تحدي نيترات ونيتريت في مجال الزراعة

وتعتمد الزراعة الحديثة اعتماداً كبيراً على الأسمدة القائمة على النيتروجين لتعزيز غلات المحاصيل، غير أن جزءاً كبيراً من النيتروجين المطبق لا يُتناول من قبل النباتات، ومن خلال الرش والهروب السطحية، فإن النيترات (NO) [FLquant:1]([CLK)

لماذا الطرق التقليدية قصيرة

ومن الناحية التاريخية، تم إدارة الرش الزراعي عن طريق الغلة، والتكثيف الطبيعي في البراعم أو الأراضي الرطبة، والهبوط الأساسي باستخدام الرمل أو الحصى، وفي حين أن هذه الأساليب تقلل من تركيزات الذروة، فإنها نادرا ما تكون كافية للوفاء بالمعايير التنظيمية، فالثورة توزع ببساطة كمية الملوث، ولا تزيل النيتروجين، كما أن التحلل الطبيعي عن طريق النهوج المصغرة في التربة والرواسبة يبطة.

التثبيت البيولوجي المتقدم

آليات العمليات

وتكرار البيولوجي عملية مجهرية تحدث بصورة طبيعية، حيث تستخدم البكتيريا المزروعة الفولطية الاصطناعية النيتروجين كمستقبل للكهرباء في غياب الأكسجين، مما يقلل من درجة الحرارة القصوى للنيتروجين وأكسيد النيتروز، وأخيراً الغاز النيتروجين غير المؤذي (N)(2).

استراتيجيات تعزيز

ومن أجل جعل التكاثر عملياً بالنسبة للنفط الزراعي - الذي يمكن أن يكون نكهة وباردة - وضع نُهجاً معززة، واستخدامات التكثيف في المراحل الصلبة في استخدام مصادر الكربون البطيئة مثل رقائق الخشب أو قش القمح أو العصيان، كما أن هذه المواد توفر إمدادات من الكربون طويلة الأجل، كما أنها تشكل دعماً مادياً لنمو الزهري الأحيائي.

القيود والصيانة

وتتطلب النظم البيولوجية مراقبة دقيقة لتجنب تراكم النيتروجين (وهو وسيط يمكن أن يكون ساما) ولمنع إنتاج أكسيد النيتروز (N2O)، وهو غاز حراري قوي، ولا تزال معدلات التدفق المرتفعة خلال العواصف يمكن أن تغسل الكتلة الأحيائية، بينما تبطئ درجات الحرارة، وتزيد من تكاليف التشغيل، على الرغم من هذه التحديات، الرصد المنتظم وتغذية المواد الفرعية التي لا تولد الكربون.

نظم التبادل الإلكتروني

إعادة الاختيار والتجديد

ويستخدم التبادل (د - 9) أكواب الراتنج الاصطناعية التي تحمل مجموعات وظيفية قادرة على تبديد الأنابيب بالماء المحيط، أما بالنسبة لسحب النيترات، فإن راتنجات التبادلية القوية التي تُستخدم في قاعدة معينة (مجموعات الأمونيوم الرباعي) تُفضل بسبب انتقائية عالية للنيترات فوق الكبريتات ومركبات الكربون، وهذه العملية بسيطة:

طلب الحصول على مياه زراعية

كما أن التبادل الأيوني يناسب المنشآت الصغيرة والمتوسطة، مثل معالجة الصرف من حقل واحد أو من غازات الدفيئة، ويمكن أن يحقق كفاءة عالية جداً في إزالة المخلفات ( > 95 في المائة) حتى في تركيزات منخفضة من الركائز (5-20 ملغم/لتر) وتشمل التطورات الأخيرة تطوير ريالات النيترات التي تقلل من المنافسة من الكبريتات وفترات الارتحال.

التخلص من البرين

ويعتبر الأثر البيئي لتصريف الرشوة من الاعتبارات الحاسمة، إذ إن إعادة رشو الأمعاء إلى المياه السطحية محظورة عادة بسبب السمية إلى الحياة المائية، وتشمل خيارات الإدارة المستدامة للرشوة الكثافة البيولوجية للرشوة بالكربون المضاف، والأكسدة الكهروكيميائية للنيترات، أو استخدام الرشوة في التطبيقات غير القابلة للاحترار (مثلاً، إزالة الغبار).

التخفيض الكيميائي

المبادئ والحفازات

(ب) إن الخفض الكيميائي للكميات الكهربائية يُطبق على الكهرباء المُغَلَّص في الماء الجاهز، وفي الكاثود، يُخفض النيتروجين (أو في بعض الأحيان الأمونيا) عن طريق سلسلة من خطوات التحويل الإلكترونية، وتعتمد الكفاءة والانتقائية اعتماداً كبيراً على مواد الكمائن.

الكفاءة واستهلاك الطاقة

وتشير الدراسات على نطاق المختبرات إلى أن معدلات إزالة النيترات تبلغ 90-99 في المائة، حيث يتراوح استهلاك الطاقة بين 5 و30 كيلوواط لكل كيلوغرام من النيترات - النيتروجين قد أزيلت، وبالنسبة لتدفقات الصرف الزراعي النموذجية البالغة 10 لترات/لتر، وتركيز قدره 15 ملغم/لتر، يحد من استهلاك الطاقة()(3) -N، وهذا يترجم إلى ما يقرب من 5-30 كيلو متراً من الطاقة التي يمكن التحكم بها

الدراسات الرائدة والتحديات العملية

وقد تم اختبار عدة نظم تجريبية في هولندا والولايات المتحدة، فعلى سبيل المثال، فإن إجراء محاكمة ميدانية باستخدام مجموعة من الكهروولات المسطحة في تشكيلة من التدفق قد حقق إزالة 80 في المائة من النيترات في فترة الاحتفاظ الهيدروليكية مدتها 30 دقيقة، وتشمل التحديات التي تنطوي على تآكل الكهرومغناطيسي بواسطة المواد العضوية والارتفاع بعجلات الكالسيوم/النسييوم، مما يقلل من الكفاءة على مر الزمن.

التكنولوجيات الناشئة والهاجينة

Membrane Filtration (Reverse Osmosis and Nanofiltration)

ويستخدم التذبذب العكسي (RO) والرش النانوي (NF) أجهزة نصف قابلة للتداول لرفض الأيونات المذوفة، بما في ذلك النيترات والنيترات، ويحقق المكتب الإقليمي > 90 في المائة من الرفض، ولكنه يتطلب ضغطاً عالياً (10-30 بار)، ويولد تدفقاً مرفوضاً مركزاً يجب إدارته، ويعمل الصندوق الوطني في ضغط أقل، ولكنه قد يكون أقل من الرفض في إطار النسيج (60-80 في المائة)

نانشاتولوجيا

وتظهر معظم المواد المشابهة والمحفزة التي تستخدم في المواد الكيميائية الاصطناعية، وعداً بإزالة النيترات الانتقائية، وعلى سبيل المثال، فإن النيترات المحتوية على صفر من الوزن (نزوفي) تقلل من النيترات إلى الأمونيوم أو النيتروجين (FLT:0)(2) مع وجود تفاعل كبير بسبب مساحة سطحها الكبيرة.

الأراضي الرطبة المُصنَّعة بالتطهير الأحيائي

(أ) أن تكون المياه السطحية والمنازل الفرعية المشيدة في الأراضي الرطبة أفضل ممارسات إدارة المياه الزراعية، وأن تكون هذه الأراضي الزراعية (الجرعات، والثعاب، والتدفقات) وحافظة طبقة غنية بالكربون من رقائق الخشب أو البساتين، يمكن أن تدعم التلوث بالبكتيريا الكثيفة، وتشمل التحسينات الأخيرة تعزيزات أحيائية([أ)

تخفيض درجة الدكتوراة

استخدامات التحلل الضوئي لشبه الموصلات (مثلاً، التي أو تي أو 2) أو (ZnO) أو نيتال الكربون الغرافي) التي يُبلَّغ عنها بواسطة طيف أو ضوء مرئي لتوليد الكولونات الكهربائية التي تقلل من النيترات.

التحليل المقارن للتكنولوجيات

ويعتمد اختيار التكنولوجيا المناسبة على معدل التدفق، وتركيز النيترات، وتوافر الأراضي، وتكاليف الطاقة، وخيارات التخلص، ويُرجى ذكر مقارنة موجزة تستند إلى الأداء الرئيسي والعوامل التشغيلية.

  • Biological Denitrification:] High capacity (suitable for large flows); moderate removal efficiency (50-95%); low operating cost if waste carbon available; produces N2 gas; requires careful temperature and pH control; risk of N2
  • Ion Exchange:] highly removal ( >95%); compact footprint; no biological hazards; generates concentrated brine requiring disposal; resin replacement costs; flow rates up to 10 -20 m]3/h per module.
  • Electrochemical Reduction:] High efficiency (80-99%); no chemical addition; immediately on/off; moderate energy consumption; electrode fouling; capital cost for electrodes and power supply.
  • Reverse Osmosis:] excellent quality product water; high pressure, high energy; brine disposal; membrane fouling; suitable as polishing step.
  • Constructed Wetlands:] Low energy, low maintenance; large land area; seasonal variability; multiple co-benefits.

وفي الممارسة العملية، فإن النظم الهجينة - مثل المفاعل الحيوي للأخشاب - يعقبه مركب مكسب من مبادلات الأيوني - لأنها تجمع بين إزالة المعالجة البيولوجية بكميات كبيرة منخفضة التكلفة والموثوقية العالية للتدفقات القصوى في التاسع، وبالمثل، يمكن أن توفر أرض مبنية مصحوبة بخلية الكهروكيميائية في حلقة إعادة الحساب أداء متسقة.

البحث والتنفيذ في المستقبل

خفض التكاليف عن طريق التلقائية والطاقة المتجددة

ومن أكبر الحواجز التي تحول دون اعتماد التكنولوجيات المتقدمة على نطاق واسع التكلفة الرأسمالية والتشغيلية، ويمكن أن تؤدي أجهزة الاستشعار الذكية (مراقبي النيترات في الوقت الحقيقي) إلى زيادة استخدام برامج التوليد الآلي للتدفقات إلى الحد الأمثل من الجرعات الكيميائية أو التيار الكهربائي أو دورات تجديد البيوت، والحد من النفايات والطاقة، بينما يمكن أن تؤدي زيادة الحوافز الكهربائية أو نظم البرمجيات ذات الصبغة الشمسية إلى زيادة جودة البرمجيات في المناطق الزراعية الغنية بالشمس؛

القابلية للتسويق والتكامل على مستوى مستجمعات المياه

وبدلا من معالجة كل حقول على حدة، يجري تصميم مراكز معالجة على نطاق مستجمعات المياه حيث يتم جمع مياه المجاري من مزارع متعددة ومعالجتها في مرفق مركزي، مما يحسن وفورات الحجم ويتيح التشغيل المهني، ويمكن عندئذ إعادة توزيع المياه المعالجة للري، ويخلق حلقة دائرية للمغذيات المائية، غير أن هذه النُهج تتطلب تخطيطا منسقا لاستخدام الأراضي والاستثمار في الهياكل الأساسية لجمعها.

دور السياسات وأفضل الممارسات الإدارية

ولا يمكن لأي تكنولوجيا بمفردها أن تحل التلوث بالنيترات، ويجب أن يكون التنفيذ جزءا من استراتيجية متكاملة لإدارة المغذيات تشمل تطبيق الأسمدة بدقة، وتغطي المحاصيل، والصرف الصحي الخاضع للرقابة، والعوازل المشاطئة، كما أن التوجيه الخاص بدائرة حفظ الموارد الطبيعية في الولايات المتحدة والوكالات المماثلة في جميع أنحاء العالم يقدم المساعدة التقنية والمالية لتركيب المفاعلات الحيوية والأراضي الرطبة.

خاتمة

إن تلوث النيترات والنيتروجين من الجرعة الزراعية يشكل تهديدا مستمرا لنوعية المياه والصحة العامة، ولا يمكن للأساليب التقليدية أن تفي بالمعايير التنظيمية الحديثة أو أن تعالج الحمولات المتغيرة المرتبطة بظواهر العاصفة، وتجميع التكنولوجيات المتقدمة - الكثافة البيولوجية، والخفض الكهروكيميائي، والحلول الناشئة مثل التخزين المغناطيسي، وعلم النانو، وإمكانيات التبني في المستقبل.

For further reading on regulatory limits and treatment technologies, see the WHO Guidelines for Drinking-water Quality] and the ♪EPA Water Treatment Plant Residuals Management report]].