۱.۱ منابع آب و لزوم تصفیه آن
آب یکی از ضروری‌ترین عناصر حیات بر روی زمین است و اگر چه بیش از ۷۰ درصد از سطح کره زمین با آب پوشیده شده است، اما کمتر از ۳ درصد آن آب شیرین می‌باشد. از این مقدار ۷۹ درصد به قله‌های یخی تعلق دارد، ۲۰ درصد آن آب‌های زیرزمینی است که به‌راحتی قابل دسترس نمی‌باشند و فقط ۱درصد آن شامل دریاچه‌ها و رودخانه‌ها و چاه‌ها می‌باشد که به‌راحتی به دست می‌آید.
آب و منابع آبی در دنیای امروز جزو ارزشمندترین دارایی‌های ممالک به‌شمار می‌رود. عمده دغدغه‌های جوامع، تامین غذا، آب و انرژی است. از این میان، غذا به‌دلیل امکان متعدد در تامین آن و انرژی به‌دلیل دستیابی به منابع نو به‌نحوی قابل مرتفع‌سازی است و تنها آب است که در صورت نبود منابع، جوامع را دچار مشکل می‌سازد. کمتر کارخانه‌ای را در صنعت می‌توان یافت که با آب سروکار نداشته باشد و در عین حال، آب مساله ساز بسیاری از کارخانه هاست.
سهم ایران از نظر منابع آب شیرین بسیار کم است؛ متوسط ۱۴۰ میلیارد مترمکعب منابع آب تجدیدپذیر ایران، در ایده‌آل‌ترین شرایط، در صورتی که به صورت کامل حفاظت شود، قادر به تامین نیازهای حدود ۱۰۰میلیون نفر جمعیت خواهد بود و در حال حاضر جمعیت کشور به مرز ۷۰ میلیون نفر رسیده است.
از این‌رو برنامه‌ریزی جهت صرفه‌جویی در مصرف و حفظ منابع موجود در اولویت قرار دارد. از طرف دیگر افزایش جمعیت جهان و کاهش منابع آب آشامیدنی، نگرانی هایی را درباره تامین آب آشامیدنی مورد نیاز کشورهای مختلف در سراسر جهان به وجود آورده است و کمبود آب که در نتیجه افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی است، شدت یافته و تامین آب بهداشتی مورد نیاز مردم را به یکی از مشکلات اساسی جهان امروز تبدیل کرده است. امراض ناشی از آلودگی منابع آب، روزانه سبب کشته شدن هزاران و شاید ده‌ها هزار نفر از مردم جهان می شود. این معضل در شهرهای بزرگ به دلیل تراکم بالای جمعیت و گسترش صنایع آلوده کننده بیشتر خودنمایی می‌کند. کلان شهر تهران نیز از این قاعده مستثنی نیست. توسعه شهر تهران در دو دهه گذشته هم از نظر جمعیتی و هم از نظر صنعتى بسیار سریع بوده است. این رشد بى‌رویه، این شهر را با خطرات متعددى روبرو کرده است که خطر آلودگى آب‌‌هاى زیرزمینى تنها یکى از آنهاست. دفع فاضلاب به طریق سنتى توسط چاه‌هاى جذبى باعث مى‌شود که این حجم عظیم فاضلاب وارد زمین شده و موجب آلودگی منابع آب‌‌هاى زیرزمینى تهران شود. در سالهاى اخیر به دلیل کمبود آب حفر چاه‌هاى عمیق بسیارى انجام گردیده و در شبکه شرب مردم تهران قرار گرفته است. ترکیبات نیتروژن‌دار از طریق تخلیه فاضلاب‌‌های صنعتی و کشاورزی، مواد دفعی حیوانی و گیاهی به این آب‌‌ها وارد می شوند که با اکسید شدن این ترکیبات به نیترات توام است، با توجه به استفاده بیش از حد از کودهای نیترات در بخش های کشاورزی و آزادسازی فاضلاب، سطح نیترات از منابع آب در محیط های آبی افزایش یافته است. عموماً شیوع آلودگی آب با نیترات‌ها در منازل اطراف زمین های کشاورزی و اطراف شهرهای صنعتی بیشتر است.
۱.۲ نیترات
نیترات دارای حلالیت زیادی در آب بوده و به سختی از آب قابل حذف شدن است. طبق استاندارد، در ایران میزان نیترات مجاز در آب ۴۵ میلی گرم در لیتر می باشد. این میزان بر اساس WHO، پنجاه میلی‌گرم بر لیتر معرفی گشته است.
۱.۲.۱ مضرات نیترات
میزان بیشتر از حد مجاز نیترات در آب خطرات بسیاری برای سلامتی، بخصوص برای کودکان و زنان باردار ایجاد می‌کند. نفس‌تنگی، زردی و کم خونی از بیماری های شایع می‌باشند. دلیل اصلی زیان‌بار بودن نیترات‌ها این است که نیتریت حاصل از احیاء نیترات معدنی و آلی پس از ورود به گردش خون، آهن هموگلوبین را اکسید کرده و قدرت اکسیژن‌رسانی خون را کاهش می دهد. نوزادان زیر شش ماه آسیب‌پذیرترین گروه نسبت به این اختلال هستند. افزایش نیترات در آب، بر سلامت انسان از طریق methemoglobinoma در کودکان، فشار خون بالا، اختلال تیروئید و خطر سرطان نیتروز آمین و… اثر میگذارد. سایر عوارض استفاده از نیترات در مدت زمان طولانی شامل کاهش اسیدیته معده، کمبود آنزیم، کاهش هموگلوبین های طبیعی خون، افسردگی، تاثیر بر سیستم عصبی و در غلظت‌های بسیار بالا سبب مرگ خواهد شد.
۱.۲.۲ روشهای حذف نیترات
از آنجایی که آنیون نیترات حلالیت بالایی در آب دارد، متأسفانه جداسازی آن از آب کار آسانی نیست.
روش های متعارف برای حذف نیترات عبارتند از: تبادل یونی، تصفیه بیولوژیکی، الکترودیالیز، اسمزمعکوس (RO)، فرآیند انعقاد، جذب کربن فعال و نیتریفیکاسیون توسط ازن و مخلوط کردن آن با آب‌‌هایی که نیترات کمتری دارند، انجام می‌شود. اخیرا محققین نانوفیلتراسیون را هم روشی کارآمد دانسته‌اند، البته برخی هم آنرا فقط به‌عنوان پیش‌تصفیه‌ای مناسب برای اسمزمعکوس عنوان کرده‌اند.
۱.۲.۲.۱ تبادل یون
تبادل یون، یک فرآیند برگشت‌پذیر است که در آن یون‌های یک محلول با یون‌های دارای بار الکتریکی مشابه موجود روی رزین تعویض می گردند. نیترات در آب از بار منفی برخوردار است بنابراین می‌توان آن را توسط رزین های آنیونی از آب حذف نمود. سولفات به‌طور انتخابی جهت حذف نیترات می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از سولفات سبب تغییر در PH شده و از طرفی از نمک طعام نیز جهت احیا رزین های تبادل یون استفاده می‌شود. برای حذف نیترات از آب‌های آشامیدنی از ذرات متخلخل درشت با پایه رزینی استفاده می‌شود. میل ترکیبی این ماده با نیترات بیشتر از سولفات بوده و رزین‌های آنیونی به کار رفته در آنها، نیترات را از آب حذف کرده و مقدار آن را به حد استاندارد و مجاز خود می‌رساند. وقتی که رزین یون‌های قابلیت 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 می دهد، به‌طور کلی هر چه ظرفیت یون بیشتر باشد یا تمایل بیشتری جذب رزین می‌گردد. بنابراین یون سه‌ظرفیتی و یون دوظرفیتی بیش از یون یک‌ظرفیتی توسط رزین جذب می‌شود. حتی برای یون‌های با ظرفیت یکسان نیز ضریب گزینش متفاوت است و اغلب هر چقدر وزن مولکولی بیشتر باشد، تمایل به جذب افزایش می‌یابد. وجود ضریب گزینش باعث می‌شود که یون‌ها به‌طور یکسان جذب رزین نشوند.
در نتیجه وقتی که نیترات یون موردنظر برای حذف باشد، قبل از آن به‌طور اجتناب ناپذیر، فسفات و سولفات مبادله شده و زمانی، نیترات مبادله می‌گردد که دیگر یون‌های مذکور به صورت آزاد وجود نداشته باشند.
پس از کاهش ظرفیت رزین مشکل دیگری به وجود می‌آید که آن، مبادله دوباره یون‌های نیترات جذب‌شده 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.
به‌طور کلی از فرآیند تبادل یون برای حذف نیترات از آب‌های زیر زمینی استفاده می‌شود و در آب‌های سطحی که در آنها مواد آلی و مواد معلق وجود دارند، نیترات با رزین های تبادل یونی از بین نمی‌روند. البته روش تبادل یون به دلیل عملیات ساده و مستقل از دما و غلظت نیترات بودن، روش مطلوبی است.
۱.۲.۲.۲ حذف بیولوژیکی نیترات
تصفیه بیولوژیکی نیترات شامل تبدیل نیترات به نیتروژن توسط باکتری‌های موجود در بیوراکتورها است. باکتری‌های موجود در این راکتورها، نیترات موجود در آب را به نیتروژن موجود در هوا تبدیل می‌کند. در برخی از موارد از اتانول و متانول در این بیوراکتورها استفاده می‌شود. استفاده از این بیوراکتورها برای حذف نیترات از آب‌های آشامیدنی کاربرد ندارد و بیشتر برای نیترات زدایی از فاضلاب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۱.۲.۲.۳ الکترودیالیز معکوس
فرآیند الکترودیالیز (EDR)، یک نوع هدایت الکتریکی است که با استفاده از ولتاژ و از طریق غشاهای نیمه تراوا یون‌ها را عبور داده و سبب کاهش سختی آب و حذف نیترات می‌شود. این فرآیند به‌طور متناوب تکرار شده و انتقال در یک میدان با ولتاژ مستقیم (DC) انجام می‌شود. بدین صورت سختی آب کاهش پیدا کرده و آب در سمتی که غلظت کمتری دارد جمع آوری می‌شود. استفاده از روش الکترودیالیز در حذف نیترات از آب نیز انجام شده و اگرچه این روش در مقایسه با سایر روش‌ها کمی پیچیده‌تر است، اما از نظر اقتصادی نسبت به روش اسمزمعکوس مقرون به صرفه‌تر می‌باشد.
۱.۲.۲.۴ رقیق سازی (Dilution)
زمانی که برای تأمین آب جهت توزیع در یک سامانه آبرسانی، امکان استفاده از چند منبع آب خام با کیفیت‌های متفاوت وجود داشته باشد، بحث رقیق‌سازی قابل طرح خواهد بود. به‌طور معمول غلظت‌های بالاتر از حد مجاز نیترات در منابع آب‌زیرزمینی مشاهده می‌شود و در مقابل، آب های 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 به دلیل گستردگی سامانه آبرسانی امکان فراهم نمودن شرایط اختلاط بهینه ممکن نیست. وجود مخازن متعدد و پراکنده در سطح شهر که از منابع چندگانه تغذیه می‌شوند، مدل طراحی شبکه آبرسانی و سرعت مصرف آب در شبکه توزیع، همه از عواملی هستند که دستیابی به اختلاط بهینه را دشوار می‌سازند. از سوی دیگر با افزایش غلظت نیترات در منابع آب زیرزمینی، به‌همان نسبت به حجم بیشتری از آب خام دارای نیترات کم برای رقیق‌سازی نیاز خواهد بود. در شرایط ایده آل (در دسترس بودن آب بدون نیترات) برای کاهش غلظت نیترات ۱۰۰ میلی گرم‌درلیتر (در یک حجم آب) به غلظت نیترات ۲۵ میلی‌گرم‌در‌لیتر، نیاز به ۳ حجم آب بدون نیترات می‌باشد. حال درصورتی‌که غلظت نیترات به ۲۰۰ میلی‌گرم‌در‌لیتر برسد، نیاز به ۷ حجم آب بدون نیترات برای رسیدن به آب دارای نیترات، ۲۵ میلی‌گرم‌در‌لیتر است. در شرایط واقعی و به‌طور معمول، آب‌های سطحی نیز خود دارای مقداری نیترات می‌باشند که در‌نتیجه 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 رقیق سازی به مرور قابلیت خود را برای کاهش نیترات از دست می‌دهد و دیگر راه‌حل قابل اطمینانی نخواهد بود.
۱.۲.۲.۵ اسمزمعکوس
در اغلب منابع از روش اسمزمعکوس 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 میکروارگانیسم ها را نیز حذف کنداسمز معکوس می‌تواند املاح آب را ۹۰ تا ۹۸ درصد کاهش دهد. حذف باکتری‌ها و ویروس‌ها و دیگر میکروب‌ها با اسمز معکوس تقریبا صد‌در‌صد است، این روش عملکرد نسبتا مناسبی برای حذف نیترات هم دارد. اما با توجه به هزینه بالای تامین فشار در حدود ۴۰ بار و مشکلات ناشی از گرفتگی غشا، در مقایسه دو روش اسمزمعکوس و تبادل یون، تبادل یون کم‌هزینه‌تر و مقرون به‌صرفه‌تر می‌باشد. از آنجا که هزینه بهره‌برداری سیستم‌های اسمزمعکوس کاملا مرتبط فشار کاری آنها و به دنبال آن متناسب با قیمت برق می‌باشد، یکی از راه‌های کاهش هزینه بهره‌برداری سیستم‌های اسمزمعکوس، دستیابی به فناوری تولید غشاهای فشارپایین می‌باشد که این مطلب محققان را بر آن داشت تا امکان جداسازی نیترات از طریق نانوفیلتراسیون را بررسی کنند.
۱.۲.۲.۶ نانوفیلتراسیون
در نانوفیلتراسیون علاوه بر اندازه ذرات، بار الکتریکی آنها هم اهمیت دارد، از نظر بار ذرات، آب ورودی شامل آنیون‌ها و کاتیون‌هایی است که وقتی در مجاورت بار منفی غشا قرار می‌گیرند، آنیون‌ها از غشا دفع می‌شوند و غلظت کاتیون‌ها در غشا از غلظت آنها در آب خروجی بیشتر می‌گردد. به این ترتیب که هر چه بار منفی غشا قوی‌تر باشد، حذف نیترات نیز بهتر انجام می‌گیرد. از طرفی چون آنیون‌ها و کاتیون‌ها به‌طور مداوم در حال حرکت هستند، گاهی اوقات به قدری به‌هم نزدیک می‌شوند که جذب یکدیگر شده و بار آنها خنثی می‌گردد که در نتیجه این ترکیبات می‌توانند به آسانی از غشا عبور کنند. بنابراین اثر بار غشا همواره مثبت نخواهد بود. البته علاوه بر بار غشا پارامترهای دیگری مثل اثر پارامترهای عملیاتی مثل شدت جریان، غلظت و pH خوراک وردودی و فشار عملیاتی سیستم هم بر مقدار پس‌زنی نیترات تاثیر دارند هم نقش دارند.
شرکت پترو تجهیز ایرانیان، حذف نیترات از آب های آشامیدنی را با استفاده از نانوفیلتراسیون بررسی کرده و اثر پارامترهای عملیاتی مثل شدت جریان، غلظت و pH خوراک ورودی و فشار عملیاتی سیستم را در این فرآیند مورد مطالعه قرار داده است و آمادگی خود را جهت اجرای پروژه های مشابه و انجام طرحها و پروژه های تحقیقاتی در زمینه تصفیه آب اعلام میدارد.