نیترات در آب آشامیدنی و روش های حذف آن
نیترات اغلب در آبهای آشامیدنی وجود داشته و دلیل آن فعالیت های بشری مانند استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی مانند نیترات پتاسیم و نیترات آمونیوم، کامل نبودن سیستم سپتیک و دفع نامناسب زباله های صنعتی، انسانی و حیوانی است. این موارد منبع اصلی تولید نیتروژن بوده که در خاک به نیترات تبدیل می‌شوند و از آنجا که نیترات در آب به صورت محلول است از طریق باران وارد آب های زیر زمینی و در نهایت آبهای آشامیدنی می‌شود.
عوارض ناشی از نیترات بر روی بدن انسان
نیترات موجود در آب تبخیر نشده و به صورت پایدار در آب باقی می‌ماند. نیترات به طور معمول برای سلامتی خطرناک نبوده اما مصرف مداوم و بیش از اندازه آن می‌تواند اثرات زیادی بر سلامتی انسان به خصوص نوزادان داشته باشد. نیترات با هموگلوبین خون ترکیب شده و سبب اختلال در حمل اکسیژن توسط آن شده و توسط دستگاه گوارش به NO2 تبدیل می‌شود و نوزاد از کمبود اکسیژن رنج برده و سبب نارسایی در نوزادان می‌شود. سایر عوارض استفاده از نیترات در مدت زمان طولانی شامل کاهش اسیدیته معده، کمبود آنزیم، کاهش هموگلوبین های طبیعی خون، افسردگی، تاثیر بر سیستم عصبی و زمانیکه غلظت آن بالای 70% باشد سبب مرگ خواهد شد.
میزان مجاز نیترات در آب آشامیدنی
به گفته سازمان بهداشت جهانی اکثر افراد بالغ روزانه بین 20 تا 70 میلی گرم نیترات را به همراه مواد غذایی مثل کاهو، کرفس، اسفناج و .... مصرف می‌کنند. این نشان می‌دهد که علاوه بر آب آشامیدنی مواد غذایی نیز حاوی نیترات می‌باشد.آنالیز آب در ایالات متحده و کانادا نشان داده است که مقدار نیترات در این آب‌ها 10 میلی گرم در لیتر است. اما طبق بهداشت جهانی (WHO) مقدار استاندارد نیترات در آبهای آشامیدنی حداکثر باید ppm50 باشد.
روش های حذف نیترات از آب آشامیدنیاز آنجا که یون نیترات بسیار پایدار است حذف آن به صورت روش های تصفیه ای معمولی مانند انعقاد، جذب و .... انجام نمی‌شود. فرآیندهای تخصصی مانند استفاده از کاتالیزور در دما و فشار بالا و نیز استفاده از مواد شیمیایی جهت تصفیه آب آشامیدنی ممکن است استفاده شود. سایر روش ها برای حذف نیترات از آب شامل موارد زیر است :
- روش تبادل یونی با استفاده از رزین‌های قوی
- حذف بیولوژیکی نیترات با استفاده از متانول یا اتانول.
- اسمز معکوس.
- الکترودیالیز و یا الکترودیالیز معکوس.
از فرآیند تبادل یون برای حذف نیترات از آبهای زیر زمینی استفاده می‌شود و در آبهای سطحی که در آنها مواد آلی و مواد معلق وجود دارند، نیترات ها با رزین های تبادل یونی از بین نمی-روند.
مزایایی روش تبادل یون
این روش دارای مزایای زیر است :
- عملیات ساده .
- این فرآیند مستقل از دما می‌باشد.
- در برابر تغییر غلظت نیترات کاملا منفعل است.
حذف بیولوژیکی نیترات
تصفیه بیولوژیکی نیترات شامل تبدیل نیترات به نیتروژن توسط باکتری‌های موجود در بیوراکتورها است. باکتری‌های موجود در این راکتورها نیترات موجود در آب را به نیتروژن موجود در هوا تبدیل می-کند. در برخی از موارد از اتانول و متانول در این بیوراکتورها استفاده می‌شود.
:: نکته: استفاده از این بیوراکتورها برای حذف نیترات از آبهای آشامیدنی کاربرد ندارد و بیشتر برای نیترات زدایی از فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اسمز معکوس
اسمز معكوس می تواند املاح آب را 90 تا 98 درصد كاهش دهد. حذف باكتری ها و ویروس ها و دیگر میكروبها با اسمز معكوس تقریبا صد‌در‌صد است، اما بعلت عدم آب‌بندی كامل سیستم اسمزمعكوس مقدار كمی از این ناخالصی ها ممكن است از غشاء عبور كرده و در آب تصفیه شده دیده می‌شوند. در مقایسه دو روش اسمز معکوس و تبادل یون، تبادل یون کم‌هزینه‌تر و مقرون به صرفه تر می‌باشد.
الکترودیالیز معکوس
فرآیند الکترودیالیز (EDR)، یک نوع هدایت الکتریکی است که با استفاده از ولتاژ و از طریق غشاهای نیمه تراوا یون‌ها را عبور داده و سبب کاهش سختی آب و حذف نیترات می‌شود. این فرآیند به طور متناوب تکرار شده و انتقال در یک میدان با ولتاژ مستقیم (DC) انجام می‌شود.این فرآیند شامل عبور آند از بین غشای کاتدی و عبور کاتد از بین غشای آندی است. بدین صورت سختی آب کاهش پیدا کرده و آب در سمتی که غلظت کمتری دارد جمع آوری می‌شود. استفاده از روش الکترودیالیز در حذف نیترات از آب نیز انجام شده و اگرچه این روش در مقایسه با سایر روش‌ها کمی پیچیده تر بوده اما از نظر اقتصادی نسبت به روش اسمز معکوس مقرون به صرفه تر است.
روش تبادل یونی بهترین و موثرترین روش جهت نیترات زدایی از آب آشامیدنی
سازمان حفاظت محیط زیست و بهداشت جهانی استفاده از رزین های تبادل یون را به عنوان بهترین روش برای از بین بردن نیترات در آبهای قابل شرب معرفی کرده اند. استفاده از رزین های تبادل یونی موثرترین، بهترین و مطمئن‌ترین روش جهت حذف نیترات از آبهای آشامیدنی است. این فناوری شامل حذف نیترات و جایگزینی آن توسط آنیون های دیگر است.
برای حذف نیترات از آبهای آشامیدنی از ذرات متخلخل درشت با پایه رزینی استفاده می شود. میل ترکیبی این ماده با نیترات بیشتر از سولفات بوده و رزین‌های آنیونی به کار رفته در آنها نیترات را از آب حذف کرده و مقدار آن را به حد استاندارد و مجاز خود می‌رساند. ترکیب مناسب، خواص فیزیکی و شیمایی و خواص سینتیکی آن، به عنوان یک ماده ایده آل در مقایسه با سولفات مورد استفاده قرار می-گیرد. این روش مستقل از دما بوده و به صورت اتوماتیک با تغییر غلظت نیترات در آب عمل می‌کند.
حذف نیترات آب آشامیدنی
در فرايند جذب سطحي حذف نیترات آب آشامیدنی، قيمت جاذب مصرفي از مهمترين عوامل در اقتصادي بودن فرايند مي باشد، بنابراين اكثر پژوهشگران سعي در ساخت و انتخاب يك جاذب ارزان در اين فرايند دارند. بنابراين استفاده از جاذب هاي طبيعي، ارزان قيمت و سازگار با محيط زيست يك روش رو به گسترش مي باشد. همچنين استفاده از نانوجاذب ها، با توجه به توانمندي هاي فراوان نانو فناوري در حذف و كنترل آلودگي هاي محيطي و تصفيه و جلوگيري از انتشار آنها به عنوان يك تكنولوژي سبز و ابزار موثري براي دستيابي به توسعه پايدار در نظر گرفته مي شود.
روش هاي حذف نیترات آب آشامیدنی :
رقيق سازي:
زماني كه براي تامين آب جهت توزيع در يك سامانه آبرساني امكان استفاده از چند منبع آب خام با كيفيت هاي متفاوت وجود داشته باشد، بحث رقيق سازي قابل طرح خواهد بود. به طورمعمول غلظت هاي با لاتر ازحد مجاز نيتراتدر منا بع آب زيرزميني مشاهده مي شود ودر مقا بل آب هاي سطحي اغلب داراي غلظت نيترات كمتري هستند. از اين رو در يك سامانه آبرساني مي توان ازاختلاط آب هاي سطحي با آب هاي زيرزميني كه داراي غلظت هاي متفاوتي از نيترات ميباشند، براي تعديل اين آلاينده استفاده نمود.
روش تبادل يوني:
تبادل يون يك واكنش برگشت پذير است كه نياز به احياءدارد. دراين عمل با استفاده از يك محلول كه داراي يون هاي ازدست رفته رزين به مقدار كافي مي باشد، رزين دوباره به فرم فعال اوليه تبديل مي شود اما مقداري از ظرفيت تبادل خود را از دست مي دهد. به طور كلي هرچه ظرفيت يون بيشتر باشد با تمايل بيشتري جذب رزين مي گردد. ترتيب گزينش يون ها در هنگام استفاده از رزين هاي آنيوني رايج به ترتيب HCO₃<Cl<NO₃<₄SOمي باشد. در نتيجه وقتي كه نيترات يون مورد نظر براي حذف باشد، قبل از آن به طور اجتناب نا پذير، فسفات وسولفات مبادله شده وزماني نيترات مبادله مي گردد كه ديگر يون هاي مذ كور به صورت آزاد وجود نداشته باشند. درسا ل هاي اخير رزين
هايي ساخته شده اند كه نسبت به رزين هاي متداول قا بليت جذب بيشتري دارند وبه آن ها رزين هاي انتخابي مي گويند. رزين ها قادر به حذف نیترات آب آشامیدنی، ميكروازگانسيم ها وسايرآلاينده ها ي نمي باشد و هزينه بهره برداري آن در دراز مدت زياد است.
روش اسمزمعكوس:
درفرآينداسمز معكوس آب با فشار زياد ازيك سري غشاء نيمه تراوا1عبور داده مي شود. اين فشار خارجي از فشار اسمزي طبيعي بيشتر است در نتيجه مولكول هاي كوچكتر از منافذ غشاء عبور مي كنند، در حالي كه مولكول هاي بزرگتر، قادر به عبور از غشاء نيستند و در جرياني جانبي از كنار غشاء عبور داده شده ودفع مي گردند. دراين فرآيند ميكروارگانيسم ها نيز از آب حذف مي شوند. به طور كلي اين فرآيند براي شيرين كردن آب هاي شور به كار مي رود ولي درسال هاي اخير براي حذف آلاينده هاي خاص نظير نيترات مورد توجه قرار گرفته است. اسمز معكوس يك روش تصفيه فيزيكي و نوعي فيلتر اسيون است كه نياز به مواد شيميائي ندارد. در اين روش علاوه برنيترات، كل جامدات محلول (TDS)آب نيزكاهش مي يابد.
فرآيند بيولوژيكي:
در اين روش حذف نیترات آب آشامیدنی ابتدا با استفاده از باكتريهاي شيميواتوتروف هوازي و طي فرآيند نيتريفيكاسيون نيتروژن آلي تبديل به يون نيترات شده و سپس بوسيله باكتريهاي شيميوهتروتروف غيرهوازي و طي فرآيند دي نيتريفيكاسيون نيترات تبديل به گاز ازت شده و از محلول جدا ميشود. اين روش بطور گسترده در كشورهاي اروپايي بكار گرفته شده است. قابل ذكر است بر اساس نتايج طرح تحقيقاتي كه با مشاركت وزارت نيروي كشورمان و وزارت تحقيقات و آموزش كشور آلمان بر روي منابع آب شهر مشهد در سال 88در خصوص كاهش غلظت نيترات صورت گرفت، كيفيت آب در روش حذف بيولوژيكي نيترات در مقايسه با سه روش اسمز معكوس، الكترودياليز و تبادل يون بالاتر بوده و حفظ كيفيت آب در اين روش بهتر صورت ميگيرد.
–روش الكترودياليز
در اين روش به كمك جريان الكتريسيته يونهاي محلول در آب توسط غشاهاي نيمهتراوا كاتيوني و آنيوني ك بطور متناوب در كنار هم قرار گرفتهاند از آب جدا ميشوند. ضخامت غشاها در دستگاه الكترودياليز 0.15تا 0.6ميليمتر ميباشد. در اين روش آّب مورد تصفيه بايد مراحل پيشتصفيه را گذرانده باشد. چون سيستم به غلظتهاي بيش از 2500ميليگرم در ليتر جامدات محلول و همچنين مواد كلوئيدي و مواد آلي حساس است.
احياي شيميايي:
در اين روش حذف نیترات آب آشامیدنی از مواد شيميايي احياكننده مثل يون آهن دوظرفيتي (آهن فرو) استفاده ميشود. به اين ترتيب نيترات احيا شده و تبديل به گاز نيتروژن (N2)ميشود و از محلول خارج ميگردد.
روش جذب سطحي:
جذب سطحي یکی از روش های حذف نیترات آب آشامیدنی که يك فرآيند جداسازي است كه در آن برخي از اجزاء فاز سيال به سطح يك جاذب سطحي جامد منتقل مي شوند. در جذب سطحي از جامد متخلخل استفاده مي شود كه اين منافذ سطح بسيار زيادي را ايجاد مي كنند. يعني فقط سطح خارجي نداريم تخلخل نيز داريم و هرچقدر سطح جاذب افزايش يابد، مقدار ظرفيت جذب نيز افزايش مي يابد.