بخشی از مقاله
چکیده
آب به عنوان عنصر اصلی زندگی روی زمین می باشد همه مکانیسم هایی چون متابولیسم سنتز و انجام واکنش ها در محیط مرتبط به ساختمان آب انجام می شود، در مورد 2,66 در صد از کل منابع آبی - زیرزمینی ، دریاچه و رودخانه و.. - آبهای تازه دارند اما فقط 0,6 درصداز آن دردسترس است. آلودگی آبهای زیرزمینی و سطحی به نیترات دربسیاری از مناطق دنیا به صورت یک مشکل جدی می باشد . تحقیقات نشان میدهد بیشترین آلودگی آبهای سطحی به نیترات مربوط به منابع کشاورزی غیر نقطه ای است. افزایش غلظت نیترات در منابع عمومی آب به عنوان یک خطربالقوه برای سلامت انسان و حیوانات در سطح جهانی محسوب می شود، بنابراین ضروری است که منابع آبی به اندازه کافی تصفیه شونددر این مقاله به مطالعه بعضی از روش های حذف نیترات پرداخته و خصوصیات وکاربردهای عمده آنهارا مورد بررسی قرار میدهد.
واژه های کلیدی: آلودگی آب، نیترات،روش های حذف
-1مقدمه
آب به عنوان عنصر اصلی زندگی روی زمین می باشد همه مکانیسم هایی چون متابولیسم سنتز و انجام واکنش ها در محیط مرتبط به ساختمان آب انجام می شود، در مورد 2,66 در صد از کل منابع آبی - زیرزمینی ، دریاچه و رودخانه و.. - آبهای تازه دارند اما فقط 0,6 درصداز آن دردسترس است ، آلودگی آبهای زیرزمینی و سطحی به نیترات دربسیاری از مناطق دنیا به صورت یک مشکل جدی مورد توجه است در بسیاری از اجتماعات جهانی، آبهای زیرزمینی به عنوان تنها منبع آب آشامیدنی استفاده میشود . - 1 - بهره برداری از آب های زیرزمینی دارای مزایا و معایبی است ، یکی ازمهمترین معایب استفاده از آب زیرزمینی برای مصارف شرب وجود پتانسیل آلودگی به یون نیترات میباشد تحقیقات نشان میدهد بیشترین آلودگی آبهای سطحی به نیترات مربوط به منابع کشاورزی غیر نقطه ای است، افزایش فعالیت صنایع و کشاورزی باعث تولید آلاینده های سمی چون آنیون های غیر آلی، یون های فلزی ،ترکیبات شیمیای آلی سنتتیک شده است . - 2 - افزایش غلظت نیترات در منابع عمومی آب به عنوان یک خطر بالقوه برای سلامت انسان و حیوانات در سطح جهانی محسوب می شود - . - 3
نیترات یکی از آنیون های معدنی است که در نتیجه اکسیداسیون نیتروژن حاصل می شود این ماده یکی از عناصر بسیار ضروری برای سنتز پروتئین در گیاهان است و نقش مهمی را در چرخه نیتروژن دارد نیترات از طریق اکسیداسیون طبیعی تولید و بنابراین در تمام محیط زیست یافت می شود. فاضلاب های شهری صنعتی و مواد دفعی حیوان و گیاهی در شهر های بزرگ که دارای نیتروژن هستند به خاک دفع می شوند در اثر فعالیت ارگانیسم های خاک نیتروژن به آمونیوم تبدیل شده وبه مرور زمان به نیتریت و سپس نیترات تبدیل می شوند. سپس نیترات و نیتریت پس از جذب و نفوذ در طبقه های خاک وارد آبهای زیرمینی می شوند و این آلودگی نشانگر آن است که آب از مدتها پیش آلوده شده است - 4 ، - 5
آنچه مسلم است امروزه با رشد روزافزون جمعیت در شهر های بزرگ آلودگی آب آشامیدنی نیز رو به افزایش است دفع نادرست و کنترل نشده فاضلابهای شهری خام از طریق چا ههای جذبی ، مصرف بی رویه مواد شوینده و پاک کننده ها بهداشتی از طریق چاهها ، استفاده از کودهای شیمیایی و حیوانی و آفت کش ها و حشره کش ها از جمله دلایل آلوده شدن آب آشامیدنی انسان ها می باشند 6 - ،. - 2 بسیاری از مردم در خصوص آلاینده هایی که نمود و تاثیر آنی دارند مانند: طعم و بوی نامطبوع آب، تیرگی و کدورت آب، ذرات معلق در آب، سختی و سنگینی آب، رسوب گذری آب و ... توجه نشان می دهند اما نسبت به آلاینده هایی نظیر نیترات که تاثیر آن حداقل 15 سال بعد آشکار می گردد و به مراتب خطرناک تر است، بی توجه هستند. نیترات سلامت نوزادان و زنان باردار را تهدید می کند و باعث عوارض جبران ناپذیری می شود.مخاطرات بهداشتی ناشی از غلظتهای زیاد نیترات در آب آشامیدنی شامل موارد زیر است :
-1بیماری متهموگلوبین در نوزادان زیر شش ماه
-2تشکیل نیتروزآمینها
-3احتمال بروز سقط جنین - . - 4
همچنین احتمال این که نیترات معدنی ویا آلی به عنوان یک عامل سرطانزا عمل نمایند بستگی به احیای نیترات به نیتریت و واکنش های بعدی نیتریت با سایر مولکول ها به خصوص آمین های نوع دوم آمیدها وکاربامات ها دارد که منجر به تشکیل ترکیبات Nitroso-N می گردد. - 7و - 8 در طی دوره سال های 1970- 1992 ایالات متحده ، دربررسی زمین شناسی ، میزان نیتروژن - نیترات در چاههای خصوصی 9 درصد بیشتر از حد مجاز 10 میلی گرم درلیتر بر حسب نیتروژن اعلام نمود. از آن زمان به بعد سازمان حفاظت محیط زیست - EPA - حداکثر سطح مجاز نیترات در آب آشامیدنی را بر حسب نیتروژن نیترات 10 میلی گرم درلیتر - برحسب یون نیترات 50 میلی گرم درلیتر - و سطح مجاز نیتروژن- نیتریت 1 میلی گرم درلیتر - بر حسب یون نیتریت 3 میلی گرم در لیتر - پذیرفت .در بررسی های بعدی برای تغییر استانداردها ، دلایلی برای تغییر آن وجود نداشت ، به هر حال تعیین سطح دقیق غلظت نیتروژن در آب برای اعلام سالم یا ناسالم بودن آن مشکل است همچنین با توجه به مطالعات به عمل آمده توسط سازمان بهداشت جهانی حداکثر مجاز نیترات 50 میلی گرم در لیتر بر حسب نیترات را اعلام نموده است. موسسه استاندارد وتحقیقات صنعتی ایران غلظت نیترات را 45 میلی گرم در لیتر بر حسب نیترات تعیین نموده است 9 - .،10، - 11 با توجه به اینکه افزایش غلظت نیترات در منابع عمومی آب به عنوان یک خطربالقوه برای سلامت انسان و حیوانات در سطح جهانی محسوب می شود بنابراین ضروری است که منابع آبی به اندازه کافی تصفیه شوند.
-2روش های حذف نیترات از آب آشامیدنی
روش های مختلفی که برای تصفیه آب های زیرزمینی به کار میروند، ممکن است مشکل و گران قیمت بوده و تاثیر کاملی هم نداشته باشند. بنابراین پیشگیری از آلودگی آب بهترین راه محسوب می شود.جهت×حذف×نیترات×از×آب ×آشامیدنی×از×فرآیند×های مختلف×فیزیکی× ،×شیمیایی×و×بیولوژیکی×استفاده×می شود - ٌٍ - . در× این×فرآیندها،×در×واقع×عمل×جداسازی×نیترات از×آب×آشامیدنی×انجام ×می×گیرد، ×ولی،×در× روشهای بیولوژیکی،×؟نیترات×توسط× میکروارگانیسم ها×به ×نیتروژن احیاء×می×شود.از آنجایی که نیترات یک یون پایدار و محلول در آب است و پتانسیل کمتری برای جذب و یا ترکیب با گونه های دیگر را دارد. این خصوصیات باعث می شودکه فرایند های متداول مانند سختی زدایی با آهک انعقاد ، ته نشینی ، فیلتراسیون ، تصفیه با ازن و uv برای حذف نیترات از آب به اندازه کافی موثر نباشند از این رو نیاز به آن است که از روش های تصفیه پیشرفته که قادر به کاهش آلاینده های محلول هستند استفاده شود 13 - ،. - 12 روش های قابل استفاده عبارتند از :
اسمز معکوس،تبادل یونی، نیترات زدایی بیولوژیکی ، نیترات زدایی با احیا کاتالیتیکی ،دنیتریفیکاسیون کاتالیستی، نیترات زدایی شیمیایی و الکترو دیالیز اند . - 14 - سازمان بهداشت جهانی روش های تبادل یون و دنیتیرفیکاسیون بیولوژیکی را پیشنهاد کرده است اما EPA اسمز معکوس ، الکترودیالیز و تبادل یون را به عنوان بهترین تکنولوژی در دسترس BAT برای حذف نیترات از آب آلوده پیشنهاد کرده است - . - 15بیشترین فرایند های مورد استفاده برای حذف نیترات شامل، اسمز معکوس ، تبادل یونی، الکترودیالیز و دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی می باشند - . - 16 روش های فیزیکی و شیمیایی دارای راندمان مناسبی در جداسازی نیترات از آب می باشند ولی به دلیل تولید پساب غلیظ حاوی نیترات بسیار بالا، دچار نقطه ضعف عمده ایی هستند . بعلاوه هزینه های بالای سرمایه گذاری و بهره برداری از این تاسیسات موجب گردیده تا کاربرد این روش ها محدود به مناطقی خاص گردد.×ازعملی×ترین×فرآیندهای×فیزیکی- شیمیایی×در×حذف×نیترات،×می ×توان×به×فرآیندهای× تبادل یونی×و×اسمز×معکوس ×اشاره ×نمود . بازدهی ×بالا×و×کارکرد در ×غلظتهای×مختلف ×ورودی،×با×تغییرات ×کم×در×بازدهی، از× جمله×مزایای×این× دو×روش×محسوب×می× شود. به هر حال هر کدام از این روش ها دارای نقاط ضعف و قوت هایی چون گران بودن ، تولید محصولات جانبی و دفع آنها راندمان کم یا تاثیر کم را دارا می باشند - . - 1,16,17
-2-1اسمز معکوس
روش×اسمز×معکوس×نیز×در×سالهای×اخیر×در×تصفیه×آب بسیار×کاربرد×یافته×به×طوری که×به×عنوان×تکنولوژی×قرن×21شناخته×شده×است .اسمز معکوس یک روش تصفیه فیزکی ونوعی فیلتراسیون است که نیاز به مواد شیمیایی ندارد در این روش آب با فشار از میان غشا گذرانده می شود و نیترات و سایر مواد معدنی را فیلتر می کند،×به×دلیل راندمان×بالای×حذف نیترات و TDS کاربرد این روش افزایش یافته است. کارشناسان و متخصصان اعلام کردند که موثرترین روش حذف نیترات از آب آشامیدنی روش اسمز معکوس می باشد. این روش به طور تخمینی باعث حذف 90 درصد نیترات از آب آشامیدنی می شودولیکن میزان حذف واقعی ممکن است بسته به کیفیت آب ورودی ،سیستم فشار و درجه حرارت آب متفاوت باشد. اگر چه این روش باعث جداشدن ترکیبات از آب بدون هرگونه تغییری در ساختار مولکولی آنها می شود اما این روش دارای محدودیت هایی چون نیاز به×نیروی×متخصص،کنترل×و نگهداری×ویژه×و تولید مواد زاید با غلظت بالایی از نیترات که ممکن است دفع آنها مشکل باشد. همچنین اسمز معکوس نیازمند مصرف انرژی بالایی برای غلبه بر جریان طبیعی است و بنابراین هزینه فرآیند در مقایسه با دیگر پروژه ها بیشتر است که در مسائل اقتصادی در صنعت نقش به سزایی ایفا می کند - ،ٌِ،ٌّ،ٌَ - .مارکوارت در سال 1987، از سیستم اسمز معکوس برای حذف نیترات از آب آشامیدنی استفاده نمود. با استفاده از این دستگاه او توانست سطح نیترات را از 94 به 18 میلی گرم بر لیتر برساند. راندمان حذف نیترات در این روش در حدود 80 در صدبه دست آمد . کیم وهمکاران نیز در سال 2007 حذف غلظت بالای نیترات را ازفاضلاب صنعت فولاد ضد زنگ با مقایسه 3 واحد متفاوت اسمز معکوس مورد بررسی قرار دادند. تمامی غشاهای اسمزمعکوس درصد حذف مطلوب و مابین 90 - 99- را نشان داد - ٌُ - .
-2-2تعویض یون
روش×تبادل×یونی،×از×دیر×باز×مورد×توجه×متخصصین در×امر×تصفیه×آب×بوده×و×در×مقیاس×صنعتی،×این×روش بسیار×کاربردی×تر×عمل×نموده× است×؟در×کشورهایی×نظیر آمریکا،×به×دلیل×تغییرات×فصلی×غلظت×نیترات×در×آبهای سطحی ×و×زیر ×زمینی،×تنها ×فرآیندی×که ×بدون×کاهش بازدهی×و×نیاز×به×کنترل ×پیچیده×کاربرد×دارد×روش×تبادل یونی است . در این روش از ماده دیگر مانند کلراید استفاده می شود که یون های کلراید جای خود را با یون های نیترات تعویض می شود هر چه آب بیشتری از روی رزین عبور میکند، نیترات بیشتری از آب گرفته میشود و کلراید به آن پس داده میشود. رزینی که نیترات را جذب کرده و کلراید را پس داده است، با شستن با محلول کلرید سدیم - نمکی - دوباره شارژ می کنند. محلول باقیمانده از این روند تصفیه که حاوی مقدار زیادی نیترات است را باید به طور مناسبی دفع کرد - . - 16,20
رزین های مختلفی برای حذف نیترات طراحی شده اند کاربرد اصلی این رزین ها منجر به حذف انتخابی بالایی از نیترات می شود، از معایب این روش افزایش غلظت کلراید در آب که باعث افزایش خوردگی و ایجاد اثرات منفی در سلامت انسان ها می باشد.همچنین در صورت حضور سایر آنیونها از جمله سولفات که در رقابت×با×نیترات×در×جذب×توسط×رزین است ، راندمان×سیستم×در× حذف×نیترات ×کاهش× می×یابد و درهنگام استفاده از رزین برای حذف سولفات از آبهای سطحی باعث تشکیل ترکیبات آلی طبیعی با وزن مولکولی بالا می شود که حذف آنها در طول احیا NACLمشکل است - - 12؟×همچنین فاضلاب تولیدی غنی از این دو آنیون می باشد که قبل از تخلیه باید توسط روش های تکمیلی حذف شوند، همچنین این روش برای تصفیه ابها ی زیرزمینی مناسب است اما برای تصفیه آب های سطحی که حاوی مواد آلی و جامدات معلق که باعث ایجاد اختلال در کار رزین می شوند مناسب نمی باشد. برای حذف نیترات از آبهای آشامیدنی از ذرات متخلخل درشت با پایه رزینی استفاده می شود. ترکیب مناسب ، خواص فیزیکی و شیمایی و خواص سینتیکی آن ، به عنوان یک ماده ایده آل مورد استفاده قرار می گیرد . - 21 - 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. این روش
