استفاده از کلر در سیستم های کوچک تصفیه آب و فاضلاب روستایی

مقدمه

کلر یکی از سنگ‌ بناهای تصفیه آب در سراسر جهان است و نقشی حیاتی در حفظ بهداشت عمومی ایفا می‌ کند. در بسیاری از مناطق روستایی، سامانه های کوچک مقیاس تصفیه آب و فاضلاب برای گندزدایی موثر به کلر متکی هستند. این جوامع معمولاً به فناوری های پیشرفته تصفیه دسترسی ندارند و به همین دلیل کلر راه حلی مقرون ‌به‌ صرفه و عملی برای از بین بردن پاتوژن ‌های مضر محسوب می ‌شود. استفاده از کلر در تصفیه آب آشامیدنی به طور چشمگیری میزان بیماری‌ هایی مانند وبا، اسهال خونی و حصبه را در مناطقی که به طور مداوم کلرزنی می‌ شوند کاهش داده است. به طور مشابه، تصفیه فاضلاب در سکونتگاه‌ های روستایی نیز از کلر برای خنثی‌ سازی باکتری‌ ها و ویروس ‌ها قبل از تخلیه پساب به محیط ‌زیست بهره می ‌برد.

درک نقش ضدعفونی‌ کننده کلر

خرید پودر کلر طی چندین دهه به عنوان یک ماده گندزدای قوی در تصفیه آب استفاده شده، زیرا قادر است طیف وسیعی از پاتوژن ‌ها را بکشد یا غیرفعال کند. کلر در آب وارد واکنش ‌های شیمیایی می ‌شود که حاصل آن تولید اسید هیپوکلروس است؛ این ماده یک عامل اکسید‌کننده قوی است که می ‌تواند به دیواره سلولی میکروب ‌ها نفوذ کند. این فرایند آنزیم‌ ها و ساختارهای ضروری درون باکتری‌ ها، ویروس‌ ها و سایر ریزاندامگان را تخریب می ‌کند و باعث غیرفعال شدن آن‌ ها می ‌شود. کارایی گندزدایی با کلر بسته به شرایط آب می‌ تواند متفاوت باشد؛ در آب زلال با کدورت پایین و pH متوسط بهترین عملکرد را دارد، زیرا این شرایط باعث می ‌شود کلر بتواند مستقیماً با پاتوژن‌ ها واکنش دهد. عملکرد ضدعفونی‌ کنندگی کلر در برابر بیشتر باکتری‌ ها و ویروس‌ ها سریع است و این ویژگی آن را برای تصفیه آب آشامیدنی و فاضلاب بسیار مناسب می ‌سازد. در واقع، با دوز مناسب کلر می ‌تواند بیش از ۹۹٪ از این پاتوژن‌ ها را در عرض چند دقیقه تماس از بین ببرد. اما ارگانیسم‌ های مقاوم ‌تر مانند کیست‌ های پروتوزوآ ممکن است به دوزهای بالاتر یا مراحل اضافی تصفیه نیاز داشته باشند. در مجموع اثربخشی طیف گسترده کلر و سرعت بالای حذف پاتوژن ‌ها باعث شده است که این ماده هم در سامانه‌ های کوچک آب و هم در سامانه ‌های بزرگ آب ضروری باشد.

اهمیت کلرزنی در تامین آب آشامیدنی روستایی

دسترسی به آب آشامیدنی سالم در بسیاری از جوامع روستایی یک چالش مهم است و کلرزنی برای رفع این چالش نقش اساسی دارند. روستاهای کوچک و مناطق دورافتاده اغلب آب خود را از چاه‌ ها، رودخانه ‌ها یا دریاچه‌ هایی تامین می‌ کنند که ممکن است به باکتری ‌ها، ویروس ‌ها و انگل‌ ها آلوده باشند. کلرزنی منبع آب آشامیدنی روستا روشی نسبتاً کم‌ هزینه و موثر برای حفاظت از ساکنان در برابر بیماری ‌های منتقله از آب فراهم می ‌کند. با از بین بردن میکروب ‌های بیماری ‌زا، کلر شیوع بیماری ‌هایی مانند اسهال، هپاتیت و وبا را که می‌ توانند در مناطق فاقد تصفیه مناسب شایع باشند به طرز چشمگیری کاهش می ‌دهد. اهمیت کلر در تامین آب روستایی همچنین در سادگی و در دسترس بودن آن نهفته است: ترکیبات کلر (مانند سفیدکننده مایع یا قرص ‌ها) به طور گسترده در دسترس هستند و حمل آن ‌ها به مناطق خارج از شبکه آسان است. حتی بدون زیرساخت ‌های پیچیده می ‌توان یک سیستم کلرزنی ساده را برای بهبود کیفیت آب اجرا کرد. برنامه ‌های بهداشتی در سراسر جهان کلرزنی در سطح خانوار و جامعه را ترویج کرده‌ اند زیرا نتایج سلامتی فوری به همراه دارد. در مجموع کلرزنی اغلب اولین و مهم ‌ترین گام برای اطمینان از ایمن بودن آب آشامیدنی در مناطق روستایی است و این امر اهمیت حیاتی آن را در حفاظت از سلامت جامعه نشان می ‌دهد.

کاربرد کلر در سامانه ‌های کوچک تصفیه آب

سامانه ‌های کوچک تامین آب در مناطق روستایی شامل چاه‌ های مشترک، شبکه‌ های لوله‌ کشی کوچک و واحدهای تصفیه ساده ‌ای هستند که به روستاها یا مجموعه‌ ای از خانه‌ ها خدمت ‌رسانی می‌ کنند. این سامانه ‌ها غالباً از کلر به عنوان روش اصلی گندزدایی استفاده می ‌کنند تا قابل شرب بودن آب را تضمین کنند. کاربرد کلر می‌ تواند بسته به اندازه و امکانات سیستم به روش ‌های مختلفی انجام شود. در ساده‌ ترین حالت مقدار معینی محلول کلر (مانند سفیدکننده خانگی) می ‌تواند به صورت دستی به یک مخزن ذخیره آب یا چاه اضافه شود. در سامانه‌ های کوچک منسجم ‌تر، از کلرزن‌ های قطره‌ ای یا پمپ‌ های تزریق استفاده می ‌شود که به طور خودکار کلر را به جریان آب وارد کرده و یک دوز ثابت را حفظ می ‌کنند. این فرایند معمولاً شامل مخلوط کردن کلر با آب و فراهم کردن زمان تماس کافی در یک مخزن یا لوله است تا پاتوژن ‌ها به طور موثر قبل از رسیدن آب به مصرف ‌کنندگان از بین بروند. بسیاری از سامانه‌ های آبرسانی روستایی هیپوکلریت سدیم (سفیدکننده مایع) را انتخاب می‌ کنند زیرا استفاده و کنترل آن آسان است. دوز کلر باید با دقت پایش شود؛ اگر میزان کلر خیلی کم باشد ممکن است گندزدایی به ‌طور کامل صورت نگیرد، و اگر بیش از حد زیاد باشد می ‌تواند باعث ایجاد طعم یا بوی شدید کلر شود. با مدیریت صحیح استفاده از کلر این امکان را فراهم می ‌کند که حتی سامانه ‌های آب روستایی کوچک نیز آبی مطابق با استانداردهای ایمنی بهداشتی از نظر کیفیت میکروبی تامین کنند.

استفاده از کلر در سامانه ‌های فاضلاب روستایی

علاوه بر آب آشامیدنی کلر به طور متداول برای گندزدایی پساب در سیستم‌ های تصفیه فاضلاب روستایی کوچک مقیاس استفاده می ‌شود. بسیاری از جوامع روستایی برای مدیریت فاضلاب به سپتیک تانک ‌ها، برکه‌ های تثبیت یا تصفیه ‌خانه‌ های کوچک متکی هستند. هنگامی که فاضلاب تصفیه‌ شده (پساب) به آب‌ های سطحی رها می ‌شود یا برای آبیاری استفاده می‌ گردد، گندزدایی برای جلوگیری از انتشار پاتوژن ‌ها به استفاده‌ کنندگان پایین ‌دست و محیط ‌زیست اهمیت دارد. کلر به دلیل اثربخشی و قیمت پایین، اغلب در این گونه موارد به عنوان ماده گندزدا انتخاب می ‌شود. در سیستم‌ های فاضلاب روستایی غالباً از کلرزن ‌های قرصی استفاده می ‌شود: قرص‌ های جامد کلر به آرامی با عبور پساب از روی آن ‌ها حل شده و به‌ طور پیوسته کلر را به درون حوضچه تماس آزاد می ‌کنند. این روش ساده است و به حداقل توجه اپراتور نیاز دارد، که برای جوامعی با توان فنی محدود مناسب است. کلر باکتری ‌ها، ویروس ‌ها و سایر جانداران مضر در فاضلاب را قبل از تخلیه غیرفعال می ‌کند. با این حال استفاده از کلر در فاضلاب باید با دقت مدیریت شود. باقی ‌مانده کلر زیاد در آب خروجی می ‌تواند به زندگی آبزیان در رودخانه ‌ها یا جویبارها آسیب برساند. بنابراین سیستم‌ های کوچک گاهی یک مرحله کلرزدایی (خنثی‌ سازی کلر) را در بر می ‌گیرند یا اطمینان حاصل می‌ کنند که هنگام رهاسازی پساب، فقط مقدار بسیار کمی کلر در آن باقی مانده باشد. از طریق گندزدایی با کلر، سیستم ‌های فاضلاب روستایی به‌ طور قابل توجهی خطرات بهداشتی و آلودگی محیط ‌زیست را کاهش می ‌دهند.

انواع مواد گندزدا بر پایه کلر برای سیستم‌ های کوچک

کلر برای استفاده در تصفیه آب و فاضلاب در چندین شکل موجود است که هر کدام ویژگی‌ ها و تناسب خود را برای سیستم ‌های کوچک مقیاس دارند. گاز کلر، هیپوکلریت سدیم (مایع) و هیپوکلریت کلسیم (جامد) از رایج ‌ترین گزینه ‌ها هستند. در تاسیسات کوچک روستایی، انتخاب غالباً به عملی بودن و ایمنی بستگی دارد. برای مثال گاز کلر یک گندزدای قوی است اما کار کردن با سیلندرهای گاز کلر تحت فشار خطرناک است و به نیروی آموزش ‌دیده نیاز دارد، بنابراین به ندرت در سیستم ‌های بسیار کوچک جامعه استفاده می ‌شود. کلر مایع (سفیدکننده تجاری یا هیپوکلریت سدیم غلیظ) پرکاربرد است زیرا تنظیم دوز آن با پمپ ‌های ساده یا حتی به صورت دستی در تاسیسات ابتدایی آسان است. اشکال جامد مانند هیپوکلریت کلسیم به صورت پودر دانه ‌ای یا قرص عرضه می ‌شوند؛ این گزینه ‌ها برای مناطق دور افتاده مناسب هستند زیرا ماندگاری طولانی‌ تری دارند و می ‌توان از طریق خوراک‌ دهنده قرص یا با حل کردن در آب برای تهیه محلول مادر از آن‌ ها استفاده کرد. علاوه بر این ضدعفونی ‌کننده‌ های دیگری بر پایه کلر مانند دی ‌اکسید کلر یا مونوکلرامین (کلر ترکیبی) نیز وجود دارند که ممکن است در شرایط خاصی مد نظر قرار گیرند (برای مثال جایی که تشکیل محصولات فرعی گندزدایی کمتری مد نظر است). جدول زیر انواع اصلی مواد گندزدا بر پایه کلر و ویژگی‌ های آن‌ ها را در زمینه سیستم ‌های کوچک تصفیه روستایی نشان می ‌دهد.

کنترل دوز کلر و زمان تماس

برای دستیابی به گندزدایی موثر در یک سیستم کوچک، کنترل دوز کلر و اطمینان از زمان تماس کافی بین کلر و آب ضروری است. منظور از دوز میزان کلر اضافه ‌شده است که معمولاً بر حسب میلی‌ گرم در لیتر (mg/L) سنجیده می ‌شود. تعیین دوز صحیح به عواملی مانند میزان آلودگی آب و شیمی آب pH، وجود مواد آلی و غیره بستگی دارد. اگر آب منبع دارای ناخالصی ‌های آلی زیاد یا ذرات کدر باشد، بخشی از کلر توسط آن مواد مصرف می ‌شود (پدیده ‌ای که به عنوان نیاز کلر شناخته می ‌شود) پیش از آن‌که بتواند میکروب‌ ها را گندزدایی کند. بنابراین اپراتور ها اغلب دوز کمی بالاتر اضافه می ‌کنند تا این نیاز را برآورده کرده و همچنان کلر آزاد کافی برای کشتن پاتوژن ‌ها باقی بماند. زمان تماس مدت زمانی است که کلر پیش از رسیدن به اولین مصرف ‌کننده یا قبل از تخلیه، در آب باقی می ‌ماند. حتی یک دوز قوی کلر نیز به حداقل زمان تماس نیاز دارد (اغلب ۲۰ تا ۳۰ دقیقه یا بیشتر) تا اطمینان حاصل شود که میکروب‌ ها به طور کامل غیرفعال شده‌ اند. سیستم ‌های کوچک معمولاً یک مخزن نگهداری یا لوله مارپیچ را جهت تامین این زمان تماس ضروری در نظر می‌ گیرند. با کنترل دقیق هر دو عامل دوز و زمان تماس، اپراتورهای آب روستایی می ‌توانند کارایی گندزدایی را حداکثر کرده و در عین حال از مصرف بیش از حد مواد شیمیایی اجتناب کنند.

حفظ باقی ‌مانده کلر در شبکه توزیع

یکی از مزیت استفاده از کلر توانایی حفظ سطح باقی ‌مانده گندزدا در سیستم توزیع آب است. پس از تصفیه اولیه، مقدار کمی کلر در آب به صورت فعال باقی می‌ ماند زیرا آب در طی عبور از لوله ‌ها، مخازن ذخیره و تا نقطه مصرف جریان می ‌یابد. حفظ این باقی ‌مانده کلر (که در بسیاری از دستورالعمل ‌های آب آشامیدنی اغلب حدود ۰٫۲ تا ۰٫۵ میلی‌ گرم در لیتر توصیه می ‌شود) برای حفاظت از کیفیت آب در شبکه ‌های توزیع روستایی حیاتی است. این باقی ‌مانده همچون محافظی در برابر هرگونه آلودگی بعدی که ممکن است از طریق نشتی لوله ‌ها، رخدادهای کاهش فشار یا آلودگی مجدد مخازن وارد شود عمل می ‌کند. برای سیستم ‌های کوچک روستایی، حفظ باقی ‌مانده یکنواخت می ‌تواند چالش ‌برانگیز باشد اما برای اطمینان از ایمن ماندن آب تا رسیدن به شیر آب مصرف‌ کنندگان ضروری است. اپراتور ها معمولاً سطوح کلر آزاد را در نقاط مختلف سیستم اندازه ‌گیری می‌ کنند و برای دستیابی به باقی ‌مانده هدف، دوزدهی را بر آن اساس تنظیم می ‌کنند. اگر باقی‌ مانده کلر بیش از حد پایین بیاید، باکتری ‌ها می ‌توانند در خطوط توزیع یا مخازن ذخیره دوباره تکثیر شوند و ایمنی آب را تضعیف کنند. از سوی دیگر اگر سطح باقی‌ مانده بیش از حد بالا باشد، ممکن است باعث ایجاد طعم قابل احساس کلر شود. بنابراین یک تعادل حفظ می ‌شود به ‌طوری‌که فقط به اندازه کافی کلر باقی می ‌ماند تا کیفیت آب تضمین شود بدون اینکه اثرات نامطلوب برای مصرف ‌کنندگان ایجاد کند.

تاثیرات کلر بر کیفیت و طعم آب

کلر می ‌تواند بر ویژگی ‌های ظاهری آب تأثیر بگذارد؛ یعنی طعم، بو و حتی در برخی موارد رنگ آن را تحت ‌تاثیر قرار دهد. بسیاری از افراد طعم یا بوی متمایز استخر شنا را تشخیص می ‌دهند که هنگام بالا بودن میزان کلر ممکن است در آب ایجاد شود. در سیستم ‌های کوچک آب، اگر به منظور ایمنی مقدار بسیار زیادی کلر اضافه شود، ممکن است مصرف‌ کنندگان به دلیل طعم یا بوی شیمیایی، آب را غیرقابل نوشیدن بیابند. این مساله فراتر از یک ناراحتی جزئی است: اگر آب طعم بدی داشته باشد، روستاییان ممکن است شروع به اجتناب از آب تصفیه ‌شده کرده و به دنبال منابع تصفیه ‌نشده دیگر بروند که می ‌تواند ناامن باشد. برای مدیریت این وضعیت باید دوزهای کلر با دقت کنترل شوند تا نیازهای گندزدایی با مطبوعیت آب در تعادل قرار گیرند. همان‌ طور که کلر زنی در تصفیه فاضلاب صنعتی نیازمند تنظیم دقیق و علمی است تا هم آلودگی‌ ها از بین بروند و هم مشکلات ثانویه ایجاد نشود، در آب آشامیدنی روستایی نیز باید این تعادل به‌ خوبی برقرار شود. کلر همچنین می‌ تواند با برخی ترکیبات آلی یا فلزات در آب واکنش دهد و گاهی منجر به تغییر رنگ جزئی یا بوهای غیرمعمول شود. شستشوی لوله‌ ها و تنظیم سطوح کلر معمولاً می ‌تواند مشکلات طعم و بو و رنگ آب را برطرف کند. هدف این است که به اندازه‌ ای کلر در آب نگه داشته شود که ایمنی تضمین گردد اما آن ‌قدر کم باشد که کاربران به سختی متوجه حضور آن شوند؛ در یک سیستم با مدیریت صحیح، مردم تقریباً هیچ طعم کلری احساس نمی‌ کنند و آب شفاف و دلپذیر باقی می ‌ماند.

محصولات فرعی گندزدایی و نگرانی ‌های بهداشتی

محصولات فرعی شیمیایی ناشی از کلرزنی یک ملاحظه مهم سلامت محسوب می ‌شوند. وقتی کلر با مواد آلی طبیعی مانند مواد گیاهی در حال تجزیه در آب ‌های سطحی واکنش می ‌دهد، می ‌تواند محصولات فرعی گندزدایی متنوعی (DBPs) تشکیل دهد. رایج‌ ترین آنها تری‌ هالومتان ‌ها (THMs) و اسیدهای هالو‌استیک (HAAs) هستند. برای مثال کلروفورم یک نوع THM است که اغلب در آب کلرزده حاوی ناخالصی ‌های آلی دیده می‌ شود. اگرچه این مواد معمولاً در غلظت ‌های بسیار پایین رخ می ‌دهند، اما مطالعات تماس طولانی ‌مدت با سطوح بالای برخی DBP‌ها را با مشکلات سلامتی از جمله افزایش خطر سرطان و مشکلات احتمالی تولید مثلی مرتبط دانسته ‌اند. سازمان‌های نظارتی حدود مجازی برای غلظت DBPها در آب آشامیدنی تعیین کرده ‌اند، به طوری که حتی سیستم ‌های کوچک را واداشته ‌اند در صورت امکان آب خود را پایش کنند. سیستم‌ های آب روستایی، به ویژه آنهایی که از منابع آب سطحی استفاده می ‌کنند باید به تشکیل DBPها توجه داشته باشند. سیستم ‌های کوچک می‌ توانند با حذف مواد آلی قبل از کلرزنی، استفاده از فقط دوز کلر لازم، یا روی آوردن به روش ‌های جایگزین (مثلاً کلرامین) که محصولات فرعی کمتری تولید می‌ کنند، DBPها را مدیریت کنند. نکته مهم این است که خطر فوری بیماری ‌های منتقله از آب از ریسک بلندمدت احتمالی DBPها بیشتر است، بنابراین توصیه نمی ‌شود که کلرزنی به کلی کنار گذاشته شود. در عوض هدف بهینه‌ سازی فرآیند تصفیه برای به حداقل رساندن محصولات فرعی در عین کشتن پاتوژن‌ ها است.

جایگزین‌ های کلر برای گندزدایی در مناطق روستایی

اگرچه کلر متداول ‌ترین گندزدا است، اما روش ‌های جایگزینی برای گندزدایی آب و فاضلاب در سیستم ‌های روستایی وجود دارد. یکی از جایگزین ‌ها نور فرابنفش (UV) است که میکروب‌ ها را بدون مواد شیمیایی غیرفعال می‌ کند. UV هیچ باقیمانده شیمیایی یا طعمی بر جای نمی‌ گذارد، اما به برق نیاز دارد و هیچ حفاظ باقی ‌مانده‌ ای در شبکه توزیع ایجاد نمی ‌کند. اوزون یک گندزدای قوی دیگر است که در برخی سیستم‌ های تصفیه استفاده می‌ شود؛ در کشتن پاتوژن‌ ها بسیار موثر است و از محصولات فرعی کلرزنی اجتناب می ‌کند، اما تولید اوزون پیچیده است و معمولاً برای تأسیسات کوچک روستایی بسیار پرهزینه می‌ باشد. کلرامین (حاصل از کلر و آمونیاک) نیز در برخی سیستم ‌ها برای ایجاد باقی ‌مانده طولانی ‌تر و محصولات فرعی کمتر استفاده می ‌شود، اما گندزدای ضعیف‌ تری است و مدیریت آن پیچیده‌ تر می‌باشد. یکی از گزینه ‌های نوظهور در سیستم ‌های کوچک فاضلاب اسید پراستیک (PAA) است؛ یک گندزدای مایع که پاتوژن ‌ها را می‌ کشد و به مواد بی ‌خطر تجزیه می ‌شود و نیاز به خنثی ‌سازی کلر را از بین می ‌برد. هر کدام از این جایگزین ‌ها جایگاه خود را دارند، اما عواملی مانند هزینه، مهارت فنی، نگهداری و عدم وجود اثر باقی ‌مانده بدان معناست که گندزدایی مبتنی بر کلر همچنان انتخاب غالب برای اکثر کاربردهای کوچک مقیاس روستایی است.