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