اثرات پیش ‌تصفیه بر افزایش بازده کلرزنی در تصفیه آب و فاضلاب

مقدمه

پیش تصفیه مرحله اولیه در تصفیه آب و فاضلاب است که در آن کیفیت آب قبل از گندزدایی بهبود می یابد. از طریق فرآیندهایی مانند آشغال گیری، ته نشینی و فیلتراسیون، گام های پیش تصفیه اولین سد را تشکیل می دهد که ناخالصی هایی مانند رسوبات، مواد آلی و فلزات را حذف می کند. کلرزنی یکی از رایج ترین روش ها برای گندزدایی آب است که با کشتن یا غیرفعال کردن پاتوژن ها عمل می کند، اما کارایی آن می تواند تحت تاثیر کیفیت پایین آب قرار بگیرد. اگر آب کثیف یا پر از آلاینده باشد، کلر باید بسیار سخت تر عمل کند تا گندزدایی حاصل شود و ممکن است محصولات جانبی شیمیایی ناخواسته ای تولید کند. با حذف کدورت و کاهش سطح آلاینده ها از قبل، پیش تصفیه تضمین می کند که مرحله کلرزنی تحت شرایط بهینه انجام شود. این کار نه تنها کارایی حذف میکروب ها را بهبود می بخشد بلکه به کنترل میزان دوز کلر و محدود کردن محصولات جانبی مضر گندزدایی نیز کمک می کند. در هر دو تاسیسات آب آشامیدنی و تصفیه خانه های فاضلاب، ادغام مراحل پیش تصفیه موثر با کلرزنی امری حیاتی است. این رویکرد در قالب یک سیستم چند سد دفاعی به حفظ سلامت عمومی کمک کرده و اطمینان می دهد که گندزدایی نهایی توسط کلر تا حد امکان موثر و ایمن باشد.

درک مفهوم پیش تصفیه در فرآیند تصفیه آب و فاضلاب

پیش‌ تصفیه به تمامی فرآیندهای مقدماتی گفته می‌ شود که آب خام یا فاضلاب را قبل از مراحل اصلی تصفیه و گندزدایی آماده‌ سازی می‌ کنند. در تصفیه‌ خانه‌ های آب، پیش‌ تصفیه معمولاً شامل مرحله‌ هایی مانند آشغال‌ گیری درشت برای حذف زباله‌ ها، هوادهی برای اکسیداسیون آهن و گازها، و ته‌ نشینی یا زلال‌ سازی برای رسوب‌ دادن جامدات سنگین است. در منابع آب سطحی نیز از مواد شیمیایی منعقدکننده و فرآیند لخته‌ سازی استفاده می‌ شود تا ذرات ریز و مواد آلی طبیعی به‌ صورت توده‌ هایی قابل جداسازی تجمع یابند. به‌ طور مشابه، تاسیسات فاضلاب بر تصفیه مقدماتی و اولیه (نظیر آشغالگیرها، حوضچه‌ های دانه‌ گیری، ته‌ نشینی اولیه) و همچنین بر تصفیه بیولوژیکی ثانویه تکیه دارند تا قبل از کلرزنی، میزان آلاینده‌ ها را به‌ طور چشمگیری کاهش دهند. هدف این عملیات، بهبود کیفیت آب از طریق کاهش کدورت، حذف آلاینده‌ های آلی و معدنی و تعدیل شیمی آب است تا آبی زلال‌ تر و پایدارتر وارد مرحله گندزدایی شود. این رویکرد چند سد دفاعی تضمین می‌ کند که تا هنگام رسیدن آب به مرحله کلرزنی، معیارهای کیفی لازم برای یک ضدعفونی مؤثر فراهم باشد. پیش‌ تصفیه کارآمد نه تنها از تجهیزات و فرآیندهای پایین‌ دستی محافظت می‌ کند، بلکه مستقیماً موجب عملکرد بهتر کلرزنی و افزایش ایمنی فرآیند گندزدایی می‌ شود. در همین راستا، بررسی مزایا و محدودیت‌ های کلرزنی ترکیبی با دی‌ اکسید کلر در فرایندهای تصفیه اهمیت ویژه‌ ای دارد، زیرا انتخاب روش مناسب گندزدایی بر اساس کیفیت آبِ پیش‌ تصفیه‌ شده نقش کلیدی در افزایش راندمان نهایی دارد.

نقش کلرزنی در گندزدایی آب و فاضلاب

کلرزنی عبارت است از افزودن ترکیبات کلر به آب به منظور گندزدایی و از بین بردن میکروارگانیسم های مضر. در سیستم‌ های آب آشامیدنی شهری و تصفیه‌ خانه‌ های فاضلاب، کلرزنی به دلیل توانایی بالا در غیرفعال کردن باکتری‌ ها، ویروس‌ ها و بسیاری از انگل‌ های بیماری‌ زا بسیار رایج است. یکی از مزایای مهم این روش، باقی‌ ماندن مقدار مشخصی کلر آزاد در آب است که از آلودگی مجدد در شبکه توزیع یا پس از رهاسازی فاضلاب جلوگیری می‌ کند. در تصفیه آب آشامیدنی، معمولاً پس از فیلتراسیون، کلر به‌ عنوان سد نهایی برای حذف کامل پاتوژن‌ ها اضافه می‌ شود. در تصفیه فاضلاب نیز کلرزنی باعث کاهش بار میکروبی و حفاظت از کیفیت آب‌ های پایین‌ دست می‌ گردد. اثربخشی این فرایند به عواملی مانند دما، زمان تماس، غلظت کلر و ترکیب شیمیایی آب وابسته است. اگر آب هنوز دارای کدورت بالا، مواد آلی فراوان یا آلاینده‌ های خاص باشد، راندمان کلرزنی کاهش می‌ یابد. به همین دلیل استفاده از مواد گندزداي باکیفیت به عنوان مثال ، انتخاب منابع مطمئن مانند خرید کلر نیرو کلر اصفهان 65 درصد در کنار انجام پیش‌ تصفیه مناسب، نقش تعیین‌ کننده‌ ای در افزایش بازده کلرزنی دارد.

عوامل موثر بر کارایی کلرزنی

بازده گندزدایی با کلر تحت تاثیر چند عامل کلیدی مرتبط با کیفیت آب و شرایط عملیات قرار دارد. یکی از عوامل اصلی، کدورت آب است؛ آب کدر که دارای ذرات معلق باشد می تواند با پنهان کردن میکروب ها در داخل ذرات آنها را از تماس با کلر دور نگه دارد و همچنین با اکسید شدن آن ناخالصی ها توسط کلر، بخش زیادی از کلر را مصرف کند. مقادیر زیاد مواد آلی در آب باعث افزایش کلرخواهی می شود، زیرا کلر با این ترکیبات واکنش داده و بخش عمده آن صرف آنها شده و کلر کمتری برای از بین بردن میکروب ها باقی می ماند. آمونیاک یا نیتریت نیز به طور مشابه کلر را مصرف می کنند و با تشکیل کلرامین ها (که گندزدایی ضعیف تری دارند) از میزان کلر آزاد می کاهند. عامل pH آب نیز مهم است؛ کلرزنی در pH کمی اسیدی تا نزدیک خنثی (حدود 6.5 تا 7.5) بیشترین اثربخشی را دارد، در حالی که در pH های بالاتر بخش بیشتری از کلر در شکل یونی کم اثر وجود دارد. دمای آب هم تاثیرگذار است، به طوری که گندزدایی در آب بسیار سرد با سرعت کمتری انجام می شود. همچنین باید زمان تماس کافی در نظر گرفته شود تا کلر فرصت غیرفعال سازی کامل میکروب ها را داشته باشد، مخصوصاً در مورد میکروارگانیسم های مقاوم تری مانند ویروس ها یا کیست های انگلی. آب بسیار آلوده اغلب به دوز بسیار بالاتر کلر یا زمان تماس طولانی تری نیاز دارند تا به همان درجه گندزدایی آب شفاف دست یابد. مجموع این عوامل نشان می دهند که چرا بهبود کیفیت آب از طریق پیش تصفیه برای یک کلرزنی موثر حیاتی است.

کاهش کدورت از طریق پیش تصفیه برای کلرزنی موثر

کدورت بیش از حد یعنی کدر بودن آب به علت حضور ذرات معلق یکی از مشکلات اصلی برای اثربخشی کلرزنی است. ذرات معلق نه تنها می توانند میکروب ها را در پناه خود از تماس با کلر محفوظ نگه دارند، بلکه با اکسید شدن توسط کلر بخش زیادی از آن را مصرف می کنند. اگر آب قبل از کلرزنی به خوبی زلال سازی نشود، مقدار قابل توجهی از ماده گندزدا صرف واکنش با گل و لای و ذرات معلق می شود و به جای کشتن پاتوژن ها هدر می رود. فرآیندهای پیش تصفیه در کاهش کدورت بسیار موثر هستند: حوضچه های ته نشینی اجازه می دهند گل و لای و رسوبات ته نشین شوند و واحدهای فیلتراسیون (مثل فیلتر شنی یا میکروفیلترها) ذرات ریز باقی مانده را جدا می کنند. اغلب از انعقاد و لخته سازی نیز برای تجمع ذرات کلوئیدی و حذف آسان تر آنها پیش از مرحله کلرزنی استفاده می شود. با دستیابی به کدورت پایین معمولاً کمتر از 1 NTU در آب تصفیه شده، کلر افزوده شده می تواند بدون مانع با همه میکروب های آب تماس پیدا کند. در نبود چنین زلال سازی اولیه ای، ممکن است نیاز باشد دوز بسیار بیشتری از کلر یا زمان تماس طولانی تری اعمال شود تا به سطح گندزدایی مطلوب برسیم. برای مثال، آب خام با کدورت بسیار بالا شاید به چند برابر دوز معمول کلر نیاز داشته باشد و با این وجود باز هم احتمال باقی ماندن برخی میکروب ها وجود دارد. بنابراین کاهش کدورت از طریق پیش تصفیه موثر برای اطمینان از این که کلر بتواند با تمام توان خود در مرحله گندزدایی عمل کند، امری ضروری است.

کاهش مواد آلی با پیش تصفیه برای ارتقای عملکرد کلر

مواد آلی طبیعی موجود در آب، مانند بقایای گیاهی و اسیدهای هیومیک، می تواند کارایی کلرزنی را به طور قابل توجهی مختل کند اگر پیشتر حذف نشده باشد. زمانی که کلر به آبی اضافه شود که سرشار از ترکیبات آلی است، بخش زیادی از کلر صرف اکسیداسیون این مواد آلی می گردد و به جای گندزدایی مصرف می شود. این وضعیت که به عنوان کلرخواهی بالا شناخته می شود به این معنا است که آب مورد نظر برای رسیدن به غلظت باقی مانده مطلوب کلر آزاد به مقدار بسیار بیشتری کلر نیاز دارد. مراحل پیش تصفیه مانند انعقاد پیشرفته (استفاده از مواد شیمیایی منعقد کننده به منظور حذف بیشتر کربن آلی محلول) و فیلتراسیون با کربن فعال معمولاً برای کاهش بار آلی پیش از گندزدایی به کار گرفته می شوند. با حذف درصد قابل توجهی از کل کربن آلی (TOC) از طریق ته نشینی و فیلتراسیون، تصفیه خانه اطمینان می یابد که مقدار بسیار کمتری از کلر در واکنش های جانبی هدر می رود. در نتیجه مرحله کلرزنی می تواند با دوز کمتر به میزان گندزدایی مورد نظر دست پیدا کند و کنترل فرآیند نیز آسان تر می شود. آبی که مواد آلی آن تا حد زیادی حذف شده باشد معمولاً واکنش بهتری به کلرزنی نشان می دهد کلر در آن پایدارتر باقی می ماند و کل فرآیند ضدعفونی به دلیل کاهش کلرخواهی آب کارآمدتر است.

به حداقل رساندن محصولات جانبی گندزدایی با پیش تصفیه

یکی از مزایای مهم پیش تصفیه موثر، کاهش میزان تشکیل محصولات جانبی گندزدایی (DBPs) در طی کلرزنی است. محصولات جانبی مانند تری هالومتان ها (THMs) و اسیدهای هالو استیک زمانی ایجاد می شوند که کلر با مواد آلی طبیعی موجود در آب واکنش دهد. برخی از این ترکیبات ممکن است برای سلامتی زیان آور باشند (برای مثال برخی از آنها احتمال خطر سرطان زایی دارند) و در استانداردهای آب آشامیدنی برای آنها حدود مجاز تعیین شده است. با حذف بخش عمده مواد آلی پیش ساز از طریق فرآیندهای پیش تصفیه مانند انعقاد، لخته سازی، ته نشینی و جذب توسط کربن فعال، تصفیه خانه می تواند میزان تشکیل این مواد ناخواسته را به طور قابل توجهی کاهش دهد. هر چه آب ورودی به مرحله کلرزنی تمیزتر و عاری از مواد آلی باشد، امکان تولید محصولات جانبی کلر به همان نسبت کمتر می شود. مثلاً اگر بخش اعظم رنگ و کربن آلی محلول (DOC) از منبع آب حذف گردد، غلظت THMs پس از کلرزنی به مراتب کمتر از حالتی خواهد بود که هیچ پیش تصفیه ای صورت نگرفته است. علاوه بر آن پیش تصفیه موثر موجب می شود بتوان از دوز کوچکتری از کلر برای گندزدایی استفاده کرد که خود این امر نیز تشکیل محصولات جانبی را محدودتر می کند. در مجموع، پیش تصفیه مناسب نه تنها کارایی کلرزنی در نابودی پاتوژن ها را بالا می برد بلکه کمک می کند آب از نظر شیمیایی ایمن تر باقی بماند، زیرا مقدار محصولات جانبی مضر گندزدایی به حداقل ممکن رسیده است.

حذف آهن، منگنز و آمونیاک پیش از کلرزنی

برخی از آلاینده های غیرآلی در آب می توانند در صورت عدم حذف در پیش تصفیه، کارایی کلرزنی را تا حد زیادی کاهش دهند. آهن و منگنز که اغلب در منابع آب زیرزمینی وجود دارند از این دسته اند. هنگامی که کلر به آب اضافه می شود ابتدا با آهن و منگنز وارد واکنش شده و آنها را اکسید می کند و به ترکیبات نامحلول (مانند اکسید آهن یا همان زنگ آهن) تبدیل می نماید. اما کلری که به این صورت مصرف می شود دیگر برای گندزدایی در دسترس نخواهد بود. برای جلوگیری از این تداخل، معمولاً آهن و منگنز را در مراحل پیش تصفیه حذف می کنند (مثلاً با هوا دهی که این فلزات را بدون مصرف کلر اکسید کرده و سپس فیلتراسیون برای گرفتارسازی آنها). همینطور آمونیاک موجود در آب نیز با کلر واکنش داده و باعث تشکیل کلرامین ها می شود. کلرامین ها تا حدودی خاصیت گندزدایی دارند اما بسیار کندتر و ضعیف تر از کلر آزاد عمل می کنند. اگر آمونیاک حذف نشود (برای مثال از طریق فرآیندهای بیولوژیکی در تصفیه فاضلاب)، لازم است که دوز بزرگی از کلر اعمال شود تا نیاز اولیه کلر (کلرخواهی) برطرف گردد و کلر آزاد کافی برای گندزدایی باقی بماند فرآیندی که به نقطه شکست در کلرزنی معروف است. از این رو، بسیار کارآمدتر است که آمونیاک از همان ابتدا حذف یا به مقدار زیادی کاهش یابد، چرا که در این صورت کلر اضافه شده عمدتاً صرف اکسیداسیون مواد ناخواسته نمی شود و می تواند مستقیماً صرف نابودی میکروب های مضر گردد.

مقابله با پاتوژن های مقاوم به کلر از طریق پیش تصفیه

همه میکروب های بیماری زا به یک اندازه نسبت به کلر حساس نیستند. برخی از میکروارگانیسم ها به ویژه انگل های تک یاخته ای مانند اووسیست های کریپتوسپوریدیوم و کیست های ژیاردیا در برابر کلرزنی با دوزهای معمول مقاومت زیادی نشان می دهند. اگر چنین ارگانیسم های مقاوم به کلر در منبع آب وجود داشته باشند، اتکا صرف به کلرزنی ممکن است به معنای زنده ماندن بخشی از پاتوژن ها در آب گندزدایی شده باشد. پیش تصفیه موانع حیاتی در برابر این میکروب های سرسخت ایجاد می کند. فیلتراسیون موثر یکی از مهم ترین دفاع ها محسوب می شود: فرآیندهایی مانند صافی های شنی کند، فیلترهای شنی تند یا فیلتراسیون غشایی می توانند کیست ها و تخم انگل ها را قبل از مرحله گندزدایی به شکل فیزیکی از آب حذف کنند. مراحل انعقاد و ته نشینی نیز می توانند با به زیر کشیدن ذرات، بخشی از این میکروارگانیسم ها را همراه لخته ها رسوب دهند. با کاهش چشمگیر تعداد پاتوژن های مقاوم به کلر از طریق حذف فیزیکی آنها، کلرزنی بعدی می تواند با اطمینان بیشتری بر غیرفعال سازی میکروب های باقی مانده متمرکز شود. در شرایطی که خطر حضور چنین پاتوژن هایی بالا باشد، روش های گندزدایی مکمل نیز ممکن است در پیش تصفیه ادغام شوند (برای مثال تابش فرابنفش یا ازن زنی) تا این موجودات پیش از کلرزنی یا به طور موازی با آن به طور مستقیم غیرفعال گردند. در واقع بسیاری از مقررات جدید آب آشامیدنی الزام به فیلتراسیون کامل آب های سطحی قبل از گندزدایی دارند، دقیقاً برای محافظت در برابر انگل های مقاوم به کلر مانند کریپتوسپوریدیوم؛ امری که بر اهمیت اساسی پیش تصفیه جهت دستیابی به گندزدایی کامل تاکید می کند.

پیش تصفیه برای گندزدایی موثر فاضلاب

در تصفیه فاضلاب، کلرزنی تنها زمانی اثربخش است که آب قبل از آن از بخش عمده آلاینده ها پاکسازی شده باشد. فاضلاب خام یا با تصفیه ناکافی دارای غلظت های بسیار بالایی از جامدات معلق، مواد آلی (BOD) و آمونیاک است که همگی فرآیند گندزدایی با کلر را تقریباً غیرممکن می کنند. از این رو، در تصفیه خانه های فاضلاب ابتدا از تصفیه اولیه (ته نشینی برای حذف مواد جامد) و تصفیه ثانویه بیولوژیکی (فرآیندهای هوازی که BOD را کاهش داده و اغلب آمونیاک را به نیترات تبدیل می کنند استفاده می شود و سپس کلرزنی نهایی انجام می گیرد. به این ترتیب، زمانی که آب به حوضچه تماس کلر می رسد، غلظت ذرات و مواد آلی آن به شدت کاهش یافته است – معمولاً به کمتر از 30 میلی گرم بر لیتر مواد معلق، در حالی که در فاضلاب خام اولیه این مقادیر صدها میلی گرم بر لیتر بودند. این کاهش بار آلودگی باعث می شود که کلر بتواند به خوبی در تمام حجم آب نفوذ کرده و کلرزنی با تقاضای کلر کمتری انجام شود. اگر این مراحل پیش تصفیه نادیده گرفته شوند یا عملکرد کافی نداشته باشند، حتی یک دوز بسیار بالای کلر هم شاید نمی تواند ضدعفونی مورد نیاز را تامین کند، زیرا کلر توسط مواد آلاینده مصرف شده و میکروب ها در میان ذرات محافظت می شوند. بسیاری از تاسیسات فاضلاب همچنین یک مرحله فیلتراسیون یا فرآیند پولیش دیگر را قبل از کلرزنی اضافه می کنند، به ویژه هنگامی که نیاز به افزایش کارایی گندزدایی یا دستیابی به استانداردهای کیفی بالاتر (مثلاً برای استفاده مجدد آب) باشد.

انعقاد و لخته سازی به عنوان مراحل پیش تصفیه برای ارتقای کارایی کلرزنی

انعقاد و لخته سازی دو فرآیند شیمیایی در مرحله پیش تصفیه هستند که مستقیماً بر بهبود کارایی کلرزنی تاثیر می گذارند. در فرآیند انعقاد، مواد منعقد کننده (مانند آلوم یا نمک های آهن) به آب اضافه می شوند تا ذرات ریز و کلوئیدی – شامل گل و لای، سیلت و ترکیبات آلی رنگ زا ناپایدار شوند و تمایل به تجمع پیدا کنند. در مرحله لخته سازی، اختلاط آرام آب باعث می شود این ذرات بی بار به یکدیگر چسبیده و توده های بزرگتری به نام لخته تشکیل دهند. این لخته ها به سادگی ته نشین یا فیلتر می شوند و به این ترتیب بخش عمده ای از کدورت و مواد آلی از آب حذف می گردد. نتیجه آن است که آب بسیار زلال تر و کم آلاینده تری وارد مرحله کلرزنی می شود. این بهبود کیفیت آب بدان معناست که کلر کمتری در واکنش های جانبی مصرف شده و مقدار بیشتری از آن به صورت کلر آزاد برای گندزدایی در دسترس باقی می ماند. افزون بر این، انعقاد معمولاً pH آب را اندکی کاهش می دهد (به دلیل ماهیت اسیدی مواد منعقد کننده مانند آلوم) که همین امر می تواند اثربخشی کلر را افزایش دهد. با به کارگیری انعقاد و لخته سازی جهت حذف ناخالصی ها و حتی درصدی از میکروب ها پیش از ضدعفونی، تصفیه خانه می تواند با دوز کمتری کلر به همان میزان یا بالاتر از سطح گندزدایی مورد نظر دست یابد که این امر بهبود ایمنی و بهره وری فرآیند را در پی دارد.

فیلتراسیون: یک مرحله حیاتی پیش از کلرزنی

فیلتراسیون معمولاً آخرین گام پالایش آب پیش از کلرزنی است و نقشی حیاتی در افزایش اثربخشی گندزدایی دارد. پس از آن که فرآیندهایی مانند انعقاد و ته نشینی حجم زیادی از ناخالصی ها را کاهش دادند, صافی ها (مثل فیلترهای ماسه ای تند، فیلترهای چندبستره یا فیلترهای غشایی) باقی مانده ذرات معلق و ناخالصی های میکروسکوپی را به دام می اندازند. این شامل درصد بالایی از باکتری ها، کیست های انگلی و حتی برخی ویروس ها می شود که در مراحل قبل ممکن است حذف نشده باشند. با تولید آبی با کدورت بسیار ناچیز، فیلتراسیون تضمین می کند که هنگام تزریق کلر، این ماده ضدعفونی کننده می تواند عملاً به تمام میکروارگانیسم های موجود در آب دسترسی پیدا کند. بدون فیلتراسیون، احتمال دارد ذرات بسیار ریز حامل میکروب ها به مرحله گندزدایی راه پیدا کنند و باعث شوند بخشی از میکروب ها از تماس کامل با کلر در امان بمانند. در سامانه های آب آشامیدنی، یک فیلتراسیون موثر می تواند بیش از 90٪ از پاتوژن ها را حذف کرده و بار میکروبی ورودی به فرآیند کلرزنی را به طور چشمگیری کاهش دهد. در تصفیه فاضلاب نیز اغلب از صافی های نهایی (تصفیه ثالثیه) پیش از کلرزنی استفاده می شود تا پساب خروجی شفاف تر و عاری از ذرات گردد. در مجموع وجود فیلتراسیون قوی پیش از کلرزنی برای دستیابی به گندزدایی یکنواخت و کامل با دوزهای معقول کلر امری ضروری است.

مروری بر روش های پیش تصفیه و تاثیر آنها بر کارایی کلرزنی

مراحل مختلف پیش تصفیه هر کدام با هدف حذف گروهی از آلاینده ها به بهبود کارایی کلرزنی کمک می کنند. جدول زیر مروری بر روش های مهم پیش تصفیه، آلاینده های هدف هر روش و چگونگی تاثیر آنها بر کارایی گندزدایی با کلر ارائه می دهد: