اشكال معمول نيتروژن در فاضلاب، نيتروژن آلي، آمونياك، نيتريت و نيترات هستند. تجزيه تركيبات آلي درون فاضلاب نيز منجر به افزايش غلظت آمونياك ميگردد. در شرايط بي هوازي، رشد باكتريهاي نيتريت ساز، منجر به مصرف آمونياك و توليد يون نيتريت و پس از آن نيترات خواهد شد. نيتروژن موجود در فاضلابها ناشي از فضولات انساني، شيرابه زباله و فاضلابهاي صنعتي خصوصا فاضلاب صنايع غذايي است.

به طور تقريبي، ميزان چهل درصد از نيتروژن فاضلات خام در قالب آمونياك و الباقي ماهيتي آلي دارد. متوسط غلظت نيتروژن در فاضلاب خام انساني در حدود ۳۵ ميليگرم بر ليتر است. حدود پانزده درصد از نيتروژن درون فاضلاب خام، با ته نشيني اوليه در قالب لجن اوليه از فاضلاب حذف ميگردد. با توجه به محتواي كربن و فسفر درون فاضلاب نیز حدود ده درصد از ميزان غلظت نيتروژن طي فرايند بيولوژيكي قابل حذف مي باشد.

ميزان باقيمانده نيتروژن كه بالغ بر ۲۵ ميلي گرم در ليتر است ميبايست طي فرايند نيتريفيكاسيون، از حالت آمونياكي به حالت نيتريت و متعاقب آن نيترات تبديل گردد.

حضور نيترات نيز در درون فاضلاب و متعاقب آن وارد شدن به آبهاي زيرزميني و منابع آّب شرب خطرات بهداشتي زيادي به دنبال دارد. در فرايند دنيتيريفيكاسيون با حضور باكتريهاي هتروتروفيك در يك راكتور قالبي بي هوازي داراي همزن در كف مخزن، نيترات موجود درون فاضلاب به گاز نيتروژن تبديل شده و دفع ميگردد. فرايند توليد گاز نيتروژن به صورت كنترل نشده درون كلاريفايرهاي ثانويه منجر به پديده معروف توده اي شدن و شناور شدن مجدد لجن ته نشين می شود كه يكي از مشكلات رايج در تصفيه خانه هاي فاضلاب به دلیل بهره برداري ضعيف و غير اصولي است و منجر به افزايش كدورت در خروجي است.

مخاطرات نیتریت ونیترات در آبهای آشامیدنی وعوارض آن

سیار ی از مردم دررابطه با وجود نیترات در آب های آشامیدنی سؤالاتی را مطرح میکنند،نتایج پایش کیفی آبهای زیرزمینی پنسیلوانیا حاکی از غلظت کم نیترات درآبها میباشد، اما درمناطق کشاورزی غلظت نیتروژن –نیترات بیشتر از حد مجاز اعلام شده توسط EPA ،۱۰ ميلي گرم درليترمیباشد ( حد مجاز نيترات بر حسب نيتروژن- نيترات ۱۰ ميلي گرم درليتر و برحسب يون نيترات ۵۰ ميلي گرم در ليتر ميباشد.). بعلاوه محل های دفع فاضلاب ، دفع مواد زائد جامد ، سپتیک ،دفن زباله ،‌میتواند از علل غلظت بالای نیتروژن – نیترات در آبهای آشامیدنی باشد.نیتروژن یکی از اجزاء اصلی پروتئین مورد نیاز موجودات زنده است ، در محیط زیست به فرم های مختلف درآب وجود دارد و فرم آن نیز در چرخه ازت تغییر می کند، به هر حال افزایش غلظت نیترات و نیتریت در آب های آشامیدنی خطراتی را از نظر سلامتی بالاخص برای کودکان و زنان بار دار دارد.

منابع نیترات در آبهای آشامیدنی :

نیتروژن بعنوان یک ماده مغذی ( کود) به مقدار زیاد در چمنزار وباغات و محصولات کشاورزی کاربرددارد علاوه بر کود، نیتروژن ،در خاک به فرم آلی از تجزیه گیاهان و حیوانات بوجود می آید . فرمهای مختلف نیتروژن درخاک توسط باکتریها به نیترات (یون NO۳)تبدیل میشود. مطلوب این است که نیتروژن به فرم نیترات جذب گیاهان شود.به هر حال نیترات ، به راحتی با عبور آب از لایه های خاک به زمين نفوذ پیدا کرده و در اثر بارش ياآبیاری های شدید ، به ریشه گیاهان و نهایتاً به آبهای زیر زمینی می رسد. نیترات در آبهای زیر زمینی يا از منابع نقطه ای مانند دفع فاضلاب ، دامداریها و یا منابع غیر نقطه ای مانند مصرف کود کشاورزی در پارک ها ، زمین های گلف ،‌چمن زارها و باغات نشا ت ميگيردو یا طبیعی اتفاق ميافتد. حفر چاه آب در محل مناسب و بهسازی آن میتواند در کاهش بار آلودگی به نیترات مؤثر باشد.

نشانه های نیترات :

نیترات بدون رنگ ،‌بدون بو و بدون طعم بوده و در آبهای آشامیدنی بدون آزمایش قابل تشخیص نميباشد لذاپیشنهاد می گردد، آب مصرفی گروه سنی کودکان ، زنان باردار،‌مادران شیرده و سالمندان آزمايش ونيترات آن محاسبه گردد.گروه ها ي مذكور جز ء گروه هاي در معرض خطرآلودگی آب به نیترات و نیتریت هستند.نیترات بطور طبیعی در حدغلظت کمتر از حد مجاز ، در آبهای آشامیدنی و آبهای زیرزمینی وجود دارد . آزمایش اولیه ، برای تعیین میزان نیترات منابع آب ضروری است ، بنا براین اگر تا کنون نیترات منابع آبی آزمايش نگردیده ، لازم است آزمایش اوليه انجام گیرد . هر نوع فعالیتی در نزدیک چاه هاي آب میتواند سبب آلودگي شود.در صورت وجود منابع نقطه ای آلوده کننده مانند محل زندگی دام ها، محل دفع فاضلاب درمجاورت چاه هاي خانگی ، لازم است حداقل سالی یک بار آزمایش نیترات انجام و با پایش کیفی آن تغییرات غلظت نیترات بررسی گرددودر صورتیکه چاه درمعرض منابع غیر نقطه ای مانند کاربرد کودهای کشاورزی قرار گرفته باشد ، پایش کیفی برای بررسی تغییرات غلظت نیترات کمتر مورد نیاز میباشد ، حداقل هر دو یا سه سال يكبار،‌بمنظور بررسی ضریب افزایش غلظت نیترات باید آزمایش شوند ( نیتریت،نیترات،آمونیاک،TKN) و اگر کودیا فضولات حیوانی در اطراف منابع آب پراکنده شده باشد باید هر چه سریعتر نسبت به جمع آوری و دفع آن اقـدام و آب چاه ( منبع آب) آزمایش گردد. متاسفانه ، نیترات ناشی از پراکندگی کود یا فضولات حیوانی دراطراف منابع آب ،ممکن است نتواند به سرعت در لایه های خاک حرکت و به آب نفوذ پیدا کند ، بنا بر این بمنظور بررسی اثرات آلوده کننده ها ، آزمایش سالیانه نیترات جهت پایش کیفی آن توصيه ميگردد.

اثرات زیان بار بر سلامتی :

خطر اولیه نيترات در آبهای آشامیدنی زمانی اتفاق میافتد که در دستگاه گوارش فرم نیترات به نیتریت تبدیل شود .نیتریت باعث اكسيد شدن آهن موجود در هموگلوبين گلبولهاي قرمز شده ونهايتا نمي تواند اكسيژن را با خود حمل كند،به اين حالت متهموگلوبینميا گویند (بعضی آن را بعنوان سندرم کودکان آبی شناخته اند) در صورت عدم حضور اكسيژن ، سلولهای بدن ممکن است بميرند ويا‌ پوست کبود شود. در افراد بالای یکسال ،توانایی سریع تبدیل متهموگلوبین به هموگلوبین وجود دارد و علی رغم سطح بالای نیترات و نیتریت ، مقدار متهموگلوبین در سلولهای قرمز خون کمتر باقی می ماند، به هر حال در کودکان زیر شش ماه ، سیستم آنزیمی آنها به دلیل عدم تكامل ، توانایی کاهش متهموگلوبین به هموگلوبین را ندارند و متهموگلوبینميا اتفاق میافتد. همچنین در افراد سالمند که به دلایلی سیستم آنزیمی آنها صدمه دیده ممکن است ، همين اتفاق بیافتد.درسال ۱۹۶۲ ، انجمن بهداشت عمومی امریکا: حد مجاز نیترات درآب آشامیدنی را بر حسب نيتروژن ۱۰ ميلي گرم در ليتر( بر حسب نيترات ۵۰ ميلي گرم در ليتر)توصیه نمود .این استاندارد بمنظور حفظ سلامت کودکان، براساس دانسته هاي قابل دسترس تعيین شد ، عامل بالقوه خطرناک دیگر برای سایر افراد بستگی به واکنش های فردی و دریافت نیتریت و نیترات از همه منابع دارد. در طی دوره سال های ۱۹۹۲-۱۹۷۰ ایالات متحده ، دربررسي زمین شناسی ، میزان نیتروژن – نیترات ۹% از چاههای خصوصی را بیشتر از حد مجاز ۱۰ ميلي گرم درليتر بر حسب نيتروژن اعلام نمود. از آن زمان به بعد سازمان حفاظت محیط زیست (EPA) حداکثر سطح مجاز نیترات در آب آشامیدنی را بر حسب نيتروژن نيترات ۱۰ ميليگرم درليتر( برحسب يون نيترات ۵۰ ميلي گرم درليتر)و سطح مجاز نيتروژن- نیتریت ۱ ميلي گرم درليتر( بر حسب يون نيتريت ۳ ميلي گرم در ليتر) پذیرفت .در بررسي 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. مسئله اي كه باید مورد توجه قرار گیرداين است كه نیتروژن ممکن است از غذا و یا سایر منابع دیگر نيز دریافت گردد .علي رغم اينكه حداکثر سطح مجاز ( MCL)) نیتروژن _ نیترات در آب آشامیدنی ۱۰ ميليگرم درليتر( برحسب نيترات ۵۰ ميلي گرم درليتر)تعیین شده ، موارد ی از تماس كودكان با آبهاي آشاميدني بالاتر از حد مجاز وجود داشته كه متهموگلوبینميا در بين آنان مشاهده نشده است .راهنمای قطعی برای اینکه در يك محدوده خاص متهموگلوبینما رخ دهد ،تعیین نشده است. بنا بر این بهتر است در صورتیکه نیترات آب بیشتر از حدمجاز باشد ، برای تهیه غذا و شیر کودکان از سایر منابع آبی دیگر استفاده نمود، همچنین ، گزارشاتي مبنی بر نقص هایي در هنگام زایمان به دلیل مصرف آب آشاميدني آلوده به نيترات وجود دارد .بنابر این توصیه میگردد ، مادران باردار از آب آشامیدنی که نیترات آن بالاتر از حد مجاز است مصرف ننمایند. همچنین توصیه میگردد مادران شیر ده نیز به دلیل انتقال نیترات از راه شیر به بچه ، از آبهای دارای نیترات بالاتر از حد مجاز مصرف ننمایند.در افراد بزرگسال که در معرض محدوده بالاتر از میزان تعیین شده ،قرار گرفته اند اثرات سوء بر سلامت آنان کمتر مشاهده شده است و بدون اینکه اثرات سمی داشته باشند میتوانند آبهای آشامیدنی با غلظت بالاتر رامصرف نمایند .اما چون ممکن است درمدت زمان طولانی مصرف آبهای دارای نیترات بالا ، اثرات مزمن بر جای بگذارد ،توصیه می شود که کمتر مصرف شود .اگر به استناد نتایج آزمایشات ، سطح نیترات آب بالاتر از حدمجاز اعلام شدو فقط بزرگسالان يا بچه های بزرگتراز آن آب مصرف می کنند لازم است با پزشک محل مشورت وتوصیه های درمانی را مد نظر قرارداد.خطر بروز سرطان درآبها و یا غذاهایی که نیترات ونیتریت داشته اند ،گزارش شده است ،احتمالاً نیترات در بدن با آمین ها یا آمیدها واکنش نشان داده ونیتروز آمین تشکیل می شود که عامل شناخته شده سرطان میباشد. قبل از تشکیل نیتروز آمین ،نیترات باید به نیتریت تبدیل شود.اهمیت خطربروز سرطان به دلیل وجود نیترات در آبهای آشامینی شناخته شده نیست .آلودگی باکتریولوژیکی در آب ممکن است بطور خاصی به قابلیت حضور نیترات در آب کمک کند منابع آبهای آشامیدنی که نیترات آن بر حسب نيتروژن بالاتر از ۱۰ ميليگرم درليتر( برحسب نيترات ۵۰ ميلي گرم درليتر) می باشد ،باید از نظر آلودگی باکتریولوژیکی نیز آزمایش شوند .وجود هم نیترات و هم آلودگی باکتریولوژیکی ،در چاههای غير بهسازي، ممکن است به دلیل نفوذ آبهای سطحی، مواد زائد جامد، فاضلاب يا منابع دیگر باشد

آزمایشات :

آزمایش آب برای تعیین میزان نیترات ، توسط يكي از مراکز پايش کیفی ادارات محیط زیست ، آزمایشگاههای مراكزبهداشت شهر یا استان يا آزمایشگاههای خصوصي ضروری است .آزمایشگاهی باید انتخاب گردد که کیت مناسب راجهت تعیین میزان نیترات داشته باشد ،اين کیت شامل بطری استریل نمونه برداری، فرم ثبت اطلاعات ،دستورالعمل نمونه برداری و جعبه ارسال نمونه می باشد. دستورالعمل نمونه برداری ، بمنظور نحوه نمونه گیری نيزباید تهیه شود.نمونه برداری بر اساس دستورالعمل مربوطه و با دقت کامل بنحویکه نمونه بدست آمده نماینده کل نمونه باشد، باید انجام گیردو سپس نمونه با مشخصات کامل، فوراً به آزمایشگاه ارسال گردد. از ارسال نمونه در آخر هفته یا تعطیلات اجتناب کنید ،اگر چه کیت های صحرایی برای اندازه گیری میزان غلظت نیترات دردسترس است اما دقت آنها به اندازه روش های آزمایشگاهی نیست چرا كه حضورمواد شیمیایی و یا تغییر درجه حرارت ممکن است در زمان استفاده از کیت ،بر روی نتایج آن تاثیر بگذارد .تستهای آزمایشگاهی ،نتایج دقیق و قابل اعتمادی راارائه میدهند.

تفسيرنتایج آزمایشگاهی :

غلظت نیترات بر حسب میلی گرم در لیتر یا قسمت در میلیون (ppm) گزارش می گردد . بعضی از آزمایشگاهها نیترات رابر حسب نیتروژن –نیترات ( N-NO۳) بیان می کنند ،که منظور مقدار نیتروژن در نیترات می باشد و بعضی از آزمایشگاهها کل نیترات را (NO۳) گزارش می دهند. .برای اطمینان ،گزارشات را بر اساس میزان نيتروژن- نيترات یا يون نيترات کنترل کنید و آن را در سیستم گزارش دهی مقایسه کنید ، بر حسب نيتروژن –نيترات ۱۰ ميلي گرم درليتر وبر حسب يون نيترات ۵۰ ميلي گرم در ليتر تعيين شده است.سازمان حفاظت محیط زیست آزمایش منظم را برای تعیین نیترات و نیتریت در سیستم آبرسانی عمومی ضروری دانسته و نتایج بایستی در دسترس متوليان امر قرار گیرد .اگر نتایج تست، حاكي از افزایش غلظت نیترات بالاتر از حدمجاز استاندارد باشد، ،به معنی اعلام خطر بوده و تصفیه باید انجام گیرد .اغلب برای تصفیه، آب رابا منبع آب دیگر که میزان نیترات آن کمتر از حد مجاز است مخلوط نموده ( اختلاط) تا به حد متوسط و یا حد استاندارد EPA برسد.

 

روش های حذف نیترات

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 شود حذف نیترات از آب به روش سختی زدایی و با کمک آهک و یا فیلتر کردن، با مشکل مواجه شود.
روش هایی که مرسوم هستند، عبارتند از:

• اسمز معکوس
• مبادله یونی
• نیترات زدایی بیولوژیک
• نیترات زدایی با احیای کاتالیتیکی
• نیترات زدایی شیمیایی 
• الکترودیالیز
• اکتیو کربن فعال بیولوژیکی  – Biological Active Carbon Filter – BACF

 

با توجه به متداول بودن روشهای ذکر شده ما تنها به معرفی روشهای زیر اکتفا می کنیم

اکتیو کربن فعال بیولوژیکی – Biological Active Carbon Filter – BACF

روش نوین دیگری نیز وجود دارد که از باکتری های اتوتروفیک استفاده می شود. این باکتری ها مانند نیترات زداینده های تیوباسیلیوس و نیترات زداینده های تیومیکروسپرا، توانایی احیای نیترات با گاز نیتروژن را دارند. در این شیوه، انرژی لازم برای میگروارگانیسم های زداینده تامین می گردد.
نیترات زداینده های اتوتروفیک به ترکیبات کربنی معدنی به عنوان منبع کربن نیاز دارند. بر خلاف آن ها برای نیترات زدایی هتروفیک هیچ منبع کربنی ای، نیاز نیست. نیترات زدایی اتوتروفیک نیز به 2 دسته برپایه سولفور و هیدروژن تقسیم می شود.
عمده ترین مزیت این روش استفاده از لجن به جای باکتری بی هوازی است که یک روش آسان، سریع و ارزان برای حذف نیترات، از آب های زیرزمینی است.

مبادله یونی

مبادله یون، بهترین انتخاب برای حذف نیترات از آب های زیرزمینی که حاوی مقادیر اندکی از ترکیبات آلی محلول هستند، در مقیاس کوچک یا متوسط است. مقادیر بالای ترکیبات آلی محلول در آب باعث پُرشدن ظرفیت مبادله می شود. این مشکل در اسمز معکوس نیز وجود دارد. 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.

اساس روش تبادل یونی، جایگزین کردن آنیون‌های کلرید با اجزای غیر مطلوب آب مثل آلاینده‌ها، ذرات جامد حل شده و … است. فرایند حذف نیترات به روش تبادل یونی شبیه به روش کاهش سختی آب است و تفاوت اصلی آن در نوع رزین پلیمری مورد استفاده است.

در این روش کلرید جایگزین نیترات آب می‌شود. برای احیاء مجدد رزین کافی است آن را چندین بار با آب نمک (حاوی NaCl) شست و شو دهند تا کلرید دوباره احیاء شود.

پارامترهای مختلفی همچون غلظت نیترات اولیه، میزان TDS، نوع رزین و غلظت سایر یون‌ها مثل سولفات بر روی بازده این روش موثر هستند.

بعنوان مثال بازده روش زمانی که غلظت نیترات ۲۵ میلی گرم بر لیتر بوده و میزان TDS 400 میلی گرم بر لیتر باشد، حدود ۸/۹۹% است. در حالیکه اگر غلظت نیترات بین ۱۸ تا ۲۵ میلی گرم بر لیتر بوده و مقدار TDS در حدود ۵۳۰ میلی گرم بر لیتر و غلظت سولفات ۴۳ میلی گرم بر لیتر باشد، بازده بین ۴۵ تا ۶۶% خواهد بود.

 

حذف بیولوژیکی

حذف بیولوژیکی نیترات به صورت بسیار گسترده در اروپا به کار گرفته شده است. سرعت حذف نیترات در این روش بسیار بالا است و استفاده گسترده ای دارد.
این روش در مقایسه با مبادله کننده های یونی، قابلیت حفظ کیفیت آب را دارد. روش پیشنهادی بر اساس استفاده از لجن به جای کشت نیترات زدا، یک روش بسیار ارزان، مفید و سریع و همچنین غیرآلوده کننده بوده و می تواند برای حذف نیترات از آب های آشامیدنی به کار گرفته شود.

فرايند بيولوژيكي به تنهايي قادر به حذف كامل نيتروژن از پساب نبوده و جهت جداسازي صد در صد اين عنصر، لازم است پساب تصفيه شده پس از پيش تصفيه مناسب، توسط واحد اسمز معكوس و يا در صورت لزوم فرايندهاي تبادل يون مورد تصفيه نهايي قرار گيرد.

اساس روش‌های بیولوژیکی تبدیل نیترات به نیتروژن در شرایط عدم حضور اکسیژن است. در عدم حضور اکسیژن، نیترات بعنوان ترمینال دریافت الکترون توسط باکتری عمل کرده و باعث تشکیل نیتروژن می‌شود.

سرعت کاهش نیترات بسته به نوع و غلظت کربن موجود در سیستم (نسبت C/N) است. بازده حذف نیترات گزارش شده برای روش‌های بیولوژیکی برای نیترات اولیه ۵۰۰ و ۴۶۰ میلی گرم بر لیتر، به ترتیب ۸۶ و ۸۹% است.

 

اسمز معکوس

روش اسمز معکوس یکی از روش‌های اصلی کاهش مقدار نیترات در آب آشامیدنی شناخته می‌شود. این روش می‌تواند برای حذف انواع آلاینده‌ها به صورت همزمان، استفاده شود. اساس کار اسمز معکوس عبور انتخابی مواد است، به گونه‌ای که در این روش منافذ غشاء اسمز معکوس به گونه‌ای انتخاب می‌شود که فقط اجازه عبور آب را می‌دهد.

میزان بازده روش اسمز معکوس وابسته به مقدار اولیه آلاینده‌های محلول در آب است. مقدار بازده بهینه در حذف نیترات در این روش حدود ۹۳% است. علاوه بر مقدار نیترات اولیه، نوع غشاء مورد استفاده نیز می‌تواند در بازده حذف نیترات موثر باشد. بعنوان مثال افزایش مقدار نیترات اولیه از ۲۵ به ۲۰۰ میلی گرم بر لیتر باعث کاهش بازده حذف از ۵/۹۳ به ۵/۸۲ می‌شود.

 

الکترودیالیز

اساس حذف نیترات و سایر آلاینده‌های آب در روش الکترودیالیز استفاده از جریان الکتریکی است. در این سیستم از دو غشاء نیمه تراوا کاتدی و آنیونی به همراه دو الکترود استفاده می‌شود. از این روش می‌توان برای کاهش یا حذف آلاینده‌های غیرآلی آب آشامیدنی مثل رادیوم، پرکلرات، بورومید، فلوراید، آهن، منگنز و نیترات استفاده کرد.

بازده این روش بین ۵۰ تا ۹۹% درصد متغیر است که وابسته به مقدار اولیه آلاینده دارد. بعنوان مثال بازده کاهش مقدار نیترات از ۴۲ میلی گرم بر لیتر به کمتر از ۱۰ میلی گرم بر لیتر با استفاده از فرایند الکترودیالیز در حدود ۷۶% است.

حذف نیترات به روش شیمیایی

از مواد شیمیایی مختلفی برای حذف نیترات از آب استفاده می‌شود. در بین این مواد، ترکیبات شیمیایی مثل آهن صفر ظرفیتی، نانو آلومینا و منیزم بیشتر از همه رایج هستند.

اساس روش‌های شیمیایی، انجام واکنش شیمیایی بین عامل شیمیایی و نیترات موجود در آب است. در نتیجه این واکنش، نیترات مضر (NO₃) تبدیل به عوامل بی خطری مثل N₂، هیدروکسید و NH₃ می‌شود.

مقدار بازده روش‌های شیمیایی وابسته به عوامل مختلفی همچون نوع و اندازه ذرات ماده شیمیایی اولیه، pH، مورفولوژی و ساختار مواد نانومتری و زمان واکنش است.

بعنوان مثال میزان بازده حذف نیترات بوسیله آهن صفر ظرفیتی با مقدار نیترات اولیه ۵۰ میلی گرم بر لیتر، زمان تماس ۶۰ دقیقه، با غلظت مواد نانومتری ۱۵ گرم بر لیتر در pH آب ۴، در حدود ۹۵% است.