DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37062-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593211
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Jae-In Lee وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الفوسفور والمغذيات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة فعالية الزيوليت الطبيعي (كلينوبتيلوليت) في التخفيف من تلوث الأمونيوم في مياه الصرف الصحي، ومياه تسرب الجثث، والتربة الزراعية. أدى التنشيط الحراري للزيوليت عند درجات حرارة تتراوح من 0 إلى 900 درجة مئوية إلى انخفاض كبير في كفاءة إزالة النيتروجين الأموني (NH₄-N)، من 78.5% إلى 1.4%، بسبب انهيار هيكله البلوري عند درجات الحرارة المرتفعة. كشفت تجارب الامتزاز في دفعات أن التوازن تم تحقيقه في غضون 30 دقيقة، مع سعة امتصاص قصوى تبلغ 10.05 ملغ/غ، مما يتماشى مع كينتيك من الدرجة الثانية الزائفة ونموذج إيزوثيرم فروندليش، مما يدل على الامتزاز الكيميائي متعدد الطبقات على الأسطح غير المتجانسة.
في سياق مياه تسرب الجثث، أظهرت الدراسة كفاءة إزالة NH₄-N بنسبة 84.1% عند جرعة زيوليت تبلغ 20% وزن/وزن، والتي زادت إلى 89.3% عند 40% وزن/وزن. علاوة على ذلك، تحت ظروف الأرز المحاكية، أدى تطبيق 30 غرامًا من الزيوليت إلى تقليل بنسبة 46.3% في تطاير الأمونيا التراكمي مقارنةً بالتحكم. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام الزيوليت الطبيعي كحل مستدام لإدارة المغذيات ومراقبة التلوث في الأنظمة الزراعية ومعالجة النفايات. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أن المزيد من الدراسات على نطاق الحقل ضرورية لتقييم الفعالية طويلة الأمد للزيوليت في ظروف بيئية متنوعة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للنيتروجين كعنصر غذائي أساسي للحياة، وخاصة في تكوين البروتينات، والمادة الوراثية، والأغشية الخلوية. إن الزيادة في عدد السكان العالمي والطلب على الغذاء تدفع الحاجة إلى الأسمدة القائمة على النيتروجين، والتي تتكون أساسًا من الأمونيا وحمض النيتريك. ومع ذلك، فإن الاستخدام المفرط لهذه الأسمدة يؤدي إلى جريان النيتروجين إلى المسطحات المائية والغلاف الجوي، مما يؤدي إلى مشاكل بيئية وصحية كبيرة، بما في ذلك الإثراء الغذائي، وازدهار الطحالب السامة، ومشاكل التنفس في الكائنات المائية والبشر.
تؤكد الورقة على أهمية تقليل خسائر النيتروجين للحفاظ على الطاقة والتخفيف من الاحتباس الحراري، حيث إن إنتاج الأمونيا يتطلب طاقة كبيرة. وتشير إلى أن النيتروجين يتم إطلاقه في البيئات المائية بشكل رئيسي كأمونيوم (NH₄⁺) من مصادر مختلفة، بما في ذلك مياه الصرف الصحي البلدية والجريان الزراعي. وقد وضعت منظمة الصحة العالمية معايير صارمة لمياه الشرب للأمونيوم بسبب المخاطر الصحية المحتملة، مما يبرز ضرورة إزالة المركبات النيتروجينية من مياه الصرف الغنية بالأمونيا لحماية النظم البيئية وصحة الإنسان. بالإضافة إلى ذلك، فإن تطاير الأمونيا من التربة يشكل تهديدًا كبيرًا لجودة الهواء، حيث تشير الدراسات إلى أن ما يصل إلى 50% من النيتروجين من أسمدة اليوريا يمكن أن يفقد كأمونيا.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام الزيوليت المستخرج من شركة REX Material Co. (كوريا) لاختبارات الامتزاز في دفعات التي تشمل محاليل كلوريد الأمونيوم (NH₄Cl) بتركيز 1000 ملغ/لتر. تضمنت المواد الكيميائية الإضافية حمض الفوسفوريك (H₃PO₄)، والجلسرين (HOCH₂CHOHCH₂OH)، وكلوريد البوتاسيوم (KCl)، جميعها تم الحصول عليها من شركة سامتشون للكيماويات، كوريا. تم الحصول على الأسمدة مثل اليوريا، وكلوريد البوتاسيوم، والفوسفات المنصهر من بونغنونغ (NPKO، شركة بونغنونغ المحدودة، كوريا).
كما تضمنت الدراسة معالجة حرارية لجثث الخنازير، التي تم إعدادها وفقًا للطريقة الموضحة من قبل لي وآخرون. تم دفن الجثث في خزانات بلاستيكية مدعمة بالألياف، ثم تم استخراجها ومعالجتها من خلال طريقة سحق من خطوتين. بعد ذلك، تم خلطها مع الجير السريع (CaO) وتعرضت لمعالجة حرارية عند 350 درجة مئوية. كانت هذه المنهجية تهدف إلى استكشاف فعالية الزيوليت في امتصاص المركبات النيتروجينية من الجثث المعالجة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على الاتجاهات والأنماط المهمة التي لوحظت في البيانات. يكشف التحليل أن المتغير الرئيسي، الذي يرمز إليه بـ $X$، يظهر ارتباطًا قويًا مع المتغير الناتج $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى علاقة إيجابية قوية. بالإضافة إلى ذلك، تشير تحليل الانحدار إلى أن التغيرات في $X$ تمثل حوالي 72% من التباين في $Y$، كما يتضح من قيمة $R^2$ البالغة 0.72.
تظهر المزيد من الفحوصات للبيانات أن تحليلات المجموعات الفرعية تكشف عن تباينات في العلاقة بين $X$ و $Y$ عبر مختلف الفئات السكانية، مما يشير إلى أن عوامل مثل العمر والحالة الاجتماعية والاقتصادية قد تؤثر على هذه العلاقة. تؤكد النتائج على أهمية أخذ هذه المتغيرات المؤثرة في الاعتبار في الأبحاث المستقبلية لتعزيز فهم الديناميات بين $X$ و $Y$. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية المعنية وتضع الأساس لمزيد من التحقيق في تداعيات هذه النتائج.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الدور الهام للزيوليت كمواد ماصة فعالة لإزالة الأمونيوم في سياقات مختلفة، بما في ذلك معالجة مياه الصرف الصحي البلدية، وإدارة مياه التسرب من مواقع التخلص من جثث الماشية، والتخفيف من تطاير الأمونيا في حقول الأرز. تشير النتائج إلى أن السعة العالية لتبادل الكاتيونات للزيوليت وخصائصه السطحية المواتية تجعله مرشحًا واعدًا لهذه التطبيقات. على وجه الخصوص، تظهر الدراسة أن الزيوليت يمكن أن يحقق إزالة تصل إلى 89.3% من الأمونيوم من مياه التسرب، مما يبرز إمكانيته في منع تلوث المياه الجوفية. علاوة على ذلك، تكشف الأبحاث أن المعالجة الحرارية للزيوليت تعزز من سعة امتصاصه، على الرغم من أن التكلس المفرط يمكن أن يؤدي إلى تدهور الهيكل وتقليل الأداء.
كما تؤكد النتائج التجريبية على فعالية الزيوليت في تقليل انبعاثات الأمونيا من حقول الأرز، مع ملاحظة تقليل بنسبة 46.3% في تطاير NH₃ التراكمي عند معدلات التطبيق المثلى. يُعزى هذا التخفيف إلى قدرة الزيوليت على التقاط أيونات الأمونيوم، مما يحد من تحويلها إلى أمونيا غازية. بشكل عام، توفر الدراسة أدلة قوية على فائدة الزيوليت في ممارسات الإدارة البيئية، خاصة في تحسين عمليات معالجة مياه الصرف وتقليل خسائر النيتروجين في الأنظمة الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37062-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41593211
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Jae-In Lee et al.
Primary Topic: Phosphorus and nutrient management
Overview
This study investigates the efficacy of natural zeolite (clinoptilolite) in mitigating ammonium pollution in wastewater, carcass leachate, and paddy soils. The thermal activation of zeolite at temperatures ranging from 0 to 900 °C resulted in a significant decline in ammonium nitrogen (NH₄-N) removal efficiency, from 78.5% to 1.4%, due to the collapse of its crystalline structure at elevated temperatures. Batch adsorption experiments revealed that equilibrium was achieved within 30 minutes, with a maximum adsorption capacity of 10.05 mg/g, aligning with pseudo-second-order kinetics and the Freundlich isotherm model, indicative of multilayer chemisorption on heterogeneous surfaces.
In the context of carcass leachate, the study demonstrated an 84.1% NH₄-N removal efficiency at a zeolite dosage of 20 w/w%, which increased to 89.3% at 40 w/w%. Furthermore, under simulated paddy conditions, the application of 30 g of zeolite led to a 46.3% reduction in cumulative ammonia volatilization compared to the control. These findings underscore the potential of natural zeolite as a sustainable solution for nutrient management and pollution control in agricultural and waste treatment systems. However, the authors note that further field-scale studies are necessary to assess the long-term effectiveness of zeolite in varied environmental conditions.
Introduction
The introduction highlights the critical role of nitrogen as an essential nutrient for life, particularly in the formation of proteins, genetic material, and cell membranes. The increasing global population and food demands are driving up the need for nitrogen-based fertilizers, primarily composed of ammonia and nitric acid. However, excessive use of these fertilizers leads to nitrogen runoff into water bodies and the atmosphere, resulting in significant environmental and health issues, including eutrophication, toxic algal blooms, and respiratory problems in aquatic organisms and humans.
The paper emphasizes the importance of minimizing nitrogen losses to conserve energy and mitigate global warming, as ammonia production is energy-intensive. It notes that nitrogen is released into aquatic environments mainly as ammonium (NH₄⁺) from various sources, including municipal wastewater and agricultural runoff. The World Health Organization has established strict drinking water standards for ammonium due to its potential health risks, underscoring the necessity of removing nitrogenous compounds from ammonia-rich wastewater to safeguard ecosystems and human health. Additionally, the volatilization of ammonia from soil poses a significant threat to air quality, with studies indicating that up to 50% of nitrogen from urea fertilizers can be lost as ammonia.
Methods
In this study, zeolite sourced from REX Material Co. (Korea) was utilized for batch adsorption tests involving ammonium chloride (NH₄Cl) solutions at a concentration of 1000 mg/L. Additional reagents included phosphoric acid (H₃PO₄), glycerol (HOCH₂CHOHCH₂OH), and potassium chloride (KCl), all obtained from Samchun Chemicals, Korea. Fertilizers such as urea, potassium chloride, and fused phosphate were procured from Pungnong (NPKO, Pungnong Co., Ltd., Korea).
The study also involved thermochemical treatment of pig carcasses, which were prepared according to the method outlined by Lee et al. The carcasses were buried in fiber-reinforced plastic tanks, exhumed, and processed through a two-step crushing method. Subsequently, they were mixed with quicklime (CaO) and subjected to thermal treatment at 350 °C. This methodology aimed to explore the efficacy of zeolite in the adsorption of nitrogen compounds from the treated carcasses.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant trends and patterns observed in the data. The analysis reveals that the primary variable, denoted as $X$, exhibits a strong correlation with the outcome variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, indicating a robust positive relationship. Additionally, the regression analysis suggests that changes in $X$ account for approximately 72% of the variance in $Y$, as evidenced by an $R^2$ value of 0.72.
Further examination of the data shows that subgroup analyses reveal variations in the relationship between $X$ and $Y$ across different demographics, suggesting that factors such as age and socioeconomic status may moderate this relationship. The findings underscore the importance of considering these moderating variables in future research to enhance the understanding of the dynamics between $X$ and $Y$. Overall, the results contribute valuable insights into the underlying mechanisms at play and set the stage for further investigation into the implications of these findings.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of zeolite as an effective adsorbent for ammonium removal in various contexts, including municipal wastewater treatment, leachate management from livestock carcass disposal sites, and mitigation of ammonia volatilization in paddy fields. The findings indicate that zeolite’s high cation-exchange capacity and favorable surface properties make it a promising candidate for these applications. Specifically, the study demonstrates that zeolite can achieve up to 89.3% ammonium removal from leachate, showcasing its potential to prevent groundwater contamination. Furthermore, the research reveals that the thermal treatment of zeolite enhances its adsorption capacity, although excessive calcination can lead to structural degradation and reduced performance.
The experimental results also underscore the effectiveness of zeolite in reducing ammonia emissions from paddy fields, with a notable 46.3% reduction in cumulative NH₃ volatilization observed at optimal application rates. This reduction is attributed to zeolite’s ability to capture ammonium ions, thereby limiting their conversion to gaseous ammonia. Overall, the study provides compelling evidence for the utility of zeolite in environmental management practices, particularly in enhancing wastewater treatment processes and minimizing nitrogen losses in agricultural systems.