بخشی از مقاله
چکیده
نیترات بدلیل داشتن حلالیت آبی بالا از آلاینده های منابع آبی محسوب شده و صدمات جبران ناپذیری را بر سلامت انسان وارد مینماید. از اینرو در سرتاسر جهان توجهات به فرایندهای حذف این آلاینده معطوف گشته است. از روشهای مختلف فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی جهت حذف یون نیترات تا به حال استفاده شده است. با مقایسه روشهای مختلف، دی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی به دلیل بازده بالا، هزینه پایین و احیای کامل نیترات به گاز نیتروژن از ویژگی خاصی برخوردار است. در این تحقیق قابلیت روشهای بیولوژیکی حذف نیترات از آب اعم از بیوراکتور غشایی و پیل سوختی میکروبی مورد بررسی قرار میگیرد.
کلمات کلیدی: نیترات، دی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی، پیل سوختی میکروبی، بیوراکتور غشایی، تولید الکتریسیته
.1 مقدمه
آب از اهمیت اساسی برای زندگی بشر برخوردار میباشد و مکانیسم سوخت و ساز و سنتز به خصوصیات ویژه آب مرتبط است. انتقال مواد مغذی به داخل سلول و برهمکنشهای آن با محیط اطراف بدون وجود آب امکانپذیر نمیباشد. از طرفی دیگر، منابع آبی محدود بوده و تنها 2/66% از کل منابع جهانی آب شامل منابع زیرزمینی، برکه ها، رودها و یخهای قطبی منابع آب سالم محسوب شده و از این مقدار نیز تنها در حدود 0/6% آن جهت آشامیدن مناسب است. با توجه به این دلائل ذکر شده منابع آبی میبایست به طور صحیح تصفیه شده و پالایش پسابها نیز به طور موثر صورت گیرد.نیترات یکی از ترکیبات نیتروژن دار است که از آلاینده های خطرناک آب شرب محسوب میشود و آلوده شدن منابع مختلف آب آشامیدنی به این یون میتواند اثرات نامطلوبی بر سلامت انسان داشته باشد.
نیترات موجود در منابع آبی در اثر عدم تصفیه و استعمال تبدیل به نیتریت شده که آن نیز به نوبه خود با هموگلوبین خون واکنش داده و تبدیل به متهموگلوبین میگردد. متهموگلوبین قادر به رسانش اکسیژن به بافتهای سلول نمیباشد و سبب بیماری تغییر رنگ پوست کودکان به رنگ آبی یا سندرم کودکان آبی1 یا متهموگلوبینمیا2 میشود. منابع آبی اعم از آبهای سطحی و زیر زمینی به روشهای مختلف میتوانند به نیترات آلوده شوند. بیشتر محققان آلودگی آبهای زیرزمینی به نیترات را به منابع نامشخص3 کشاورزی نسبت داده اند. نیترات نشات گرفته از صنعت کشاورزی به واسطه استفاده زیاد از کودهای کشاورزی روند افزایشی داشته است.
نمکهای نیترات - مانند نیترات پتاسیم و نیترات آمونیوم - با نفوذ به خاک وارد آبهای زیرزمینی میشوند. دیگر منابع نیترات در آبهای سطحی و زیر زمینی نیز به واسطه تخلیه پسابهای صنعتی و شهری - چه تصفیه شده و چه تصفیه نشده - ، دفع زباله و پسماندهای حیوانی - ناشی از پرورش حیوانات - میباشند. وجود نیترات در آبهای زیر زمینی مشکلی مهم محسوب میشود که استفاده از این منابع آب را برای انسان با محدودیت رو به رو میکند. به عنوان مثال در بخشهایی از جهان مانند هند، ژاپن، چین، عربستان سعودی، آمریکا، انگلستان، و بخشهایی از قاره اروپا معضل نیترات در آبهای زیرزمینی وجود داشته است.
به منظور حفظ استفاده کنندگان آب از اثرات سوء جذب بالای نیترات، ایالات متحده آمریکا، کانادا، و سازمان بهداشت جهانی - WHO - 1 مقدار مجاز نیترات در آب آشامیدنی را 50 mg NO3 /l قانونگذاری نموده اند .[1] از آنجا که یون نیترات بسیار پایدار است، حذف آن به روشهای معمولی نظیر انعقاد، جذب و ... انجام نمیشود و کاربرد فرایندهای تخصصی لازم میباشد. بنابراین، برای محدود کردن اثرات زیست محیطی این آلاینده ضروری است که منابع آب آشامیدنی قبل از ورود به شبکه مصرف از این ترکیب پاکسازی شوند و قبل از تخلیه هرگونه فاضلاب به محیط زیست، تصفیه مناسبی بر روی آن ها صورت گیرد.
در شهر تهران منشاء نیترات در آب، نفوذ پسابهای خانگی به منابع آب زیرزمینی و استفاده از کودهای سنتزی ازته در زمینهای کشاورزی اطراف تهران است زیرا، حدود قابل توجهی از منابع آب تهران از منابع زیرزمینی تامین میشود. در شهر بابل نیز مقدار نیترات موجود در 82% از آبهای زیرزمینی به واسطه فعالیتهای کشاورزی از مقدار مجاز بیشتر میباشد .[2] همچنین بر اساس بررسی Dordelmann و همکاران در خصوص مقایسه حذف نیترات از آب در شهر مشهد توسط سه روش دی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی، اسمز معکوس، و تبادل یونی در مقیاس پایلوت، میزان نیترات در آب مشهد بالاتر از 100 mg/l و حتی در برخی موارد بالاتر از 250 mg/l گزارش شده است .[3]
دستیابی به تعادل و حفاظت کمی و کیفی منابع آب شرب و بهداشتی با نگرش جامع زیست محیطی از اهداف چشم انداز مطلوب بخش آب و فاضلاب در افق 1404 میباشد .[4] از اینرو با توجه به موارد ذکر شده و اینکه در شرایط کنونی بحران جهانی آب نیاز به تامین آب شرب از منابع زیرزمینی اجتناب ناپذیر میباشد، حذف یون نیترات از اولویت ویژه ای برخوردار است. روشهای رایج تصفیه آب آشامیدنی اعم از لخته سازی، فیلتراسیون و گندزدایی جهت حذف یون نیترات از آب مناسب نیستند. اسمز معکوس - RO - 2، تبادل یونی - IE - 3، الکترودیالیز4 - ED - و جذب توسط کربن فعال از روشهای فیزیکو شیمیایی متداول حذف نیترات از آب یا پساب میباشند که به دلیل هزینه بالا و همچنین تولید آلایندگی ثانویه و معضل دفع آن، کاربرد آنها را محدود میسازد.
از اینرو، روش بیولوژیکی به دلایل عدم ایجاد پسماند ثانویه، سازگاری با محیط زیست، دارای کمترین اثرات جانبی، پالایش واقعی نیترات و کاهش آن به گاز نیتروژن بسیار مناسب و کاربردی میباشد. روش های موجود دی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی اغلب هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری زیادی را در بردارند. در صورتی که بتوان با کنترل شرایط عملیاتی و اصلاح فرایند تصفیه، فرایندهای دی نیتریفیکاسیون و حذف مواد آلی را همزمان و در یک راکتور انجام داد، هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. بیوراکتورهای غشایی - MBRs - 5 ترکیبی از دو فرآیند بیولوژیکی و فیزیکی می باشند و بعنوان یک تکنولوژی پیشرفته در تصفیه آب و انواع پسابهای شهری و صنعتی بکار میروند.
از دیگر روشهای بیولوژیکی دی نیتریفیکاسیون آندی و کاتدی در پیل سوختی میکروبی - MFC - 6 است که احیای بیولوژیک نیترات به نیتروژن مولکولی را در بر دارد و به عنوان یک تکنولوژی نوین جهت تصفیه پساب، تولید همزمان الکتریسیته، و حذف آلاینده نیترات از آب به کار برده شده است. با توجه به وجود اطلاعات جامع در متون علمی راجع به MFC و MBR، مروری جامع بر این دو روش بسیار مورد توجه میباشد. از اینرو در تحقیق حاضر، به مطالعات صورت گرفته در حوزه روشهای بیولوژیکی و به طور خاص این دو سیستم پرداخته شده و نقاط ضعف و قدرت آنها مورد بررسی قرار میگیرد.
.2 فرایندهای مختلف نیترات زدایی
مطالعه روی روشهای تصفیه آب از نیترات نشان داده است که متداولترین روشها جهت حذف یا کاهش مقدار این آلاینده شامل دی نیتریفیکاسیون به کمک آهن صفر ظرفیتی - Fe0 - ، منیزیم صفر ظرفیتی - Mg0 - ، تبادل یونی، اسمز معکوس، الکترودیالیز، دینیتریفیکاسیون کاتالیستی، و روشهای بیولوژیکی میباشند. جهت حذف آلاینده نیترات روشهای بیولوژیکی و تبادل یونی، توسط سازمان بهداشت جهانی WHO پیشنهاد شده اند در حالیکه، روشهای تبادل یونی، اسمز معکوس، و الکترودیالیز از طرف سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا - EPA - 1 به عنوان بهترین تکنولوژیهای در دسترس جهت تصفیه آب از یون نیترات تایید شده اند. البته روشهای مذکور هر کدام از قوت و ضعف خاص خود برخوردار هستند و برخی از آنها علاوه بر هزینه بالا، دارای تاثیر کم بوده و ایجاد محصول جانبی نامطلوب نیز مینمایند.
در واقع برخی از این روشها مشکل اضافه بودن این آلاینده در محیط زیست را حل نمیکنند و علاوه بر ایجاد دغدغه ثانویه دفع پسماند تولید شده با غلظت بالای نیترات، تنها آنرا از از جریانی به جریان دیگر منتقل میکنند. به علاوه این روشها معمولا پرهزینه بوده و جهت کاربردهای در محل2 برای آلاینده زدایی مستقیم آبهای زیرزمینی ایجاد مشکل مینمایند 5] و .[6 به عنوان مثال Cheng و همکاران تولید آمونیاک و نیاز به کنترل pH - کاهش pH اولیه یا استفاده از بافر - را از معایب کاهش یون نیترات در روش استفاده از آهن صفر ظرفیتی - ZVI - 3 گزارش نموده اند .[7] فرایند جذب سطحی نیز با وجود آنکه به واسطه راحتی و سادگی طراحی و عملیات، به عنوان یکی از روشهای برتر در تصفیه آب محسوب میشود اما، تا به حال در هیچیک از متون علمی به پتانسیل کاربرد صنعتی آن جهت جذب یون نیترات از آب اشاره ای نشده است.
توسط فرایند جذب سطحی انواع مختلفی از آلاینده های آلی و غیر آلی را میتوان از آب یا پساب حذف نمود، از اینرو این فرایند در کنترل آلودگی آب کاربرد وسیعتری دارد. تکنولوژی جذب سطحی در حذف انواع مختلفی از آنیونهای غیرآلی نظیر فلوراید، نیترات، برمات، و پرکلرات از آب توسط جاذبهای مختلف موفقیت آمیز بوده است. انتخاب جاذب مناسب جهت حذف انواع خاصی از آنیونها در بدست آوردن سرعت حذف بهینه اهمیت دارد. از جاذبهای مختلف نظیر کربن فعال، زئولیت، کیتوسان و پسماندهای کشاورزی جهت حذف یون نیترات از آب و پساب استفاده شده است. کربن فعال به عنوان یک جاذب متداول جهت زدودن انواع مختلف آلاینده های آبی خصوصا انواع آلی آنها در نظر گرفته میشود.
البته نسبت به آلاینده های آنیونی جذب سطحی ضعیفی از خود نشان میدهد. پودر کربن فعال و نانو لوله های کربنی جهت حذف یون NO3 از محلول آبی به کار رفته اند و نتایج بیانگر این است که ظرفیت جذب سطحی نانو لوله های کربنی از کربن فعال پودری بیشتر میباشد. زئولیتهای طبیعی ترکیبات آلومینوسیلیکات معدنی آبدار هستند که دارای ساختاری متخلخل و خواص باارزش فیزیکوشیمیایی میباشند. از زئولیتها به عنوان جاذب در فرایندهای جداسازی و خالص سازی استفاده شده است و در فرایندهای تصفیه زیست محیطی به عنوان یک تکنیک جذاب مطرح میباشند.
اصلاح ساختار زئولیتهای طبیعی توسط کیتوسان یا سورفاکتانت میتواند ظرفیت جذب یون نیترات را افزایش دهد. مشتقات کیتین و کیتوسان نیز بواسطه هزینه کم و محتوای بالای گروههای عاملی هیدروکسیل و آمین، به عنوان جاذبهای موثر مورد توجه قرار گرفته اند. استفاده از ضایعات کشاورزی به عنوان جاذب بدلیل استفاده مجدد از ضایعات در آلاینده زدایی زیست محیطی از دو جنبه حائز اهمیت است. از پسماندهای کشاورزی مختلفی جهت حذف یون نیترات از محلولهای آبی استفاده شده است که ترکیبات لیگنوسلولزی، باگاس نیشکر و سبوس برنج مثالهایی از این جاذبها میباشند .[5]
