نيتريت و نيترات در آب آشاميدني و روش های حذف

عنصر نيتروژن 0.03 درصد از پوسته زمين را تشكيل مي‌دهد و گاز نيتروژن (NO2) بيش از 78 درصد از هواي تنفسي ما را تشكيل مي‌دهد. اين گاز يا از مايع‌سازي هوا يا از گرم‌كردن تري نيترات سديم (NaN3) به دست مي‌آيد. نيتروژن به اشكال مختلف در طبيعت وجود دارد. مهمترين تركيباتي كه در ساختار ملكولي آن به كار رفته، شامل انواع اسيدهاي آمينه، اوره (NH2)2CO، آمونياك (NH3)، مونوكسيد نيتروژن (NO)، نيتريت (NO2-)، نيترات (NO3-)، اكسيد نيتروس (N2O)، پنتااكسيد نيتروژن (N2O5) و تري كلريد نيتروژن (NCl3). فرم آلي نيتروژن از تجزيه بافت گياهان و حيوانات به وجود مي‌آيد. نيتروژن بخش اساسي ساختمان اسيدهاي آمينه را تشكيل مي‌دهد كه باعث شكل‌گيري بافت پروتئيني جانداران مي‌شود.

در اثر تجزيه پروتئين‌ها (نيتروژن آلي)، يون آمونيوم (NH4+) حاصل شده كه اين تركيب طي فرآيند بيولوژيكي نيتريفيكاسيون (nitrification) كه يك فرآيند دومرحله‌اي مي‌باشد، ابتدا توسط باكتريهاي نيتروزومانس به نيتريت (NO2-) و سپس توسط نيتروباكترها نيتريت به نيترات (NO3-) اكسيد مي‌شود. البته مقداري نيتروژن نيز از طريق تثبيت نيتروژن هوا توسط باكتريها و تخليه الكتريكي ابرها به صورت اكسيد دي نيتروژن (NO2) و اكسيد نيتروژن (NO) به خاك اضافه مي‌شود.

عوامل تهديدكننده منابع آب‌هاي زيرزميني

نشت فاضلاب‌هاي صنعتي و شهري، چاه‌هاي جاذب فاضلاب‌هاي خانگي، تخليه غيربهداشتي فاضلاب در سطح زمين، دفع غيربهداشتي كودهاي حيواني، استفاده بي‌رويه از كودهاي نيتروژني در مزارع و باغات كشاورزي و محلهاي تجمع و نگهداري زباله‌ها و گورستانها از مهمترين عوامل تهديدكننده آب‌هاي زيرزميني مي‌باشد.
آلودگي آب‌هاي زيرزميني يا از طريق منابع نقطه‌اي مثل چاه‌هاي جذبي فاضلاب يا از طريق منابع غيرنقطه‌اي مانند مصرف كودهاي نيتروژني در مزارع كشاورزي صورت مي‌پذيرد. بعلت محلول بودن نيترات اين تركيب به راحتي بوسيله آب از لايه‌هاي مختلف خاك عبور كرده و به سفره‌هاي آب‌هاي زيرزميني راه مي‌يابد.

عوارض و خطرات نيترات و نيتريت در آب
مشكلات نيترات بخصوص در زنان باردار و زنان شيرده، كودكان زير شش ماه و افراد مسن ديده مي‌شود. در دستگاه گوارش نوزادان فرم نيترات به نيتريت تبديل مي‌شود. نيتريت باعث اكسيدشدن آهن دوظرفيتي موجود در هموگلوبين گلبول‌هاي قرمز خون، به آهن سه ظرفيتي شده و آنرا تبديل به متهموگلوبين مي‌كند. اين تركيب ظرفيت اكسيژن‌رساني بسيار كمتري نسبت به هموگلوبين خون دارد. در نتيجه به بافت‌هاي بدن اكسژن كافي رسانده نشده، بعد از مدتي رنگ پوست در ناحيه دور چشم و بخصوص دهان كبود و آبي رنگ مي‌شود كه به اين عارضه سندرم كودكان آبي (blue baby) يا متهموگلوبينميا مي‌گويند. علت امر اينست كه در كودكان زير شش‌ماه توانايي تبديل سريع متهموگلوبين به هموگلوبين ،به علت قليايي بودن PH معده نسبت به بزرگسالان، زيادي باكتريهاي احياكننده نيترات به نيتريت و عدم تكامل سيستم آنزيمي برگشت‌دهنده متهموگلوبين به هموگلوبين، وجود ندارد. لذا مادران شيرده به علت انتقال نيتريت از راه شير به نوزاد لازم است از آب‌هاي داراي نيترات بالاتر از حد مجاز استفاده نكنند.
مشكل ديگر در رابطه با يون نيتريت مي‌باشد. نيتريت پايدار نبوده و سريعا اكسيد شده تبديل به نيترات مي‌شود. نيتريت بعلت ناپايدار بودن بسيار سمي‌تر از نيترات مي‌باشد. اين يون با آمين‌ها يا آميدها واكنش داده و نيتروزوآمين‌ها (nitrosamines) تشكيل مي‌دهد. اين تركيبات عامل شناخته شده سرطان بوده، عملكرد غده تيروئيد بدن را كاهش داده و سبب كمبود ويتامين A در بدن مي‌شود. كمبود ويتامين‌هاي C و E در بدن به افزايش سرعت تشكيل نيتروزآمين‌ها كمك مي‌كند. جالب است بدانيم غلظت نيتريت در بزاق افراد سيگاري 2 تا 4 برابر بيشتر از افراد غيرسيگاري مي‌باشد، لذا تشكيل نيتروزآمين‌ها در اين افراد بيشتر مي‌باشد.
هر چند تعيين سطح دقيق غلظت نيتروژن در آب براي سالم‌بودن يا نبودن آب مشكل مي‌باشد، اما عوارضي مانند سرطان‌هاي معده و سيستم لنفاتيك بدن، سقط جنين در زنان باردار، ناقص‌الخلقه شدن نوزادان، بزرگ‌شدن غده تيروئيد، سردرد و خواب‌آلودگي را به وجود غلظت بالاي نيترات در آب نسبت مي‌دهند.
تركيبات نيتريت و نيترات علاوه بر آب مي‌تواند از طريق مواد غذايي و ساير منابع ديگر به وسيله بدن دريافت شود. مواد غذايي مانند سيب‌زميني، پياز، اسفناج، سوسيس و كالباس، غذاهاي كنسرو‌شده و گوشت‌هاي دودي‌شده نسبت به ساير غذاها داراي ميزان بيشتري نيتريت و نيترات مي‌باشند.

مقدار استاندارد نيتريت و نيترات در آب شرب
طبق استاندارد شماره 1053 موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران ويرايش 5 مورخه 11/12/1388 ميزان نيترات بر حسب NO3 پنجاه ميليگرم در ليتر و نيتريت بر حسب NO2 سه ميليگرم در ليتر مي باشد. البته فابل ذكر است كه به دليل امكان وجود همزمان يون نيتريت و نيترات در آب آشاميدني بايد مجموع نسبت‌هاي مقادير اندازه‌گيري‌شده به مقادير استاندارد كمتر يا مساوي يك باشد.
با توجه به اينكه نيترات بدون رنگ، بدون طعم و بدون بو مي‌باشد، لذا بدون انجام روش‌هاي آزمايشگاهي در آب قابل تشخيص نمي‌باشد. آزمايش منابع آب آشاميدني از نظر مقدار يون نيتريت و نيترات بايد حداقل سالي يك بار انجام پذيرد و از آنجا كه گاهي سالها طول مي‌كشد تا آلودگي به آب‌هاي زيرزميني راه يابد لازم است تغييرات ساليانه منابع آب شرب مورد پايش كيفي قرار گيرند.

روش‌هاي كاهش يا حذف نيتريت و نيترات
به علت پايدار بودن يون نيترات، عدم تمايل براي جذب سطحي يا تركيب با مواد ديگر و حلاليت بالا حذف نيترات توسط روش‌هاي متداول تصفيه (انعقاد، فيلتراسيون، اكسييداسيون) مشكل بوده و بايد از روش‌هاي خاص حذف نيترات استفاده كرد.

رقيق‌سازي (dilution): در اين روش آب منابعي كه داراي غلظت بيش از حد مجاز هستند با آب منابعي كه داراي غلظت‌هاي پايين‌تري از نيترات هستند مخلوط شده و به اين ترتيب بدون انجام هيچگونه فرآيند تصفيه‌اي ميزان نيترات آب آشاميدني شهروندان را تا حد مجاز پايين مي‌آورند.

تبادل يون (ion exchange): اين روش كه يكي از بهترين روش‌ها براي حذف نيترات از منابعي است كه داراي مقدار كمي تركيبات آلي محلول مي‌باشند. در اين روش از مبادله كننده ها يون استفاده مي شود اين مبادله‌كننده‌ها يا بصورت طبيعي بوده (زئوليت) يا بصورت مصنوعي (رزين) ساخته مي‌شوند. رزين‌ها خود به رزين‌هاي كاتيوني و آنيوني تقسيم مي‌شوند. براي حذف يون نيترات از رزين‌هاي آنيوني استفاده مي‌شود. اين رزين‌ها با اولويت‌بندي ذيل آنيون‌ها را از آب حذف مي‌كنند. هرچه ظرفيت يون بيشتر باشد تمايل بيشتري براي جذب روي رزين دارد.
SO4->I>NO3->CrO4->Br->Cl->OH-
با توجه به اينكه حذف سولفات از آب زودتر از نيترات انجام مي‌شود، غلظت بالاي سولفات و ميزان كل جامدات محلول (TDS) آب مورد تصفيه مي‌تواند بر ميزان كارايي اين روش بسيار تاثيرگذار باشد.

اسمز معكوس (reverse osmosis): در اين روش آب با فشار زياد از يك سري غشاء نيمه‌تراوا (semi permeable membrane) عبور داده مي‌شود. اين فشار خارجي كه بيش از فشار طبيعي است باعث مي‌شود ملكول‌هاي آب از غشاء نيمه تراوا عبور كرده و ملكول‌هاي درشت‌تر نتوانند از منافذ غشاء عبور كنند و به اين ترتيب ناخالصي‌ها از آب جدا شوند. محدوده اندازه جداسازي ذرات در فيلترهاي اسمز معكوس 0.0001 تا 0.003 ميكرومتر مي‌باشد. راندمان حذف جامدات محلول در اين سيستم بيش از 99% مي‌باشد. اين روش نياز به مصرف انرژي بالايي دارد، لذا هرينه اين روش بيشتر از تبادل يون مي‌باشد.

بيولوژيكي (biological process): در اين روش 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 88 در 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.

تقطير (distillation): در اين روش با استفاده از حرارت آب را جوشانده و سپس اقدام به جمع‌آوري و سرد كردن بخارات آب (ميعان) مي‌كنند. بدين ترتيب مواد محلول آب و از جمله يون نيترات را از آب جدا مي‌كنند. اين روش قادر به حذف 100% يون نيترات مي‌باشد. هرچند اين روش اقتصادي و متداول نبوده و در موارد خاص كاربرد دارد.

الكترودياليز (electrodialsis reversal): در اين روش به كمك جريان الكتريسيته يون‌هاي محلول در آب توسط غشاهاي نيمه‌تراوا كاتيوني و آنيوني كه بطور متناوب در كنار هم قرار گرفته‌اند از آب جدا مي‌شوند. ضخامت غشاها در دستگاه الكترودياليز 15/0 تا 6/0 ميليمتر مي‌باشد. در اين روش آّب مورد تصفيه بايد مراحل پيش‌تصفيه را گذرانده باشد. چون سيستم به غلظت‌هاي بيش از 2500 ميليگرم در ليتر جامدات محلول و همچنين مواد كلوئيدي و مواد آلي حساس است.

احياي شيميايي (chemical reduction): در اين روش 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.

اگر امكان حذف يا كاهش نيترات از طريق تصفيه آب وجود نداشته باشد، بايد از منابع جايگزين استفاده نمود. به عنوان مثال مي‌توان چاه‌هاي مشكل‌دار را با چاه‌هاي بدون مشكل شهرداري‌ها جايگزين نمود. همچنين از آنجا كه احتمال نفوذ آلودگي نيترات در لايه‌هاي پايين‌تر زمين كمتر مي‌باشد، با افزايش عمق چاه‌هاي در حال بهره‌برداري مي‌توان انتظار داشت ميزان غلظت نيتزات در آب استحصالي كمتر باشد.