وجود نيترات درآب و روشهاي حذف آن از آب آشاميدني

مقدمه

نيترات (NO3) يکي از آنيون ها ي معدني است که در نتيجه اکسيد اسيون نيتروژن عنصري حاصل مي شود .اين ماده يکي از عنا صر بسيار ضروري براي سنتز پروتئين در گيا هان است ونقش مهمي در چرخه نيتروژن دارا مي باشد . نيترات از طريق اکسيداسيون طبيعي توليد وبنا براين در تمام محيط زيست يافت مي شود.

فاضلاب هاي شهري ، صنعتي ، مواد دفعي حيواني وگياهي در شهرهاي بزرگ که داراي نيتروژن آلي هستند به خاک دفع مي شوند . دراثر فعاليت ميکروار گا نيزم هاي خاک ، نيتروژن آلي به يون آمونيوم ( NH4+) تبديل شده که به اين پديده Ammonifcation گفته مي شود . خاک توانائي نگهداري اين ترکيب رادر خود دارد اما به مرور طي پديده ديگري به نام Nitrification بخشي از يون آمونيوم ابتدا به يون نيتريت(NO2-) وسپس به يون نيترات تبديل مي شود . لايه سطحي خاک قادر به حفظ ونگهداري اين دو ترکيب نبوده ودر نتيجه نيتريت ونيترات به آبها ي زير زميني راه مي يابند. از سوي ديگر چرخه نيترات سازي در شهرها يي که دفع نادرست فا ضلاب از طريق چا ه هاي جذبي انجام مي شود همچنان ادامه دارد ومشکل توليد پيوسته نيترات وانتشارآن به آب هاي زيرزميني راسبب مي گردد. از آنجايي که نيترات در آب به صورت محلول وجود دارد، روش هاي معمول تصفيه آب قادر به خذف آن نيستند . ازاين رو نياز به آن دسته ازروش هاي تصفيه پيشرفته مي باشد که قادر به کاهش آلاينده هاي محلول هستند .

اثرات غير سرطان زائي

احياي نيترات معدني وآلي پس از ورود به سيستم گردش خون آهن همو گلوبين را اکسيد نموده و از ظرفيت II به ظرفيت III تبديل مي نمايد . متهموگلوبين ظرفيت اکسيژن رساني بسيارکمتري از هموگلوبين دارد ودر نتيجه به بافت ها، اکسيژن کافي نمي رسد و بعداز مدتي رنگ پوست بخصوص در ناحيه دور چشم ودهان، به تيرگي ميگرايد وازاين رو به آن سندرم BIueBaby ميگويند. از ديگر علائم افزايش متهموگلوبين مي توان به سردرد خواب آلودگي واشکال در تنفس اشاره نمود.

اين عارضه اولين نشانه مسموميت با نيترات است ونوزادان زير شش ماه آسيب پذ يرترين گروه سني دراين مورد هستند . زيرا نوزادان برخلاف بزرگسالان علاوه بر PH با لاي معده وزيادي باکتري هاي طبيعي احياء کننده نيترات، فاقد آنزيم برگشت دهنده متهموگلوبين به همو گلوبين هستند.

اثرات سرطاني زائي

احتمال اين که نيترات معدني ويا آلي به عنوان يک عامل سرطان زا عمل نمايند ، بستگي به احياي نيترات به نيتريت و واکنش هاي بعدي نيتريت با ساير مولکول ها به خصوص آمين هاي نوع دوم، آميدها وکاربامات ها دارد که منجر به تشکيل ترکيبات نيتروزو اكسيد مي گردد.

بررسي هاي اپيدوميولوژيکي در اكثر نقاط دنيا رابطه مطمئني رادر اين زمينه نشان نداده است . در کشور آلمان تحقيقاتي برروي جمعيت در معرض نيترات بالا در آب آشاميدني انجام گرفت که رابطه معني داري بين غلظت نيترات وافزايش تومورهاي سرطان مغز به دست نيامد. مطا لعات ديگر در دانشگاه نبراسکا نشان داد که رابطه معني داري بين غلظت نيترات آب وافزايش شيوع يک نوع سرطان به ميزان دوبرابر گرديده است.

اين طور به نظر مي رسد که تشکيل تر کيبات نيتروزو اكيسد N-nitroso بستگي به احياي نيترات به نيتريت، وجود پيش– سازهاي لازم با غلظت کافي، عدم حضور تر کيباتي که مانع از سنتز ترکيبات نيتروزو اكسيد N-nitrosoمي شوند (مانند ويتامين هاي Eو C ) ودر نهايت وجود منبع خارجي از نيتروزآمين ها دارد.

با توجه به اين که تعداد متغيرها دراين مطا لعات زياد بوده است رابطه منطقي بين افزايش داده هاي موجود براي اظهار نظر قطعي کافي نيستند.

اما ثابت شده است که ترکيبات N-nitroso در حيوانات آزمايشگا هي سرطان زا مي باشند.

حد مجاز نيترات در آب آشاميدني

با توجه به مطالعات به عمل آمده توسط سازمان حداکثر مجاز 50 ميليگرم درليتر (برحسب نيترات)را اعلام نموده است. استاندارد ملي ايران نيز براي نيترات همين مقدار مي باشد. سازمان حفا ظت محيط زيست ايا لات متحده حداکثر مجاز نيترات را10 ميلي گرم در ليتر (برحسب نيتروژن) قرار داده که معادل با 82/44ميلي گرم در ليتر برحسب نيترات است.

روش هاي حذف نيترات

نيترات داراي حلاليت زياد درآب بوده وبدون بو ومزه است که به سختي ازآب قابل حذف مي باشد . بنا براين کاهش نيترات اغلب با مشکلات و هزينه زياد روبروست. روش هاي متفاوتي براي حذف نيترات از آب آشاميدني وجود دارد که برخي از آن ها در مقياس بزرگ عملياتي نيستند. متداول ترين روش ها ي موجود براي کا هش نيترات در مقياس بزرگ عبارتند از:

رقيق سازي Dilution

تبادل يون Ion exchange

اسمزمعکوس Reverse Osmosis

رقيق سازي

زماني که براي تامين آب جهت توزيع در يک سامانه آبرساني امکان استفاده از چند منبع آب خام با کيفيت هاي متفاوت وجود داشته باشد، بحث رقيق سازي قا بل طرح خواهد بود. به طورمعمول غلظت هاي با لاتر ازحد مجاز نيترات در منا بع آب زيرزميني مشاهده مي شود ودر مقا بل آب هاي سطحي اغلب داراي غلظت نيترات کمتري هستند. از اين رو در يک سامانه آبرساني مي توان ازاختلاط آب هاي سطحي با آب هاي زيرزميني که داراي غلظت هاي متفاوتي از نيترات ميباشند، براي تعديل اين آلاينده استفاده نمود.

تبادل يوني

تبادل يون يک واکنش برگشت پذير است كه نياز به احياءدارد.

دراين عمل با استفاده از يک محلول که داراي يون هاي ازدست رفته رزين به مقدار کافي ميباشد، رزين دوباره به فرم فعال اوليه تبديل مي شود اما مقداري از ظرفيت تبادل خود را از دست مي دهد. به طور کلي هرچه ظرفيت يون بيشتر باشد با تمايل بيشتري جذب رزين مي گردد. بنا براين يون سه ظرفيتي ويون دوظرفيتي بيش از يون يک ظرفيتي توسط رزين جذب مي شود. حتي براي يون هاي با ظرفيت يکسان نيز ضريب گزينش متفاوت است . اغلب هر چقدر وزن مولکولي بيشتر باشد و يا اندازه يون کوچک تر گردد، تمايل به جذب افزايش مي يابد. وجودضريب گزينش باعث مي شود که يون ها به طور يکسان جذب رزين نشوند. ترتيب گزينش يون ها در هنگام استفاده از رزين هاي آنيوني رايج به ترتيب ذيل مي باشد:

SO4>NO3>Cl>HCO3

در نتيجه وقتي که نيترات يون مورد نظر براي حذف باشد، قبل از آن به طور اجتناب نا پذير، فسفات وسولفات مبادله شده وزماني نيترات مبادله مي گردد که ديگر يون هاي مذ کور به صورت آزاد وجود نداشته باشند.

پس از کاهش ظرفيت رزين مشکل ديگري به وجود مي آيد، مبادله دوباره يون هاي نيترات جذب شده روي رزين با يون هاي سولفات تازه وارد است که منجر به افزايش نيترات درآب خروجي ميشود. اين پديده به Nitrate Dumping معروف است .دراين زمان مقداري نيترات درآب خام وارد مي گردد.

درسا ل هاي اخير رزين هايي ساخته شده اند که نسبت به رزين هاي متداول قا بليت جذب بيشتري دارند وبه آن ها رزين هاي انتخابي مي گويند. براي افزايش ضريب گزينش نيترات دراين نوع رزين ها، طول زنجيره هاي استري (به دليل وجود گروه فعال ، تري اتيل وتري بوتيل آمين) افزايش يافته تا ظرفيت نيترات براي احياي زنجيره ها بيشترشود. اما با افزايش طول اين زنجيره، ظرفيت حجمي رزين کاهش مي يابد. بنابراين رزين هاي انتخابي درفواصل زماني کوتاه تري نسبت به رزين هاي معمولي نياز به احياء دارند.

مزاياي روش تبادل يوني به اختصار شامل بهره برداري آسان، عدم نياز به تخصص بالا وتجهيزات پيچيده، عدم نياز به فضاي زياد جهت احداث وسرمايه گذاري اوليه کمتر نسبت به اسمز معکوس ميباشد. معايب آن نيز عبا رتند از، روش تصفيه شيميايي است ونياز به مواد شيميائي براي راهبري دارد، مشکل دفع ويا تصفيه پساب خروجي وجود دارد، حدود2 تا 15درصد آب ورودي صرف شستشوي معکوس واحياي رزين مي شود، قادربه حذف ذرات، ميکروازگانسيم ها وسايرآلاينده ها ي نمي باشد و هزينه بهره برداري آن در درازمدت زياداست.

اسمزمعکوس (R.O )

درفرآينداسمز معکوس آب با فشار زياد ازيک سري غشاء نيمه تراوا( Semi-Permeable Membrane)عبور داده مي شود . اين فشار خارجي از فشار اسمزي طبيعي بيشتر است در نتيجه مولکول هاي کوچکتر از منا فذ غشاء عبور مي کنند، در حالي که مولکول ها ي بزرگتر، قادر به عبور از غشاءنيستند و در جرياني جانبي از کنار غشاء عبور داده شده ودفع مي گردند.

دراين فرآيند ميکروارگانيسم ها نيز از آب حذف مي شوند. به طور کلي اين فرآيند براي شيرين کردن آب هاي شور به کار مي رود ولي درسال هاي اخير براي حذف آلاينده هاي خاص نظير نيترات مورد توجه قرار گرفته است. اسمز معکوس يک روش تصفيه فيزيکي و نوعي فيلتر اسيون است که نياز به مواد شيميائي ندارد. در اغلب منابع از روش اسمز معکوس به عنوان روشي موفق واقتصادي در دراز مدت براي کنترل آلاينده هاي آب از جمله نيترات ياد شده است. دراين روش علاوه برنيترات، کل جامدات محلول ( TDS) آب نيزکاهش مي يابد.

به طور کلي فرآيندهاي فيلتر اسيون براي جداسازي آلاينده ها، به چهارگروه کلي قابل طبقه بندي هستند : ميکروفيلتراسيون (MF) ، اولترافيلتراسيون ( UF) ، نانوفيلتراسيون (NF) واسمزمعکوس، که به هايپر فيلتراسيون (HF) شهرت يافته است .

به دليل قابليت هاي چشمگير غشاء هاي RO ، امروز در سيستم هاي تصفيه در نقطه مصرف ( Point of Use) يا همان دستگاه هاي تصفيه خانگي بسيار متداول شده است . دراين موارد نيز عملکردفيلترهاي RO بستگي مستقيم به کيفيت و فشار آب ورودي دارد و به دليل قرار گرفتن فيلتر کربن فعال درکنار فيلتر RO دراين دستگاه ها، قابليت کاهش ترکيبات آلي فرار (VOCs) نظير کلروفرم، ترکيبات نفتي وهمچنين ترکيبات آلي محلول ( SOCs) نظير دي اکسين ها وآفت کش ها نيز فراهم آمده است.

تئوري هاي حذف در فرآيند اسمز معکوس

به طورکلي حذف يون ها، نمک ها و مولکول ها توسط روش اسمز معکوس، براساس چهار عامل بارذرات، وزن مولکولي، اندازه ذرات و ساختار شيميائي آن ها مي باشد . درواقع، حذف ذرات توسط فرآيند اسمز معکوس تلفيقي از4 عامل ياد شده است .

نيترات يک آنيون بسيار محلول در آب بوده وبراي سيستم RO به لحا ظ ايجاد رسوب وجرم مشکلي ايجاد نمي کند. باتوجه به اين که ترکيبات معدني ونمک ها براساس تئوري هيداراتاسيون، درآب محلول هستند ، يون هاي ديسوسيه شده براساس بار يوني وشعاع يوني خود جذب مولکولهاي آب شده وهيداراته مي گردند. بسياري از آنيون ها که نسبت بار به شعاع يوني بزرگتري دارند، مي توانند در فيلتر اسمز معکوس ايجاد رسوب نمايند.

مزاياي روش اسمز معکوس به اختصارعبارتنداز:

روش تصفيه فيزيکي بدون استفاده ازمواد شيميائي است.

گرچه فرآيندROدراصل براي حذف جامدات محلول، سختي ورنگ به کار ميرود ولي علاوه براين ها، نيترات، سولفات، سديم، ميکروارگانيسم ها، فلزات سنگين سمي نظير سرب وآزبست را نيز بين 50تا90درصد کاهش مي دهد.

هزينه نگهداري اين سيستم ها در دراز مدت کمتر ازسيستم ها تبادل يون است.

معايب روش اسمز معکوس نيز عبارتنداز:

- محدوديت ظرفيت آبگذر سيستم وجود دارد. يعني ميزان بارگذاري حجمي سيستم غير قابل انعطاف بوده ومحدود مي باشد.

- استفاده ازاين روش ممکن است سبب برهم زدن تعادل نسبت کلسيم /کربنات، کاهش اکسيژن محلول وتغيير مزه آب خروجي مي شود که ممکن است نياز به تنظيم مجدد يا هوادهي داشته باشد.

- به دليل حسا سيت غشاءها، در صورت وجود رسوب نياز به يک پيش تصفيه ساده قبل از سيستم هاي اسمز معکوس وجود دارد.

- براي دفع پساب که به ازاء هر يک حجم آب خروجي حدود 5 تا10 درصد حجم پساب توليد ميگردد، بايد از قبل تدابير خاص انديشيده مي شود.

مقاسيه اقتصادي

بررسي ها نشان داده که هزينه سرمايه گذاري اوليه براي احداث يک واحد اسمز معکوس نسبت به يک واحد تبادل يون در ظرفيت مساوي، بيشتر است. اما درادامه، روش تبادل يون نياز به هزينه بيشتري براي نگهداري (شامل هزينه عمليات احياء کننده وهزينه جا يگزيني رزين هايي که کار آئي آنها کاهش يافته است) دارد. ازبين موارد يادشده، قيمت مواد شيميا ئي حدود 70درصد هزينه هاي بهره برداري ونگهداري روش تبادل يون راشامل ميشود. از جمله راه هاي کاهش هزينه بهره برداري سيستم هاي تبادل يون، تاسيس واحد هاي توليدي مواد شيميائي مورد نياز براي فرآيند، درکنار تصفيه خانه است که نياز به سرمايه گذاري اوليه زيادي دارد. درمقابل روش اسمز معکوس نياز به انرژي فراوان دارد که کاملا مرتبط با قيمت برق مي باشد.

درسال هاي اخير با دستيابي به فناوري توليد غشاءهاي فشار پائين، مقدار برق مصرفي سيستم هاي اسمز معکوس بين 30تا60 درصدکاهش يافته است.

سيستم هاي قديمي با فشاري معادل PSI 400 تا PSI 600کار مي کردند وسيستم هاي جديد با فشاري معادل PSI 250(براي سيستم هاي خا نگي PSI 50-100 ) بهره برداري مي شوند بنا براين از آنجايي که ميزان برق مصرفي رابطه مسقيم با فشار سيستم دارد درنتيجه ميزان برق مصرفي نيز کاهش مي يابد. درعين حال بايد توجه نمودکه هزينه مصرفي برق پمپ هاي سيستم اسمز معکوس، هنگامي که درمقياس بزرگ ازاين سيستم ها مي خواهد استفاده شود، بايد به دقت مورد ارزيابي قرار گيرد.

واحد محيط زيست شركت ملي گاز ايران