مضرات نیترات در آب آشامیدنی و حذف آن توسط فرآیند اسمز معکوس

نیترات (NO۳ منفی) یکی از آنزیم‌های معدنی است که در نتیجه اکسیداسیون نیتروژن عنصری حاصل می‌شود. 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 می‌شود.

فاضلاب‌های شهری، صنعتی، مواد دفعی حیوانی و گیاهی در شهرهای بزرگ که دارای نیتروژن آلی هستند به خاک دفع می‌شوند. در اثر فعالیت میکروارگانیزم‌های خاک، نیتروژن آلی به یون آمونیوم (NH۴ مثبت) تبدیل شده که به این پدیده Amonification گفته می‌شود. خاک توانائی نگهداری این ترکیب را در خود دارد اما به مرور طی پدیده دیگری به‌نام Nitrification، بخشی از یون آمونیوم ابتدا به نیتریت (NO۲ منفی) و سپس به نیترات تبدیل می‌شود.

لایه سطحی خاک قادر به حفظ و نگهداری این دو ترکیب نبوده و در نتیجه نیتریت و نیترات به آب‌های زیرزمینی راه می‌یابند.

از آنجائی که نیترات در آب به‌صورت محلول وجود دارد. روش‌های معلول تصفیه آب قادر به حذف آن نیستند از این رو نیاز به آن دسته از روش‌های تصفیه پیشرفته می‌باشد که قادر به کاهش آلاینده‌های محلول هستند از سوی دیگر چرخه نیترات‌سازی در شهرهائی که دفع نادرست فاضلاب از طریق چاه‌های جذبی انجام می‌شود همچنان ادامه دارد و مشکل تولید پیوسته نیترات و انتشار آن به آب‌های زیرزمینی را سبب می‌گردد.

● اثرات غیرسرطان‌زائی

نیتریت حاصل از احیاء نیترات معدنی و آلی پس از ورود به سیستم گردش خون، آهن هموگلوبین را اکسید نموده و از ظرفیت II به ظرفیت III تبدیل می‌نماید که در نتیجه هموگلوبین به متهموگلوبین تبدیل می‌شود. متهموگلوبین ظرفیت اکسیژن‌رسانی بسیار کمتری از هموگلوبین دارد و در نتیجه به بافت‌ها اکسیژن کافی نمی‌رسد. بعد از مدتی رنگ پوست (در ناحیه دور چشم و دهان) به تیرگی می‌گراید و از این‌رو به آن سندرم Blue Baby می‌گویند.

این عارضه اولین نشانه مسمومیت با نیترات است و نوزادان زیر شش ماه، آسیب‌پذیرترین گروه سنی در این مورد هستند. زیرا نوزادان برخلاف بزرگسالان، علاوه بر PH بالای معده و زیادی باکتری‌های طبیعی احیاء کننده نیترات، فاقد آنزیم برگشت‌دهنده متهموگلوبین به هموگلوبین هستند. از دیگر علائم افزایش متهموگلوبین می‌توان به سردرد، خواب‌آلودگی و اشکال در تنفس اشاره نمود.

● اثرات سرطان‌زائی

احتمال اینکه نیترات معدنی و یا آلی به‌عنوان یک عامل سرطان‌زا عمل نمایند، بستگی به احیاء نیترات به نیتریت و واکنش‌های بعدی نیتریت با سایر مولکول‌ها به‌خصوص آمین‌های نوع دوم، آمیدها و کاربامات‌ها دارد. که منجر به تشکیل ترکیبات - N nitroso می‌گردد.

مطالعات انجام شده در کلمبیا نشان داده که رابطه معنی‌داری بین شیوع سرطان معده و غلظت نیترات در آب آشامیدنی برداشت شده از چاه‌ها وجود دارد.

اما بررسی‌های اپیدمیولوژیکی در دیگر نقاط دنیا رابطه مطمئنی را در این زمینه نشان نداده است. در کشور آلمان تحقیقاتی بر روی جمعیت در معرض نیترات بالا در آب آشامیدنی انجام گرفت که رابطه معنی‌داری بین غلظت نیترات و افزایش تومورهای سرطانی مغز به‌دست نیامد. مطالعات دیگر در دانشگاه نبراسکا نشان داد که رابطه معنی‌داری بین غلظت نیترات آب و افزایش شیوع یک نوع سرطان سیستم لنفاتیک در ساکنین شهر نبراسکا وجود دارد به این ترتیب که غلظت بالاتر از حد مجاز نیترات در آب آشامیدنی سبب افزایش شیوع این نوع سرطان به میزان دو برابر گردیده است.

این‌طور به‌نظر می‌رسد که تشکیل ترکیبات N - nitroso بستگی به احیاء نیترات به نیتریت، حضور پیش‌سازهای لازم با غلظت کافی، عدم حضور ترکیباتی که مایع از سنتز ترکیبات N -nitroso می‌شوند (مانند ویتامین‌های E و C) و در هدایت وجود منبع خارجی از نیتروزآمین‌ها دارد. با توجه به اینکه تعداد متغیرها در این مطالعات زیاد بوده است. رابطه منطقی بین افزایش نیترات در آب آشامیدنی و بروز سرطان یافت نشده است. در واقع داده‌های موجود برای اظهارنظر قطعی کافی نیستند. اما ثابت شده است که ترکیبات N-nitroso در حیوانات آزمایشگاهی سرطان‌زا می‌باشند.

● استاندارد نیترات در آب آشامیدنی

با توجه به مطالعات به‌عمل آمده توسط سازمان بهداشت جهانی در مورد نیترات، این سازمان حداکثر مجاز ۵۰ میلی‌گرم در لیتر (برحسب نیترات) را اعلام نموده است. استاندارد ملی ایران نیز برای نیترات همین مقدار می‌باشد. سازمان حفاظت محیط‌زیست ایالات متحده، حداکثر مجاز نیترات را ۱۰ میلی‌گرم در لیتر (برحسب نیتروژن) قرار داده که معادل با ۸۲/۴۴ میلی‌گرم در لیتر برحسب نیترات است.

● روش‌های حذف نیترات

نیترات دارای حلالیت زیاد در آب و بدون بو و مزه است که به‌سختی از آب قابل حذف می‌باشد. بنابراین کاهش نیترات اغلب با مشکلات و هزینه زیاد روبرو است. روش‌های متفاوتی برای حذف نیترات از آب آشامیدنی وجود دارد که برخی از آنها در مقیاس بزرگ عملیاتی نیستند. متداول‌ترین روش‌های موجود برای کاهش نیترات در مقیاس بزرگ عبارتند از:

▪ رقیق‌سازی (Dilution)

▪ تبادل یون (Ion Exchange)

▪ اسمز معکوس (Reverse Osmosis)

● رقیق‌سازی

زمانی که برای تأمین آب جهت توزیع در یک سامانه آبرسانی، امکان استفاده از چند منبع آب خام یا کیفیت‌های متفاوت وجود داشته باشد، بحث رقیق‌سازی قابل طرح خواهد بود. به‌طور معمول غلظت‌های بالاتر از حد مجاز نیترات در منابع آب زیرزمینی مشاهده می‌شود و در مقابل، آب‌های سطحی اغلب دارای غلظت نیترات کمتری هستند. از این رو در یک سامانه آبرسانی می‌توان از اختلاط آب‌های سطحی با آب‌های زیرزمینی که دارای غلظت‌های متفاوتی از نیترات می‌باشند، برای تعدیل این آلاینده استفاده نمود.

گاهی به‌دلیل گستردگی سامانه آبرسانی امکان فراهم نمودن شرایط اختلاط بهینه ممکن نیست. وجود مخازن متعدد و پراکنده در سطح شهر که از منابع چندانه تغذیه می‌شوند، مدل طراحی شبکه آبرسانی و سرعت مصرف آب در معامله توزیع، همه از عواملی هستند که دستیابی به اختلاط بهینه را دشوار می‌سازند.

از سوی دیگر با افزایش غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی، به همان نسبت به حجم بیشتری از آب خام دارای نیترات کم برای رقیق‌سازی نیاز خواهد بود. در شرایط ایده‌آل (در دسترس بودن آب بدون نیترات) برای کاهش غلظت نیترات ۱۰۰ میلی‌گرم در لیتر (در یک حجم آب) به غلظت نیترات ۲۵ میلی‌گرم در لیتر، نیاز به ۳ حجم آب بدون نیترات می‌باشد. حال در صورتی که غلظت نیترات به ۲۰۰ میلی‌گرم در لیتر برسد، نیاز به ۷ حجم آب بدون نیترات برای رسیدن به آب دارای نیترات، ۲۵ میلی‌گرم در لیتر است.

در شرایط واقعی و به‌طور معمول، آب‌های سطحی نیز خود دارای مقداری نیترات می‌باشند که در نتیجه نیاز به حجم بیشتری از آب برای رقیق‌سازی است و به‌خصوص زمانی‌که منابع تولید و انتشار ترکیبات نیتروژن و فرآیند نیترات‌سازی همچنان فعال باشند، عملیات رقیق‌سازی به مرور قابلیت خود را برای کاهش نیترات از دست می‌دهد و دیگر راه‌حل قابل اطمینانی نخواهد بود.

● تبادل یون تبادل یون

تبادل یون یک واکنش برگشت‌پذیر است که در آن یون‌های یک محلول با یون‌های دارای بار الکتریکی مشابه موجود روی رزین تعویض می‌گردند. نیترات در آب از بار منفی برخوردار است بنابراین می‌توان آن را توسط رزین‌های آنیونی از آب حذف نمود. وقتی‌که رزین یون‌های قابل تبادل خود را از دست داد، نیاز به احیاء دارد.

در این عمل با استفاده از یک محلول که دارای یون‌های از دست رفته رزین به مقدار کافی می‌باشد، رزین دوباره به فرم فعال اولیه تبدیل می‌شود اما مقداری از ظرفیت تبادل خود را از دست می‌دهد، به‌طور کلی هر چه ظرفیت یون بیشتر باشد یا تمایل بیشتری جذب رزین می‌گردد. بنابراین یون سه ظرفیتی و یون دو ظرفیتی بیش از یون یک ظرفیتی توسط رزین جذب می‌شود. حتی برای یون‌های با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متفاوت است و اغلب هر چقر وزن مولکولی بیشتر باشد و با اندازه یون کوچکتر گردد، تمایل به جذب افزایش می‌یابد. وجود ضریب گزینش باعث می‌شود که یون‌ها به‌طور یکسان جذب رزین نشوند. ترتیب گزینش یون‌ها در هنگام استفاده از رزین‌های آنیونی رایج به ترتیب روبرو می‌باشد:

SO۴>NO۴>Cl>HCO۴

در نتیجه وقتی که نیترات یون موردنظر برای حذف باشد، قبل از آن به‌طور اجتناب‌ناپذیر، فسفات و سولفات مبادله شده و زمانی نیترات مبادله می‌گردد که دیگر یون‌های مذکور به‌صورت آزاد وجود نداشته باشند.

پس از کاهش ظرفیت رزین مشکل دیگری به‌وجود می‌آید که آن مبادله دوباره یون‌های نیترات جذب شده روی رزین با یون‌های سولفات تازه وارد است که منجر به افزایش نیترات در آب خروجی می‌شود که به پدیده Nitrate Dumping معروف است. در این زمان مقدار نیترات در آب تصفیه شده بیش از مقدار نیترات در آب خام ورودی می‌گردد.

در سال‌های اخیر رزین‌هائی ساخته شده‌اند که نسبت به نیترات قابلیت جذب بیشتری دارند و به آنها رزین‌های انتخابی می‌گویند. برای افزایش ضریب گزینش نیترات در این نوع رزین‌ها، طول زنجیره‌های استری (به‌دلیل وجود گروه فعال تری‌اتیل و ری یونیل آمین) افزایش یافته تا ظرفیت نیترات برای احیاء زنجیره‌ها بیشتر شود. اما با افزایش طول این زنجیره، ظرفیت حجمی رزین کاهش می‌یابد، بنابراین رزین‌های انتخابی در فواصل زمانی کوتاه‌تری نسبت به رزین‌های معمولی نیاز به احیاء دارند.

مزایای روش تبادل یونی به اختصار شامل بهره‌برداری آسان، عدم نیاز به تخصص بالا و تجهیزات پیچیده، عدم نیاز به فضای زیاد جهت احداث و سرمایه‌گذاری اولیه کمتر نسبت به اسمز معکوس می‌باشد. معایب آن نیز عبارتند از اینکه یک روش تصفیه شیمیائی است و نیاز به مواد شیمیائی برای راهبری دارد، مشکل دفع و یا تصفیه پساب خروجی وجود دارد، حدود ۲ تا ۱۵ درصد آب ورودی صرف شستشوی معکوس و احیاء رزین می‌شود، قادر به حذف ذزرات، میکروارگانیسم‌ها و سایر آلاینده‌های آب نمی‌باشد و هزینه بهره‌برداری آن در درازمدت زیاد است.

● اسمز معکوس (R.O)

در فرآیند اسمز معکوس آب با فشار زیاد از یک سری غشاء نیمه تراوا (Semi-PermeableMembrane) عبور داده می‌شود. این فشار خارجی از فشار اسمزی طبیعی بیشتر است در نتیجه مولکول‌های کوچکتر از منافذ غشاء، عبور می‌کنند در حالی که مولکول‌های بزرگتر، قادر به عبور از غشاء نیستند و سپس در جریانی جانبی از کنار غشاء عبور داده شده و دفع می‌گردند (شکل ۲). در این فرآیند میکروارگانیسم‌ها نیز از آب حذف می‌شوند. به‌طور کلی این فرآیند برای شیرین کردن آب‌های شور به‌کار می‌رود ولی در سال‌های اخیر برای حذف آلاینده‌های خاص نظیر نیترات مورد توجه قرار گرفته است. اسمز معکوس یک روش تصفیه فیزیکی و نوعی فیلتراسیون است که نیاز به موادشیمیائی ندارد.

در اغلب منابع از روش اسمز معکوس به‌عنوان روشی موفق و اقتصادی در درازمدت برای کنترل آلاینده‌های آب از جمله نیترات یاد شده است. در این روش علاوه بر نیترات، کل جامدات محلول (TDS) آب نیز کاهش می‌یابد. اگرچه فرآیند RO می‌تواند میکروارگانیسم‌ها را نیز حذف کند، اما توصیه شده که آب پاک از نظر شاخص باکتریائی (بدون کلیفرم) به فرآیند RO وارد گردد. به‌طور کلی فرآیندهای فیلتراسیون برای جداسازی آلاینده‌ها به چهار گروه کلی قابل طبقه‌بندی هستند. میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF)، نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس که به هایپرفیلتراسیون (HF) شهرت یافته است. )

در برخی منابع قطر منافذ غشاهای صنعتی RO حدود ۰۰۰۵/۰ میکرون (۵۰۰ پیکومتر) و اندازه تقریبی منافذ غشاهای دستگاه‌های تصفیهٔ خانگی نیز تا ۰۰۰۱/۰ میکرون (۱۰۰ پیکومتر) ذکر شده است.

- علیرضا رضائیان (کارشناس ارشد مهندسی محیط)

- زهرا جهانفرنیا (کارشناس ارشد شیمی) - شرکت آب و فاضلاب شهر تهران

References

http://www.watertechonline.

com/article.asp?IndexID=۶۶۳۳۵۲۳

/http://www.ext.nodak.edu

extpubs/h۲oqual/watsys/ae۱۰۳۱w.htm

/http://www.ext.nodak.edu

extpubs/h۲oqual//watsys/ae۱۰۴vw.htm

http://www.afreelink.com/reverse_osmosis.htm

/http://www.watertiger.net/RO

how_ro_works.htm