انواع سامانه های کلر زنی در تصفیه آب شهری

مقدمه

کلرزنی یکی از مهم ترین روش برای ضدعفونی منابع آب شهری است که با از بین بردن میکروارگانیسم های بیماری زا، سلامت عمومی را حفظ می کند. بیش از یک قرن است که شهرهای سراسر جهان به فرآیندهای مبتنی بر کلر اتکا کرده اند تا اطمینان حاصل کنند که آب آشامیدنی از وجود باکتری ها و ویروس ها ایمن باقی بماند. با گذشت زمان انواع متعددی از سیستم های کلرزنی توسعه یافته اند؛ از استفاده از گاز کلر در تصفیه خانه های بزرگ گرفته تا سیستم های تزریق کلر مایع و فناوری های تولید کلر در محل. در این مرور جامع، به بررسی سیستم های مختلف کلرزنی در تصفیه آب شهری می پردازیم و نحوه کار آن ها، مزایا و محدودیت هایشان و نقش آن ها در تأمین آب پاک و ایمن برای جوامع را مورد بحث قرار می دهیم.

اهمیت کلرزنی در تصفیه آب شهری

کلرزنی نقشی حیاتی در تصفیه آب شهری ایفا می کند، زیرا به طور موثر پاتوژن ها را از بین برده و از بیماری های منتقله از آب جلوگیری می کند. ورود گندزدایی با کلر به سیستم های آب شهری معمولاً با کاهش چشمگیر شیوع بیماری هایی مانند وبا و حصبه همراه بوده است و آن را به سنگ بنای بهداشت عمومی مدرن تبدیل کرده است. تصفیه خانه های شهری کلرزنی را به عنوان یک مرحله استاندارد در فرآیند خود اعمال می کنند تا اطمینان حاصل شود که باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروارگانیسم ها پیش از رسیدن آب به مصرف کنندگان غیرفعال شده اند. یکی از جنبه های مهم کلرزنی توانایی آن در ایجاد یک اثر باقی مانده پایدار است؛ به این معنا که کلر در شبکه توزیع آب در سطوح پایین باقی می ماند و با جریان یافتن آب در لوله ها به مهار رشد میکروبی ادامه می دهد. این حفاظت باقی مانده، کلرزنی را از روش هایی مانند UV یا ازن زنی متمایز می کند که پاتوژن ها را در تصفیه خانه از بین می برند اما هیچ ماده ضدعفونی کننده مستمری در آب باقی نمی گذارند. علاوه بر گندزدایی، کلرزنی به کنترل مشکلات مزاحم نیز کمک می کند، این روش آهن، منگنز و سولفید هیدروژن را اکسید کرده و شفافیت، طعم و بوی آب را بهبود می بخشد. در این میان، استفاده از کلر باکیفیت و استاندارد مانند خرید کلر کلران سمنان ۶۵ درصد برای تصفیه‌ خانه‌ ها و شرکت‌ های خدماتی اهمیت ویژه‌ ای دارد، زیرا این محصول با پایداری بالا و قدرت گندزدایی مؤثر، عملکرد سیستم‌ های کلرزنی را بهینه می‌ سازد. به دلیل کارایی اثبات‌شده و هزینه‌ی نسبتاً کم، کلرزنی به جزء لاینفک تصفیه آب شهری در سراسر جهان تبدیل شده است. امروزه تقریباً تمامی شهرهای بزرگ از نوعی کلرزنی برای ایمن نگه داشتن آب خود استفاده می‌کنند.

نحوه عملکرد کلرزنی در گندزدایی آب

کلرزنی از طریق یک فرآیند شیمیایی آب را گندزدایی می کند که طی آن کلر با موجودات مضر واکنش داده و آن ها را نابود می کند. هنگامی که کلر (در هر شکلی) به آب اضافه می شود، اسید هیپوکلروس (HOCl) و یون های هیپوکلریت (OCl⁻) تشکیل می دهد که به طور مجموع به عنوان کلر آزاد شناخته می شوند. این گونه های کلر عوامل اکسیدکننده بسیار موثری هستند که به دیواره سلولی باکتری ها و ویروس ها نفوذ کرده، فرآیندهای متابولیکی آن ها را مختل کرده و آن ها را از بین می برند. اثربخشی کلر به عواملی مانند غلظت، زمان تماس، دمای آب و میزان pH بستگی دارد. در pH پایین تر، بخش بیشتری از HOCl (گونه قوی کلر) حضور دارد که گندزدایی آب را نیرومند تر می کند. به محض اضافه شدن کلر، ابتدا با هر ماده آلی، آهن یا آمونیاک موجود واکنش می دهد؛ پس از تکمیل این واکنش ها (مرحله ای که به عنوان نقطه شکست کلرزنی شناخته می شود)، سطحی از کلر آزاد باقی می ماند که برای غیرفعال کردن پاتوژن ها در دسترس است. حفظ این باقی مانده کلر آزاد حیاتی است چرا که با حرکت آب در شبکه توزیع، حفاظت مداوم در برابر آلودگی فراهم می کند.

سیستم های کلرزنی با گاز کلر

سیستم های کلرزنی با گاز کلر، کلر را به صورت گاز عنصری به منبع آب وارد می کنند. در این سیستم ها، کلر (Cl₂) به شکل گاز مایع شده در سیلندرهای فولادی تحت فشار یا مخازن یک تنی ذخیره می شود و از طریق تجهیزات خاص کلرزن به آب تزریق می شود. کلرزن معمولاً از یک انژکتور وکیوم استفاده می کند تا گاز را از سیلندر بکشد و با آب مخلوط کند و محلول قوی کلر تشکیل دهد که سپس در جریان اصلی آب ترکیب می شود. کلرزنی با گاز کلر مدت ها به دلیل کارایی و مقرون به صرفه بودن برای تصفیه خانه های بزرگ آب شهری ترجیح داده می شد. گاز کلر ۱۰۰٪ کلر در دسترس فراهم می کند و می تواند حجم عظیمی از آب را به صورت اقتصادی گندزدایی کند. با این حال ایمنی یک نگرانی اساسی است. گاز کلر بسیار سمی است و حتی نشت کوچک آن می تواند خطرات جدی برای کارگران و جوامع نزدیک ایجاد کند. تاسیساتی که از گاز کلر استفاده می کنند باید اقدامات ایمنی قوی داشته باشند، مانند آشکارسازهای نشت گاز، سیستم های تهویه و اسکرابرهای اضطراری برای خنثی سازی هر انتشار تصادفی. علاوه بر این اپراتورها نیاز به آموزش ویژه در زمینه جا به جایی سیلندرهای کلر و واکنش اضطراری دارند. با وجود این خطرات، بسیاری از شهرها همچنان از سیستم های گاز کلر استفاده می کند زیرا این سیستم ها قابل اعتماد و کم هزینه هستند، هرچند برخی در حال گذار به گزینه های ایمن تر هستند.

سیستم های کلرزنی با هیپوکلریت سدیم (کلر مایع)

سیستم های هیپوکلریت سدیم برای کلرزنی آب از محلول های مایع سفیدکننده استفاده می کنند و جایگزینی آسان برای گاز کلر ارائه می دهند. هیپوکلریت سدیم (NaOCl) معمولاً به صورت مایع غلیظ (وایتکس تجاری با حدود ۱۲–۱۵٪ کلر) تامین و در مخازن یا بشکه ها در محل ذخیره می شود. یک پمپ تزریق شیمیایی محلول سفیدکننده را با نرخ کنترل شده به جریان آب تزریق می کند و دوز کلر مورد نظر را تامین می کند. این روش کلرزنی مایع در سیستم های آب کوچک و متوسط محبوب است و توسط بسیاری از تاسیسات بزرگ نیز به کار گرفته شده است، زیرا خطرات ذخیره گاز کلر تحت فشار را از بین می برد. کار کردن با کلر مایع نسبتاً ایمن تر است، اگرچه این محلول همچنان خورنده است و باید با دقت مدیریت شود، اما خطر حاد تنفسی مانند گاز کلر خالص ایجاد نمی کند. هیپوکلریت سدیم به راحتی قابل خودکارسازی است و به اپراتورها اجازه می دهد مقدار تزریق را با پمپ هایی که به جریان یا سنسورهای کلر باقی مانده متصل هستند تنظیم کنند. با این حال، این روش دارای چند اشکال نیز هست: محلول سفیدکننده در طول زمان تجزیه می شود (به ویژه در شرایط گرم یا آفتابی)، از قدرت آن کاسته شده و محصولات جانبی مانند کلرات تولید می کند، که به این معنی است که نمی توان آن را برای مدت نامحدود ذخیره کرد. همچنین حمل و نقل آن حجیم تر است (زیرا بخش اعظم آن آب می باشد) و به ازای واحد کلر نسبت به گاز هزینه بیشتری دارد. با وجود این مسائل، سیستم های هیپوکلریت مایع یک گزینه قابل اعتماد و انعطاف پذیر برای کلرزنی هستند که به طور گسترده در تصفیه آب شهری استفاده می شوند.

سیستم های کلرزنی با هیپوکلریت کلسیم (جامد)

هیپوکلریت کلسیم یک شکل جامد از کلر برای تصفیه آب فراهم می کند که اغلب در سیستم های آب کوچکتر یا مناطق دور افتاده استفاده می شود. این ماده به صورت گرانول، پودر یا قرص های فشرده (معمولاً حاوی حدود ۶۵–۷۰٪ کلر قابل استفاده) عرضه می شود و می توان آن را در آب حل کرد تا محلول کلرزنی ایجاد شود یا از طریق دستگاه های قرص کلر که به آرامی کلر را در جریان آزاد می کنند به کار برد. این ترکیب جامد کلر مزیت پایداری در ذخیره سازی را ارائه می دهد، وقتی خشک و خنک نگه داشته شود، عمر مفید طولانی تری نسبت به وایتکس مایع دارد و حمل و نقل آن بدون مخازن سنگین آسان است. هیپوکلریت کلسیم اغلب در شهرهای کوچک، تاسیسات آب روستایی و واحدهای گندزدایی اضطراری که سادگی و قابل حمل بودن اولویت دارند به کار گرفته می شود. بسیاری از سیستم های تصفیه کوچک از واحدهای قرص کلر استفاده می کنند که در آن ها آب بر روی پشته هایی از قرص های کلر جریان یافته یا از میان آن ها عبور می کند و آن ها را با نرخ کنترل شده حل می کند. با این حال، محدودیت های مهمی نیز وجود دارد. این ترکیب یک اکسیدکننده قوی است و در صورت استفاده نادرست می تواند خطرناک باشد (باید دور از هر ماده آلی یا سوختی نگهداری شود تا از آتش سوزی یا انفجار جلوگیری شود). همچنین تمایل دارد pH آب را بالا ببرد.

سیستم های تولید کلر در محل

سیستم های تولید کلر در محل به وسیله نمک و برق، محلول کلر را مستقیماً در تاسیسات تصفیه آب تولید می کنند. این سیستم ها (که اغلب ژنراتورهای هیپوکلریت در محل نامیده می شوند) با الکترولیز یک آب نمک (محلول کلرید سدیم) هیپوکلریت سدیم را در صورت نیاز تولید می کنند. محلول کلر حاصله دارای غلظت نسبتاً پایینی است (معمولاً حدود ۰.۸٪ کلر) که سپس مشابه سیستم کلر مایع معمولی به جریان آب تزریق می شود. مزیت کلیدی سیستم تولید کلر در محل، ایمنی بیشتر آن است: نیازی به حمل و نگهداری حجم زیادی از گاز کلر خطرناک یا مواد شیمیایی بسیار غلیظ نیست. در عوض، تأسیسات فقط نمک معمولی را ذخیره می کنند و کلر بر حسب نیاز به صورت تازه تولید می شود. این امر به میزان زیادی ریسک های مرتبط با نشت یا نشتی مواد را کاهش داده و تدارکات تامین مواد شیمیایی را ساده می کند. در این فرایند کنترل کیفیت آب پس از کلر زنی در تصفیه آب شهری اهمیت زیادی دارد، زیرا اطمینان می‌ دهد که کلر تولید شده در محل، در غلظت بهینه تزریق شده و هیچ اثر جانبی نامطلوبی بر طعم، بو یا ترکیب شیمیایی آب نگذارد. ژنراتورهای در محل همچنین تأمین مداوم ماده ضدعفونی را تضمین می کنند و از اختلالات زنجیره تامین که ممکن است در تحویل کلر تجاری رخ دهد جلوگیری می کنند. از جمله معایب می توان به هزینه اولیه سرمایه گذاری بالاتر و نیازهای عملیاتی بیشتر اشاره کرد، تجهیزات الکترولیز برق قابل توجهی مصرف می کند و به نگهداری منظم نیاز دارد (مثلاً تمیز کردن سلول های الکترولیتی و مدیریت تهویه گاز هیدروژن فرعی). با وجود هزینه ها، بسیاری از تصفیه خانه های مدرن شهری برای افزایش ایمنی، قابلیت اطمینان و خودکفایی در نیازهای گندزدایی خود، به تولید کلر در محل روی آورده اند.

سیستم های گندزدایی با دی اکسید کلر

دی اکسید کلر یک گندزدا متمایز است که در برخی از سناریوهای تصفیه آب شهری برای رفع چالش های خاص به کار می رود. بر خلاف کلرزنی سنتی، دی اکسید کلر گونه شیمیایی متفاوتی است که باید در محل تولید شود (معمولاً با واکنش کلریت سدیم با گاز کلر یا اسید) و سپس به آب تزریق شود. ClO₂ یک عامل اکسیدکننده قوی است، به طور موثر باکتری ها، ویروس ها و پروتوزوآ را از بین می برد و می تواند طعم و بوی ناخوشایند آب را برطرف کند. یک مزیت عمده دی اکسید کلر این است که محصولات جانبی مشکل ساز بسیار کمتری نسبت به کلر آزاد تولید می کند؛ تقریباً با ماده آلی واکنش نمی دهد، بنابراین ترکیباتی مانند تری هالومتان ها به حداقل می رسند. این ویژگی ClO₂ را برای منابع آبی که دارای مواد آلی زیادی هستند یا برای تاسیساتی که در تلاش برای رعایت مقررات سخت گیرانه مربوط به محصولات جانبی گندزدایی هستند ارزشمند می سازد. در عمل دی اکسید کلر اغلب به عنوان گندزدای اولیه استفاده می شود و پس از آن برای حفظ باقی مانده در شبکه توزیع، کلر معمولی یا کلرامین به آب اضافه می شود از آنجا که باقی مانده ClO₂ معمولاً در فواصل طولانی پایدار نمی ماند. استفاده از دی اکسید کلر نیازمند مدیریت دقیق است زیرا در آب کلریت و کلرات تولید می کند که محصولات جانبی تحت نظارت هستند و باید در محدوده های مجاز نگه داشته شوند. سیستم تولید آن نیز پیچیده تر است و هزینه مواد شیمیایی بالاتر می باشد، بنابراین تأسیسات معمولاً ClO₂ را فقط زمانی به کار می گیرند که مزایای خاص مانند کنترل برتر بو یا تشکیل کمتر THM ، هزینه و پیچیدگی اضافی آن را توجیه کند.

استفاده از کلرامین در سیستم های آب شهری

کلرامین شکل دیگری از ماده گندزدای مبتنی بر کلر است که به طور گسترده ای در سیستم های آب شهری استفاده می شود و در درجه اول برای حفظ باقی مانده طولانی مدت در شبکه توزیع به کار می رود. کلرامین زنی فرآیند ترکیب کلر با آمونیاک است (معمولاً افزودن آمونیاک به آبی که از قبل حاوی کلر است) تا مونوکلرامین تشکیل شود. مونوکلرامین در مقایسه با کلر آزاد گندزدای ضعیف تری است، اما برای حفظ کیفیت آب در لوله ها به اندازه کافی موثر است و مزیت کلیدی آن ماندگاری بسیار بیشتر آن است. بسیاری از شهرها کلرامین را برای گندزدایی ثانویه به کار گرفته است زیرا می تواند باقی مانده را برای چند روز در یک شبکه لوله کشی گسترده حفظ کند. مزیت دیگر کاهش محصولات جانبی گندزدایی است، کلرامین در مقایسه با کلر مقدار به مراتب کمتری تری هالومتان (THM) و اسیدهای هالو استیک تولید می کند که به تأسیسات کمک می کند مقررات سخت گیرانه آب آشامیدنی را رعایت کنند. با این حال استفاده از کلرامین چالش هایی نیز به همراه دارد. زیرا در ابتدا به اندازه کلر آزاد قوی نیست، معمولاً ابتدا یک مرحله گندزدایی اولیه با کلر یا دیگر روش ها انجام می شود و سپس افزودن آمونیاک صورت می گیرد. آب کلرامینه باید به دقت پایش شود تا از نیترات سازی جلوگیری شود، مشکلی که در آن باکتری ها از آمونیاک تغذیه کرده و نیتریت و نیترات ایجاد می کنند و کیفیت آب را کاهش می دهند. متولیان شبکه آب این مسئله را با کنترل نسبت کلر به آمونیاک مدیریت می کنند و گاه به طور موقت دوباره از کلر آزاد به جای کلرامین استفاده می کنند تا شبکه را ضدعفونی کنند (روشی که به شوک کلر معروف است). با وجود این موارد استفاده از کلرامین به عنوان یک راهبرد برای تأمین آب ایمن تر با محصولات جانبی شیمیایی کمتر در شبکه های آب رسانی گسترده رایج شده است.

اطمینان از گندزدایی موثر با زمان تماس

در فرآیند کلرزنی تأمین زمان تماس کافی برای اطمینان از نابودی موثر پاتوژن ها پیش از خروج آب از تصفیه خانه حیاتی است. زمان تماس به مدت زمانی اشاره دارد که طی آن کلر پیش از توزیع در آب باقی می ماند و این امر امکان می دهد که گندزدا به طور کامل باکتری ها، ویروس ها و انگل ها را غیرفعال کند. تأسیسات تصفیه آب شهری معمولاً دارای حوضچه تماس کلر یا مخزن ذخیره هستند، در واقع یک تانک ذخیره یا مجموعه ای از محفظه های دارای پره، که در آن آب کلرزده شده برای مدت زمان هدف (اغلب حداقل ۲۰ تا ۳۰ دقیقه) نگه داشته می شود تا سطح گندزدایی مطلوب حاصل شود. زمان تماس لازم به عواملی مانند دمای آب، pH و غلظت کلر بستگی دارد؛ برای مثال آب سردتر یا pH بالاتر ممکن است به دوره تماس طولانی تری نیاز داشته باشد زیرا سرعت عمل کلر در این شرایط کمتر است. مهندسین از مفهوم CT (غلظت کلر ضرب در زمان) برای طراحی این سیستم ها و رعایت استانداردهای مقرراتی مربوط به غیرفعال سازی میکروبی استفاده می کنند مثلاً دستیابی به نرخ نابودی ۹۹.۹٪ Giardia یا ویروس. اطمینان از زمان تماس مناسب یک اقدام متوازن سازی است: زمان خیلی کم می تواند به گندزدایی ناکافی منجر شود، در حالی که زمان تماس بیش از حد بدون مدیریت سطح کلر ممکن است محصولات جانبی گندزدایی بیشتری تولید کند. بنابراین تصفیه خانه ها نرخ جریان و دوز کلر را با دقت کنترل می کنند تا زمان تماس بهینه ای را حفظ کنند که کشتن پاتوژن ها را به حداکثر رسانده و هرگونه اثر جانبی را به حداقل می رساند، به طوری که آب ورودی به شبکه توزیع هم ایمن و هم منطبق با استانداردهای کیفی باشد.

مقایسه سیستم های مختلف کلرزنی

هیچ سیستم کلرزنی یکنواختی برای همه شرایط وجود ندارد؛ هر نوع مزایا و ملاحظات خاص خود را دارد که تناسب آن را برای یک موقعیت معین تحت تأثیر قرار می دهد. عواملی مانند مقیاس سیستم آب، ملاحظات ایمنی، هزینه های عملیاتی و الزامات مقرراتی تعیین می کنند کدام روش کلرزنی بهترین انتخاب است. برای مثال، یک تصفیه خانه بزرگ شهری ممکن است برای مدیریت جریان های بالا به طور مقرون به صرفه گاز کلر یا تولید کلر در محل را انتخاب کند، در حالی که یک جامعه روستایی کوچک می تواند برای سادگی عملیات به قرص های هیپوکلریت کلسیم اتکا کند. همچنین, تأسیساتی که نگران مقررات محصولات جانبی گندزدایی هستند ممکن است برای کاهش تشکیل THM و HAA به کلرامین یا دی اکسید کلر اولویت دهند. درک این تفاوت ها برای مهندسین و مدیران آب هنگام انتخاب روش گندزدایی مناسب ضروری است. با مقایسه این گزینه ها, به روشنی مشخص می شود که اولویت هایی مانند هزینه, ایمنی و پیچیدگی در بین روش های مختلف کلرزنی چگونه متفاوت هستند. جدول زیر مقایسه ای پهلو به پهلو از انواع اصلی سیستم های کلرزنی مورد استفاده در تصفیه آب شهری ارائه می دهد و منبع/شکل کلر، مزایای قابل توجه، معایب رایج و کاربردهای معمول هر یک را نشان می دهد.