نیتروژن و تصفیه آب
آب دریا حاوی حدود 0.5 ppm نیتروژن است (ترکیبات نیتروژن غیر آلی محلول بدونN2). واضح است که در سطح آب این مقدار کم تر است و حدود 0.1 ppb می باشد. غلظت آب رودخانه به شدت متفاوت است، اما به طور کلی حدود 0.25 پی پی ام می باشد. با توجه به ویژگی های آب، ترکیبات مختلف نیتروژن غیر آلی ممکن است در آن یافت شود. در آب های هوازی نیتروژن عمدتا به صورت N2 و NO3-یافت می شود و بسته به شرایط محیطی، ممکن است به صورت N2O، NH3، NH4+ ،HNO2 ، NO2- یا HNO3نیز موجود باشد. آب در مناطق ساحلی به طور عمده شامل گاز نیتروژن ابتدایی (N2) است. جای تعجبی هم نیست، زیرا هوا شامل 78٪ نیتروژن است و در مناطق ساحلی به دلیل عمق کم آب و جریان های فعال، آب به طور منظم با هوا تماس پیدا می کند. آمونیوم، نیترات و نیتریت مهم ترین نقش را در فرآیندهای بیوشیمیایی بازی می کنند، اما برخی از ترکیبات آلی نیتروژن در آب نیز ممکن است مهم باشند. نیتروژن کل نشان دهنده مجموع ترکیبات آلی و غیر آلی نیتروژن است. کجلدال نیتروژن به طور کلی به عنوان یک اقدام به فاضلاب افزوده می شود. مقدار TKN (مجموع کجلدال نیتروژن) نشان دهنده ی غلظت کل نیتروژن است، که مجموع ترکیبات نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیوم می باشد (TKN = org-N + NH4-N [mg/L]). نیتروژن به طور عمده به این شکل در فاضلاب موجود است و پس از تصفیه فاضلاب بیولوژیکی، عمدتا به صورت نیتریت اکسید شده موجود است. نیتروژن به چه طریق و به چه صورتی با آب واکنش می دهد؟ گاز نیتروژن با آب واکنش نمی دهد اما در آب حل می شود. انحلال پذیری نیتروژن و ترکیبات آن انحلال پذیری نیتروژن (N2) در دمای 20 درجه سانتی گراد و فشار 1 بار حدود 20 میلی گرم بر لیتر است. انحلال پذیری نیتروژن ممکن است بین ترکیبات آن متفاوت باشد. انحلال پذیری نیتروژن (I) اکسید 12 گرم بر لیتر، و انحلال پذیری نیتریلو استات (نمک) 640 گرم بر لیتر است، در حالی که کلرید نیتروژن در آب انحلال ناپذیر است. نیترات ها و آمونیاک به آسانی در آب حل می شودند. علت وجود نیتروژن در آب چیست؟ نیتروژن به طور عمده از طریق فرآیندهای کشاورزی به محیط زیست راه پیدا کرده و در نتیجه به آب نیز وارد می شود. منبع اصلی ترکیبات نیتروژن در آب، کود است که به طور عمده حاوی نیترات می باشد، اما آمونیاک، آمونیوم، اوره و آمین ها نیز در آن موجود است. احتمالا پر کاربرد ترین کودهای حاوی نیتروژن عبارتند از: NaNO3 (سدیم نیترات) و NH4NO3 (آمونیوم نیترات). بعد از کود دهی، محصولات زراعی تا بخش نسبتا کوچکی از ترکیبات نیتروژن افزوده شده، یعنی 25-30٪ را جذب می کنند. باقیمانده ی آن از طریق خاک به آب های سطحی و زیرزمینی وارد می شود، زیرا نیترات ها در آب انحلال پذیر هستند. کودهای آلی عمدتا حاوی نیتروژن به صورت پروتئین، اوره یا آمین هستند، که مکانیسم جذب هریک متفاوت است. چلغوز یک کود طبیعی و حاوی مقادیر کافی از نیتروژن است. در آخر، آفت کش های مختلفی که به زمین های کشاورزی افزوده می گردد حاوی نیتروژن هستند. ترکیبات نیتروژن در چندین صنعت مختلف استفاده می شود. بیشترین مقدار نیتروژن برای سنتز آمونیاک توسط فرایند هابر-بوش به کار می رود که در نتیجه ی آن، سایر ترکیبات نیتروژن، مانند اکسید نیتروژن که در بیهوشی کاربرد دارد، تولید می شود. نیتریک اسید ، اوره، هیدرازین و آمین ها سایر محصولات حاصل از صنایع نیتروژن هستند. ترکیبات نیتروژن جزء فراورده های جانبی رنگ سازی و تولید عامل سنتز هستند. مقادیر زیادی از نیتروژن مایع برای یخ زدن مواد غذایی استعمال می شود. نمونه های یخ زدگی عمیق و مواد شیمیایی با همین روش به دست می آید. نیتروژن مایع همچنین یک عامل جالب برای تولید ابررسانا و سرامیک است. نیتروژن به عنوان یک گاز محافظ در جوشکاری برای تولید نیمه هادی استفاده می شود. همچنین در اسپری و کپسول آتش نشانی استفاده می شود. N2O4 یک اکسید کننده ی سوخت موشک است. این عنصر از مواد تشکیل دهنده ی مواد منفجره است و در معدن استفاده می شود. مقدار قابل توجهی از نیتروژن را می توان در فاضلاب خانگی یافت. غلظت دقیق آن به میزان مصرف پروتئین مردم بستگی دارد. معمولا حدود یک سوم از کل نیتروژن، از ترکیبات نیتروژن آلی و عمدتا از اوره تشکیل می شود. مابقی آن نمک های آمونیوم می باشد. فاضلاب خانگی به طور کلی چیزی بیشتر از 3٪ نیترات و نیتریت را شامل نمی شود. مواد حاصل از تجزیه ی دو مرحله ی اول تصفیه ی فاضلاب عمدتا آمونیوم و نیترات است. نیترات و نیتریت به عنوان افزودنی های خوراکی برای حفظ رنگ قرمز گوشت، و برای جلوگیری از تشکیل سم. استفاده می شود. NTA (نیتریلو استات) جایگزینی برای فسفات موجود در مواد شوینده است. نیتروژن ممکن است از محل های دفن زباله به آب و خاک راه یابد. چرخه ی نیتروژن، وجود نیتروژن در آب و خاک را تا حد زیادی تشریح کرده است. اثرات زیست محیطی نیتروژن بر آب کدام اند؟ نیتروژن یک ماده غذایی لازم برای تمام موجودات زنده است، زیرا تشکیل دهنده تمام پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک است. گیاهان متشکل از حدود 7.5٪ نیتروژن هستند (جرم خشک). نیتروژن برای گیاهان ضروری است و به مقدار زیاد در هوا یافت می شود. نیتروژن ابتدایی را نمی توان مستقیما خورد. نیتروژن ابتدا باید ترکیب و تبدیل شود، به عنوان مثال به شکل نیترات درآید. این امر که به اصطلاح روند نیتریفیکاسیون نام دارد، توسط باکتری هایی انجام می شود که آمونیاک و آمونیوم را به نیترات و نیتریت تبدیل می کنند. این فرایند انرژی منتشر کرده و به ایجاد مقداری نیترات در خاک می انجامد که می تواند مورد استفاده ی گیاهان قرار گیرد. هنگامی که کود نیتروژن استفاده شود، مقدار نیتروژن گیاه افزایش می یابد. تعدادی از محصولات زراعی، مانند اسفناج، حتی ترکیبات نیتروژن را در خود ذخیره می کنند. هنگامی که کودهای نیتروژن در فصولی غیر از فصل رشد استفاده شود، کاملا بی فایده بوده و تاثیرات منفی بر محیط زیست می گذارد. کود ها را نمی توان از زمین گرفته یا بی حرکت کرد، که همین موضوع باعث می شود به آبهای زیرزمینی و آب آشامیدنی راه پیدا کنند. پتانسیل گسترش نیتروژن بسیار بالا است. تعدادی از گیاهان نسبتا به NO2حساس هستند. اسید نیتریک جزیی از بارش است که همراه با H2SO4 باعث باران اسیدی می شود، که تاثیرات منفی بر محصولات زراعی و خاک دارد. نیتروژن از اجزاء ضروری پروتئین بوده و در نتیجه در بافت حیوانی به مقدار زیاد موجود است. نیتروژن ابتدایی هیچ تأثیر مستقیمی بر موجودات خونگرم ندارد. غلظت بالای نیتروژن در هوا ممکن است به خفگی منجر شود، چون در این صورت غلظت اکسیژن کاهش می یابد. خود نیتروژن هنگامی که در آب موجود باشد خطرناک نیست و بنابراین هیچ آسیب زیست محیطی به دنبال ندارد. نیترات، نیتریت و آمونیاک موجود در آب دریا از مواد غذایی مورد نیاز پلانکتون هستند که باعث می شود غلظت نیتروژن در سطح آب پایین تر از غلظت آن در عمق آب باشد. در غلظت های رو به افزایش نیتروژن در لایه های سطحی، تولید پلانکتون افزایش می یابد و منجر به به وجود آمدن شکوفه های جلبک می شود. این ماده ممکن است در هر نوع آب سطحی وجود داشته باشد. مقادیر زیاد نیترات ممکن است منجر به اتروفیکاسیون شود، که به معنی بیش از حد بودن مواد مغذی و در نتیجه محرومیت از اکسیژن و مرگ و میر ماهی ها است (اکسیژن و آب را ببینید). نیتروژن رشد جلبک را محدود نمی کند، چون فسفر به طور کلی یک عامل محدود کننده در آب است. یعنی فسفر عامل تعیین کننده ی گسترش جلبک از طریق آبهای سطحی است. کسری اکسیژن در آب های سطحی به طور کلی باعث کاهش نیترات به نیتروژن ابتدایی یا اکسید نیتروژن می شود. این فرایند که به اصطلاح روند نیتروژن دهی نامیده می شود، در زمانی که مقدار اکسیژن موجود به صفر کاهش یابد، باعث آزاد شدن ذخایر اکسیژن می شود. در برخی از موارد، حتی ممکن است نیترات به صورت بیولوژیک به آمونیاک کاهش یابد. ترکیبات آمونیوم غلظت اکسیژن آب را کاهش می دهند، چرا که این ترکیبات از نیتریت به نیترات اکسیده می شوند. غلظت های کم آمونیاک آزاد ممکن است برای ماهی ها سمی باشد. نیتریفیکاسیون نیز ممکن است نقش مهمی در آب بازی کند. این فرایند به معنی اکسیداسیون آمونیاک به نیتریت و نیترات است. غلظت نیتریت کاهش می یابد، که این موضوع برای گیاهان برتر مفید است، زیرا نیتریت در pH پایین سمی است. ترکیبات NOx با آب واکنش داده و به اسید نیتریک انحلال پذیر تبدیل می شوند. این به این معنی است که اقیانوس ها می توانند غلظت اکسید نیتروژن اتمسفر را کاهش دهند. ترکیبات PAN(پراکسی استیل نیترات) از آلودگی های زمینی محیط زیست گرفته شده، اما ممکن است به تروپوسفر و اقیانوس ها نیزمنتقل شود. در نهایت، این ترکیبات به NOx تجزیه می شوند. مکانیسم واکنشی به صورتی است که در بالا توضیح داده شد. چندین نمونه از ترکیبات نیتروژن سمی موجود است. NTA که به طور کلی به صورت ترکیب با فلزات سنگین موجود است، می تواند برای متابولیسم الکترولیت مزاحمت ایجاد نماید. در موش در غلظت های بالاتر از 14 میلی گرم بر کیلوگرم وزن بدن، ممکن است به کلیه ها آسیب برساند. مقدار LD50 برای موش 1.5 گرم بر کیلوگرم و برای میمونهای رزوس 0.75 گرم بر کیلوگرم است. در شرایط این ویترو ممکن است باعث نقص کروموزوم شود. مقدار LD50 نیترو آنیلین برای جوندگان 1-3.6 میلی گرم بر کیلوگرم است. غلظت غیر سمی آن برای ماهی ها حدود 10 میلی گرم بر لیتر (در 48 ساعت) است. نیتروژن دارای دو ایزوتوپ طبیعی پایدار و همچنین شش ایزوتوپ ناپایدار است. عوارض بهداشتی نیتروژن موجود در آب کدام اند؟ بدن انسان متشکل از حدود 2.6٪ نیتروژن است که تشکیل دهنده ی اکثر پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک می باشد. یعنی نیتروژن یکی از مواد غذایی لازم است. نیتروژن ماده تشکیل دهنده ی اصلی هوایی است که ما تنفس می کنیم. افزایش غلظت نیتروژن در هوا ممکن است منجر به خفگی شود، اما علت اصلی این امر این است که موجب کاهش غلظت اکسیژن می شود. ما عمدتا نیتروژن را به صورت پروتئین جذب می کنیم. این مواد را نمی توان ذخیره کرد و در نتیجه زمانی که نیاز باشد، مستقیما به انرژی تبدیل می شود. کلیه ها نیتروژن را به صورت اوره دفع می کنند. ما همچنین نیتروژن را از طریق پوست و دستگاه گوارش آزاد می کنیم. هنگامی که نارسایی کلیه رخ می دهد، شخص گرفتار مواد حاصل از تجزیه ی پروتئین می شود. عامل محاسبه ی نیتروژن به پروتئین 6.25 است. این مقدار قابلیت هضم پروتئین را نشان نمی دهد. نیترات ها به طور کلی سمی در نظر گرفته نمی شوند، اما در غلظت های بالا بدن ممکن است نیترات را به نیتریت تبدیل کند. نیتریت نمکی سمی است که از طریق اختلال در تبدیل هموگلوبین به متهموگلوبین، حمل و نقل اکسیژن خون را مختل می کند. این امر در بزرگسالان باعث تهوع و معده درد شده و برای نوزادان ممکن است بسیار خطرناک باشد، چرا که به سرعت باعث محرومیت خون از اکسیژن می شود. حداکثر غلظت توصیه شده ی نیترات 10 میلی گرم بر لیتر، و برای نیتریت 1 میلی گرم بر لیتر است (استاندارد های EPA). نیتریت و آمین ناشی از غذای غنی از پروتئین، موادی که به اصطلاح نیتروسامین نامیده می شوند را تشکیل می دهند، که مواد سرطان زا هستند. می توان توسط خواص کاهش دهنده و آنتی اکسیدان ویتامینC از این واکنش پیشگیری کرد. نمونه هایی از ترکیبات نیتروژن سمی عبارتند از ترکیبات PAN، که پنجاه برابر سمی تر از ترکیبات نیتروژنی هستند که از آن ها تشکیل شده اند (ترکیبات نیتریل و نیتریلو). NATها در معده جذب نمی شود، زیرا با فلزات سنگین ترکیب شده اند. با این حال باز هم ممکن است متابولیسم الکترولیتی را مختل سازند. اکسیدهای نیتروژن در هوا نقش مهم تری ایفا می کنند تا در آب. این مواد می توانند منجر به اختلال در تنفس شوند. گازهای نیتروژن هیدروژن اسید ممکن است موجب حساسیت، مشکلات قلبی و سکته شوند. برای زدودن نیتروژن از آب، کدام یک از تکنولوژی های تصفیه آب می توان استفاده کرد؟ در تصفیه خانه های فاضلاب، طی دو مرحله اول تصفیه آب ممکن است تنها 50٪ از غلظت نیتروژن حذف شود. برای تصفیه ی بیشتر، از افزودنی های آهک و HOCl استفاده شد. اما معلوم شد که چندان موثر نیست. در نتیجه، مرحله سوم تصفیه ی فاضلاب عبارت است از حذف نیتروژن بیولوژیکی؛ یعنی ترکیبی از فرآیندهای نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون که توسط میکرو ارگانیسم های مختلف انجام می شود. نیتریفیکاسیون یعنی اکسیداسیون آمونیوم حاصل از فرآیندهای تجزیه ی پروتئین توسط باکتری ها، و تبدیل آن به نیترات. این فرایند نیازمند اکسیژن است، که از طریق هوادهی اضافه می گردد. آب را باید برای یک دوره کافی از زمان هوادهی کرد. آمونیوم به نیتریت و سپس به نیترات تبدیل می شود. مکانیسم واکنش به شرح زیر است: 2 NH4+ + 3 O2 -> 2 NO2- + 2 H2O + 4 H+ - by nitrosomonas 2 NO2- + O2 -> 2 NO3- - by nitrobacter در طول دنیتریفیکاسیون، باکتری ها نیترات را به نیتروژن تجزیه می کنند. این فرایند به هوادهی نیاز ندارد، زیرا یک فرایند بی هوازی است. در نهایت نیتروژن در هوا منتشر می شود. اغلب یک منبع کربن اضافه می شود تا به فرایند تجزیه سرعت ببخشد. یک نمونه مکانیسم واکنشی محتمل به صورت زیر است: 6 NO3- + 5 CH3OH -> 3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH- این فرآیندها یکدیگر را حذف می کنند، زیرا یکی به اکسیژن نیاز دارد و دیگری نیاز ندارد. در نتیجه، تصفیه خانه فاضلاب هم به هوادهی نیاز دارد و هم به وجود فضاهایی برای افشاندن اکسیژن. هنگامی که این فرایند ها به عنوان مرحله ی سوم تصفیه آب استفاده شود، احتمالا حدود 90 درصد نیتروژن حذف می شود. در کشورهایی مانند برزیل، سنبل آب به عنوان گام سوم تصفیه آب استفاده می شود. این امر هم به حذف نیتروژن و هم فسفر از آب می انجامد. فیلتر های هلوفیت را می توان برای تصفیه ی آب های سطحی کوچک استفاده نمود آمونیاک را می توان توسط فرایند هایی که به اصطلاح فرایند تهی کردن نامیده می شوند، از آب زدود. این به این معنی است که آمونیاک موجود در پساب را با استفاده از هوا یا بخار، و از طریق تبخیر کردن آن از بین ببریم. سایر ترکیبات نیتروژن که به طور کلی در مقادیر کم موجود هستند را می توان توسط روش های مختلف از آب زدود. به عنوان مثال، NTA را می توان تحت شرایط هوازی در مخازن هوادهی تجزیه نمود. نیترو آنیلین را نمی توان تجزیه کرد. ترکیبات نیتروژن یونی معمولی، مانند NO3-، NO2-، NH4+ و آمین ها را می توان با استفاده از تبادل یونی از آب زدود.
