مرجع تخصصی آب و فاضلاب

۱. نکات و خطرات نیتریت (NO₂⁻) در آب آشامیدنی

• منشأ و شیمی محیطی

  • نیتریت حاصل اکسیداسیون جزئی آمونیاک (NH₃ → NH₄⁺ → NO₂⁻) یا کاهش نیترات (NO₃⁻ → NO₂⁻) توسط باکتری‌های نیتریفایر/دینیتریفایر در شرایط کم‌اکسیژن است.

  • ناپایدارتر و واکنش‌پذیرتر از نیترات؛ در سیستم‌های پرآب و با تهویهٔ ضعیف لوله‌ها یا فاضلاب‌های خانگی و کشاورزی تجمع می‌یابد.

• اثرات بهداشتی

  • متهموگلوبینمی (Blue Baby Syndrome): نیتریت در خون با هموگلوبین ترکیب شده و متهموگلوبین می‌سازد که توان حمل اکسیژن را کاهش می‌دهد. بیشترین حساسیت در نوزادان زیر ۶ ماه.

  • تشکیل نیتروزآمین‌ها: در معده و روده، نیتریت می‌تواند با آمینوفورم‌ها واکنش داده و نیتروزآمین‌های سرطان‌زا (NDMA و غیره) تولید کند.

  • سمیت مزمن: مطالعات حیوانی نشان‌دهنده تومورهای دستگاه گوارش و اختلال در عملکرد غدد درون‌ریز است.

۲. شیوه‌های تصفیه و حذف نیتریت

1. فرآیند بیولوژیک (Biological Denitrification با مرحله آنوکسیک)

   • راکتور خلأ یا بستر متحرک با افزودن منبع کربن (متانول، اتانول): تبدیل NO₂⁻ → N₂(g)

   • کنترل دقیق pH (≈7) و زمان ماند (4–8 ساعت)

2. تبادل یونی (Ion Exchange)

   • رزین‌های آنیونی قوی (گروه چهارگانه آمونیوم) → جایگزینی NO₂⁻ با Cl⁻ یا OH⁻

   • شارژ مجدد با محلول NaCl یا NaOH

3. اسمز معکوس (RO)

   • حذف ۸۰–۹۵٪ نیتریت بسته به ممبران و شرایط عملیاتی

   • نیازمند پساب شور و پیش‌تصفیه برای حذف ذرات معلق

4. نانوفیلتراسیون (NF)

   • حذف ۵۰–۷۵٪ نیتریت؛ ممبران‌های با اندازه منافذ ~1 nm

5. کاهنده‌های شیمیایی (Chemical Reduction)

   • افزودن سولفیت سدیم یا سولفیت کلسیم → احیای NO₂⁻ → NH₄⁺ یا ازت گازی

   • نیاز به تنظیم pH (~7–8)

۳. روش‌های اندازه‌گیری آزمایشگاهی

1. Griess Colorimetric Method

   • واکنش NO₂⁻ با سولفانامید و N‑(1‑نفتیل)اتیلن‌دی‌آمین → کمپلکس صورتی (λ≈540 nm)

   • حد تشخیص ~ 0.02 mg/L

2. Ion Chromatography (IC)

   • تفکیک آنیون‌ها و تشخیص کنداکتیویتی؛ حد تشخیص ~ 0.01 mg/L

3. Flow Injection Analysis (FIA) با واکنش Griess

   • جریان مداوم، سرعت بالا، حجم نمونه کم

4. UV Spectrophotometry

   • اندازه‌گیری مستقیم در λ≈210–220 nm با تصحیح در λ≈275 nm؛ حد تشخیص ~ 0.1 mg/L

5. Electrochemical Sensors

   • الکترود ISE نیتریت‌ساز با پاسخ پتانسیلی نرنستی

۴. روش‌های سنتی حسی و چشمی

• طعم و بو

  • نیتریت در غلظت‌های محیطی: بی‌بو و بی‌طعم؛ در غلظت‌های بیش از چند mg/L ممکن است طعم تلخ یا فلزی ضعیف احساس شود، اما غیرقابل‌اتکا.

• رنگ و کدورت

  • آب شفاف و بی‌رنگ باقی می‌ماند؛ هیچ تغییر ظاهری ایجاد نمی‌کند.

• آزمون میدانی ساده

  • افزودن محلول Griess به نمونه + مشاهده رنگ صورتی کمرنگ (مقیاسی و نیمه‌کمی).

• نوار تست (Test Strips)

  • نوار آغشته به معرف Griess: تغییر رنگ متناسب با غلظت (محدوده ppm).

۵. سایر روش‌های ساده و پیشرفته

• µPADs (Microfluidic Paper‑Based Devices)

  • کانال‌های کاغذی با واکنش Griess و خوانش موبایلی؛ سریع و قابل‌حمل

• سنسورهای نانوفناوری

  • نانوذرات طلا/نقره با لیگاند آمین یا نیتروفنیل برای تشخیص اسپکتروفتومتریک

• DGT (Diffusive Gradients in Thin Films)

  • جذب پیوسته NO₂⁻ در رزین در ژل → پایش بلندمدت

• Biosensors (بیوسنسورها)

  • آنزیم‌های نیتریت اکسیداز یا سلول‌های مهندسی‌شده با تغییر فلورسانس یا جریان الکتریکی

۶. علائم و نشانه‌های محیطی وجود نیتریت

• منابع آلاینده

  • فاضلاب‌های نیمه‌گندیده شهری–صنعتی، فاضلاب دامداری و مرغداری، نشت از زهاب کودهای ازته

• اثر بر اکوسیستم آبی

  • محرک رشد جلبک‌ها و فیلامنت‌های باکتریایی در شرایط آنوکسیک → انسداد لوله‌ها و کاهش اکسیژن محلول

• شاخص‌های شیمیایی

  • نسبت NO₂⁻/NO₃⁻ بالاتر از ۰.۱ در آب‌های زیرزمینی کم‌شور نشان‌دهنده ورود گاه‌به‌گاه آلودگی تازه است.

• بیواندیكاتورها

  • افزایش فعالیت آنزیم نیتریت اکسیداز در بافت‌های ماهی‌ها و بی‌مهرگان آبزی

جمع‌بندی مهندسی:
از آنجا که نیتریت بی‌بو، بی‌رنگ و بسیار واکنش‌پذیر است، پایش دوره‌ای آب با روش‌های دقیق (Griess یا IC) و به‌کارگیری سامانه‌های ترکیبی «بیولوژیک/تبادل یونی/غشا» برای حذف مؤثر آن از آب آشامیدنی حیاتی است. در میدانی، µPADها و نوارهای تست می‌توانند غربالگری اولیه انجام داده و نمونه‌های مشکوک را به آزمایشگاه ارجاع دهند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حذف نیتریت (NO₂⁻) از آب و فاضلاب به دلیل سمیت بالا و نقش آن در تشکیل ترکیبات سرطان‌زای نیتروزآمین، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نیتریت معمولاً در فاضلاب صنایع شیمیایی، کشاورزی (ناشی از کودهای نیتروژنه) و فرآیندهای ناقص نیتریفیکاسیون/دنیتریفیکاسیون یافت می‌شود. در ادامه روش‌های سنتی و نوین حذف نیتریت، بهینه‌سازی، فرمول‌ها و ساختارهای اجرایی ارائه می‌شود:

روش‌های سنتی حذف نیتریت:

1. دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی (Biological Denitrification):

   • تبدیل نیتریت به نیتروژن گازی (N₂) توسط باکتری‌های بی‌هوازی (مانند Pseudomonas و Paracoccus).

   • فرمول واکنش:

     N2​↑+2OH−+2H2​O​→باکتری‌ها2NO2−​+3H2 ​

   • مزایا: سازگار با محیط زیست و تبدیل نیتریت به گاز بی‌خطر.

   • معایب: نیاز به کنترل دقیق pH (~۷–۸) و منبع کربن (مانند متانول).

2. اکسیداسیون شیمیایی (Chemical Oxidation):

   • استفاده از ازن (O₃) یا پراکسید هیدروژن (H₂O₂) برای اکسیداسیون نیتریت به نیترات (NO₃⁻).

   • فرمول واکنش:

     NO2−​+O3​→NO3−​+O2​

   • مزایا: سرعت بالا و حذف کامل نیتریت.

   • معایب: هزینه بالای مواد اکسیدان و تشکیل نیترات (که خود نیاز به حذف دارد).

3. تبادل یونی (Ion Exchange):

   • استفاده از رزین‌های تبادل آنیونی انتخابی برای جذب نیتریت.

   • فرمول کلی:

     -R-Cl+NO2−​→R-NO2​+Cl

   • مزایا: مناسب برای غلظت‌های پایین.

   • معایب: نیاز به احیای دوره‌ای با محلول NaCl و هزینه بالای رزین.

روش‌های نوین حذف نیتریت:

1. الکتروشیمیایی (Electrochemical Reduction):

   • استفاده از الکترودهای کاتدی (مانند مس یا پالادیوم) برای کاهش نیتریت به نیتروژن گازی یا آمونیاک.

   • فرمول واکنش:

     NO2−​+6H++4e−→NH2​OH+H2​O

   • مزایا: کنترل دقیق فرآیند و کاهش مصرف مواد شیمیایی.

   • معایب: هزینه انرژی و نیاز به الکترودهای ویژه.

2. فوتوکاتالیست‌ها (Photocatalysis):

   • استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) تحت تابش UV برای تجزیه نیتریت.

   • فرمول واکنش:

     NO2−​+TiO2​ UV→​NO3−​+•OH

   • مزایا: عدم تولید پسماند شیمیایی.

   • معایب: نیاز به نور UV و هزینه تجهیزات.

3. نانو جاذب‌های انتخابی (Selective Nanoadsorbents):

   • استفاده از نانوذرات اکسید آهن (Fe₃O₄) یا بیوچار اصلاح‌شده برای جذب نیتریت.

   • مکانیسم: جذب از طریق بار سطحی و تشکیل کمپلکس.

   • مزایا: ظرفیت جذب بالا (تا ۸۰ mg/g) و امکان بازیابی جاذب.

4. فرآیندهای ترکیبی (Hybrid Processes):

   • ترکیب الکتروشیمیایی با بیولوژیکی برای تبدیل نیتریت به N₂.

   • مثال: کاهش الکتروشیمیایی نیتریت به NO و سپس تبدیل بیولوژیکی به N₂.

بهینه‌سازی روش‌ها:

• pH:

  • دنیتریفیکاسیون: pH ~۷–۸.

  • الکتروشیمیایی: pH ~۴–۶ برای بهبود بازده کاهش.

• پتانسیل اکسیداسیون-کاهش (ORP):

  • حفظ ORP بین -۵۰ تا +۵۰ mV برای فعالیت بهینه باکتری‌ها.

• غلظت ماده آلی (COD):

  • نسبت COD:NO ₂⁻ ≈ ۳:۱ برای دنیتریفیکاسیون.

• ولتاژ در الکتروشیمیایی: ۱–۳ ولت برای جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی.

فرمول‌های کلیدی:

• نرخ دنیتریفیکاسیون:

  (Ks+S)/(μmax⋅X⋅S)=r

• • r: نرخ واکنش، μmax​: نرخ رشد بیشینه، X: غلظت زیست‌توده، S: غلظت نیتریت.

• ایزوترم جذب لانگمویر:

• Ce/qe=1/(KL*qm)+Ce/qm

ساخت و اجرا:

1. طراحی سیستم:

   • برای فاضلاب شهری: استفاده از راکتورهای بیولوژیکی (مانند SBR یا MBBR) همراه با افزودن منبع کربن.

   • برای فاضلاب صنعتی: ترکیب الکتروشیمیایی با جذب سطحی.

2. مواد و تجهیزات:

   • رزین‌های تبادل یونی، الکترودهای گرافیتی/پالادیوم، نانوذرات TiO₂، راکتورهای فوتوکاتالیستی.

3. نصب و راه‌اندازی:

   • ساخت راکتورهای بیولوژیکی با سیستم هوادهی، سلول‌های الکتروشیمیایی یا ستون‌های جذب.

   • نصب سنسورهای pH، ORP و کنترلرهای جریان.

4. نگهداری:

   • احیای رزین‌ها با NaCl، تمیزکاری الکترودها و جایگزینی جاذب‌های اشباع‌شده.

نتیجه‌گیری:

روش‌های سنتی مانند دنیتریفیکاسیون بیولوژیکی و اکسیداسیون شیمیایی به دلیل سادگی و هزینه پایین، همچنان کاربرد دارند. اما روش‌های نوین مانند الکتروشیمیایی، فوتوکاتالیست‌ها و نانو جاذب‌ها به دلیل بازده بالا و امکان بازیابی نیتروژن، برای سیستم‌های پیشرفته مناسب هستند. انتخاب روش نهایی باید بر اساس غلظت نیتریت، هزینه و مقررات زیست‌محیطی انجام شود. بهینه‌سازی پارامترهایی مانند pH، ORP و نسبت COD:NO ₂⁻ نقش کلیدی در افزایش بازده دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب