ¬کند. این تخلیه مواد مغذی می¬تواند رشد سریع جلبک¬ها و ماکروفیت‌ها را در رودها و رودخانه‌ها افزایش دهد. اگر این گیاهان به‌طور افراطی رشد کنند و اگر شرایط (از قبیل خشکسالی) در محیط ¬زیست آبزیان منجر به مرگ دسته¬جمعی آن گیاهان شود، ممکن است شرایط برای کاهش مصیبت¬بار غلظت اکسیژن محلول فراهم شود. این رخدادهای تخلیه اکسیژن سبب وقوع مکرر اتلاف گسترده ماهی¬ها در دوران مدرن شده است.

بنابراین، امروزه، ما با مسئله فرارفتن از تصفیه ثانویه پس¬آب و حرکت به سوی سومین نوع تصفیه- حذف مواد مغذی-مواجه هستیم؛ فرایندی پرهزینه که مستلزم بازسازی تقریباً هزاران دستگاه تصفیه در سراسر جهان است.

همچنین نگاه کنید به: محیط¬زیست و آلودگی؛ محیط¬زیست، هرزآب و هوپرورش (انباشتگی خورکه آب)؛ سامان‌دهی آب؛ کیفیت آب.

منابع برای مطالعه بیشتر:

            Arundel, John.(1999). Sewage and Industrial Effluent Treatment. 2nd ed. Boston: Blackwell

             Dunne, Thomas and Luna B. Leopold (1978). Water in Environmental Planning. San Francisco: W. H. Freeman

        Phelps, Earle B. (1944). Stream Sanitation. London: Wiley

            United Nations World Water Assessment Programme (2006). “Water: A Shared Responsibility: The United Nations World Water Development.” Report 2. New York: Berghahn Books