بررسی عملکرد ازن ‌زنی و اشعه UV به‌ عنوان فناوری ‌های نوین مکمل کلرزنی در تصفیه آب

مقدمه

گندزدایی آب یک مرحله حیاتی برای ایمن سازی آب آشامیدنی است. بیش از صد سال است که کلر زنی به خاطر اثربخشی و توانایی حفظ خاصیت گندزدایی در شبکه توزیع، پرکاربردترین روش برای نابودی عوامل بیماری زا در آب آشامیدنی بوده است. با این حال، برخی مشکل در فرایند کلر زنی وجود دارد، از جمله تشکیل محصولات جانبی گندزدایی و اثربخشی کمتر در برابر برخی انگل ها. برای رفع این چالش ها، فناوری های مکمل مدرنی مانند ازن زنی و پرتودهی فرابنفش در کنار روش سنتی کلر زنی به کار گرفته شده اند. این روش های پیشرفته می توانند عملکرد کلی فرایند تصفیه را بهبود بخشند، کیفیت آب را ارتقا دهند و رویکرد چندمانعی برای حفاظت از سلامت عمومی را تضمین کنند. در بخش های بعدی به طور جامع ارزیابی می شود که ازن و پرتودهی فرابنفش چگونه به عنوان فناوری های مکمل کلر زنی در تصفیه آب عمل می کنند.

کلر زنی: سنگ بنای گندزدایی آب

کلر از دیرباز سنگ‌ بنای گندزدایی آب شهری بوده است و در این روش شیمیایی با افزودن کلر یا ترکیبات آزادکننده‌ ی کلر به آب، باکتری‌ ها و بسیاری از ویروس‌ ها از طریق اکسیداسیون غشاهای سلولی و آنزیم‌ های حیاتی به سرعت غیرفعال می‌ شوند. کلرزنی در اوایل قرن بیستم اهمیت یافت و موجب کاهش چشمگیر بیماری‌ های منتقله از آب مانند وبا و تیفوئید شد. یکی از مزیت‌ های کلرزنی توانایی آن در حفظ اثر گندزدایی باقی‌ مانده در طول جریان آب در لوله‌ ها است که از رشد دوباره‌ ی میکروب‌ ها و تشکیل بیوفیلم در سیستم توزیع جلوگیری می‌ کند. کلر همچنین نسبتاً ارزان و استفاده از آن آسان است و همین موضوع آن را برای تصفیه در مقیاس بزرگ و حتی سامانه‌ های کوچک محلی بسیار مقرون‌ به‌ صرفه می‌ کند؛ به‌ طوری که در بخش‌ های کوچک‌ تر مانند استخرها نیز خرید پودر کلر استخر نقش مهمی در حفظ سلامت و بهداشت آب دارد. به دلیل اثربخشی اثبات‌ شده‌ ی کلر، مقررات بهداشت عمومی حداقل میزان کلر باقی‌ مانده در آب توزیع‌ شده را الزام می‌ کنند تا حفاظت همواره ادامه یابد. گندزدایی با کلر فواید جانبی دیگری نیز دارد؛ از جمله اکسید کردن آهن و منگنز که باعث حذف آن‌ ها و بهبود شفافیت آب می‌ شود. همچنین کلرزنی به تجهیزات نسبتاً ساده نیاز دارد و سابقه‌ ای طولانی دارد، به این معنا که اپراتورهای آب در سراسر جهان با نحوه‌ ی استفاده‌ ی ایمن از آن کاملاً آشنا هستند. در مجموع قابلیت اطمینان، مقرون‌ به‌ صرفه‌ بودن و خاصیت گندزدایی ماندگار کلرزنی موجب شده این فناوری همچنان به‌ عنوان روشی ضروری و گسترده در تصفیه آب در سراسر جهان مورد استفاده قرار گیرد.

محدودیت های گندزدایی با کلر در تصفیه آب مدرن

با وجود کاربرد گسترده آن، گندزدایی با کلر محدودیت های قابل توجهی دارد که نیاز به یافتن راهکارهای مکمل را ایجاد می کند. برخی انگل های تک یاخته ای مقاوم (مانند ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم) در برابر کلر بسیار مقاوم هستند و برای غیرفعال سازی آن ها نیاز به دوز یا زمان تماس بسیار زیادی است که در عمل امکان پذیر نیست. اگر چنین انگل هایی از دیگر سدهای تصفیه عبور کنند، حتی در آب کلرزده نیز می توانند باعث بیماری شوند. همچنین کلر با مواد آلی طبیعی موجود در آب واکنش می دهد و محصولات جانبی گندزدایی مانند تری هالومتان ها (THM) و اسیدهای هالو استیک (HAA) را تشکیل می دهد که مصرف بلندمدت آن ها می تواند نگرانی های بهداشتی ایجاد کند. این محصولات جانبی در بسیاری از کشورها تحت مقررات سختگیرانه ای قرار دارند و شرکت های آب و فاضلاب را ناگزیر می سازند که دوزهای کلر را با دقت کنترل کرده و پیش سازهای آلی موجود در آب را مدیریت کنند. برخی از محصولات جانبی کلرزنی با بروز سرطان و مشکلات سلامتی دیگر مرتبط دانسته شده اند، از این رو کاهش آن ها به یک اولویت تبدیل شده است. افزون بر این، کلر می تواند طعم و بوی شیمیایی ناخوشایندی به آب تصفیه شده بدهد که باعث شکایت مصرف کنندگان از کیفیت آب می شود. چالش های ایمنی و نگهداری نیز وجود دارند، زیرا گاز کلر سمی و خورنده است اپراتورهای تصفیه آب باید برای حمل و استفاده ایمن از کلر دستورالعمل های سخت گیرانه ای را رعایت کنند. در تصفیه آب مدرن، این محدودیت ها بر نیاز به ترکیب کلرزنی با فناوری های دیگر که بتوانند میکروب های مقاوم به کلر را هدف قرار دهند و تشکیل محصولات جانبی شیمیایی را به حداقل برسانند، تأکید می کنند.

ظهور فناوری های مکمل گندزدایی

آگاهی از کاستی های کلر زنی منجر به پیدایش فناوری های مکمل گندزدایی شده است که برای تقویت کارایی تصفیه آب طراحی شده اند. ازن زنی و پرتودهی فرابنفش به عنوان دو روش مدرن برجسته پدیدار شده اند که می توان آن ها را به همراه کلر زنی در فرایند تصفیه ترکیب کرد. این روش ها به دلیل توانایی شان در غیرفعال کردن عوامل بیماری زا که کلر در از بین بردن آن ها مشکل دارد و نیز جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی کلردار ارزشمند محسوب می شوند. در دهه های اخیر، پیشرفت های مهندسی باعث شده است که مولدهای ازن و سامانه های UV قابل اعتمادتر و در دسترس تر شوند و پذیرش آن ها توسط شرکت های آب و فاضلاب سرعت بگیرد. بسیاری از شهرهای بزرگ با نصب واحدهای ازن یا UV در تصفیه خانه های موجود، مقررات سخت گیرانه تر کیفیت آب را رعایت کرده اند، در حالی که برای حفظ باقی مانده گندزدایی همچنان از کلر استفاده می کنند. در یک رویکرد چند مانعی در تصفیه، ازن یا UV می توانند به عنوان گام گندزدایی اولیه عمل کنند و میکروارگانیسم های سرسخت را از بین ببرند، در حالی که یک دوز کمتر کلر پس از آن برای ایمنی باقی مانده در سراسر سیستم توزیع اعمال می شود. استفاده از این روش های مکمل در تأسیسات پیشرفته تصفیه آب به طور فزاینده ای رایج شده است. در واقع، ازن زنی و پرتودهی فرابنفش اغلب به عنوان ارتقا هایی در نظر گرفته می‌شود که بدون جایگزین کردن کامل نیاز به باقی مانده کلر، ایمنی و کیفیت آب آشامیدنی را بهبود می بخشند. دستورالعمل های بین المللی اکنون چنین راهبردهای چند مانعی را به عنوان بهترین رویه برای تضمین تأمین آب آشامیدنی سالم تأیید می کنند.

ازن زنی: نقش ازن در بهبود تصفیه آب

ازن زنی شامل تزریق گاز ازن (O3) به آب به عنوان یک عامل گندزدای قوی و اکسیدکننده است. ازن در محل تولید می شود (زیرا برای ذخیره سازی بسیار ناپایدار است) و از طریق تخلیه الکتریکی کرونا یا تابش UV از اکسیژن تولید می گردد. سپس گاز ازن در آب حباب دهی می شود و به سرعت با میکروارگانیسم ها و ترکیبات آلی واکنش می دهد. ازن به عنوان یک اکسیدکننده قوی می تواند با حمله به دیواره سلولی و آسیب زدن به ترکیبات داخلی، باکتری ها، ویروس ها و تک یاخته ها را نابود کند. این اثر سریع بدان معنا است که ازن اغلب گندزدایی را با زمان تماس کوتاه تری نسبت به نیاز کلر انجام می دهد. علاوه بر نابودی میکروب ها، قدرت اکسیداسیون ازن کیفیت کلی آب را بهبود می بخشد؛ ترکیبات ایجاد کننده رنگ را تجزیه می کند، بوهای ناخوشایند (مانند بوهای ناشی از متابولیت های جلبکی) را از بین می برد و آهن و منگنز را که در ایجاد طعم و لکه موثرند اکسید می کند. ازن زنی حتی می تواند مراحل دیگر تصفیه را نیز بهبود بخشد؛ به طوری که مولکول های پیچیده آلی را به مولکول های کوچک تری تبدیل می کند که به سادگی توسط فیلترها حذف می شوند. ازن بیش از یک قرن است که در تصفیه آب آشامیدنی به کار می رود و امروزه در بسیاری از تصفیه خانه های مدرن به دلیل مزایای دوگانه آن در گندزدایی و بهبود کیفیت آب استفاده می شود. با ادغام فرایند ازن زنی در سامانه تصفیه آب، بهره برداران می توانند کارایی گندزدایی را ارتقا دهند و همزمان کیفیت ظاهری آب را بهبود بخشند.

مزایای گندزدایی با ازن در تصفیه آب

استفاده از ازن به عنوان یک فناوری مکمل گندزدایی چندین مزیت قابل توجه دارد. نخست اینکه ازن در برابر طیف گسترده ای از میکروب های بیماری زا بسیار موثر است، از جمله در برابر ارگانیسم های مقاوم به کلر مانند کیست های ژیاردیا و اووسیست های کریپتوسپوریدیوم. قدرت اکسیدکنندگی بالای ازن باعث نرخ های بالای غیرفعال سازی باکتری ها و ویروس ها می شود و اغلب با غلظت و زمان تماس نسبتاً کم به میزان حذف مورد نیاز دست می یابد. دوماً، ازن زنی هیچ ماده شیمیایی پایداری به آب اضافه نمی کند؛ ازن به سرعت به اکسیژن تجزیه می شود و هیچ طعم یا بوی باقی مانده ای بر جا نمی گذارد. در واقع ازن با اکسید کردن مواد مولد بو طعم و بوی آب نهایی را در مقایسه با کلرزنی بهبود می بخشد. مزیت کلیدی دیگر، کاهش محصولات جانبی مضر کلردار است از آنجا که ازن به جای کلر یا پیش از آن در گندزدایی اولیه عمل می کند، تشکیل تری هالومتان ها، اسیدهای هالو استیک و دیگر محصولات جانبی مرتبط با کلر را محدود می سازد. ازن همچنین بسیاری از ترکیبات پیش ساز آلی را اکسید می کند که این امر می تواند هنگام افزودن بعدی کلر تشکیل محصولات جانبی را باز هم کاهش دهد. علاوه بر این، ازن می تواند برخی آلاینده های نوظهور و ریز آلاینده ها (مانند بعضی آفت کش ها یا داروها) را تجزیه کند که کلر به تنهایی ممکن است قادر به حذف مؤثر آن ها نباشد. این مزایا ازن زنی را به ابزاری قدرتمند برای شرکت های آب تبدیل می کند که هدف آن ها ارائه آب آشامیدنی ایمن تر و با کیفیت تر است.

پرتودهی فرابنفش: بهره گیری از نور UV برای ایمنی آب

پرتودهی فرابنفش (UV) نیز به یکی دیگر از سنگ بناهای مدرن گندزدایی آب آشامیدنی تبدیل شده است. سامانه های UV با تاباندن نور فرابنفش به آب در حال جریان کار می کنند؛ معمولاً از طول موج UV-C معادل 254 نانومتر استفاده می شود که خاصیت میکروب کشی بالایی دارد. میکروارگانیسم هایی که از راکتور UV عبور می کنند در معرض نور پرانرژی قرار می گیرند که DNA و RNA آن ها را آسیب می زند. این آسیب مانع تکثیر و بیماری زایی باکتری ها، ویروس ها و انگل ها می شود و عملاً آن ها را غیرفعال می کند. گندزدایی با UV یک فرایند فیزیکی است هیچ ماده شیمیایی به آب اضافه نمی کند. بیشتر سامانه های UV شهری از محفظه ها یا راکتورهایی تشکیل شده اند که دارای لامپ های بخار جیوه یا LED های UV هستند و هنگام عبور آب نور UV-C ساطع می کنند. این فرایند تقریباً آنی است، زیرا میکروارگانیسم ها در عرض چند ثانیه پس از دریافت دوز کافی UV غیرفعال می شوند. پرتودهی فرابنفش به طور ویژه به دلیل اثربخشی آن در برابر پاتوژن های مقاوم به کلر ارزشمند است؛ برای مثال، کیست های کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا که کلر به سختی آن ها را از بین می برد، به راحتی توسط نور UV غیرفعال می شوند. استفاده از UV در تصفیه آب یک مرحله گندزدایی نیرومند فراهم می کند که با هدف قرار دادن ارگانیسم هایی که ممکن است توسط کلر زنده بمانند، مکمل کلرزنی می شود بی آنکه ترکیب شیمیایی آب را تغییر دهد.

مزایای گندزدایی با UV برای آب آشامیدنی

استفاده از پرتودهی فرابنفش در تصفیه آب مزایای متعددی دارد که آن را به یک فناوری مکمل جذاب تبدیل می کند. یکی از مهم ترین مزیت ها توانایی UV در غیرفعال سازی طیف وسیعی از پاتوژن ها بدون افزودن هیچ ماده شیمیایی است. UV می تواند به شکلی موثر باکتری ها، ویروس ها و انگل های تک یاخته ای را از کار بیندازد از جمله تک یاخته هایی مانند کریپتوسپوریدیوم که روش کلرزنی استاندارد به سختی قادر به کشتن آن ها است. این امر هنگام افزودن UV به فرایند تصفیه، سطح بالاتری از ایمنی میکروبی را تضمین می کند. مزیت دیگر این است که گندزدایی UV هیچ محصول جانبی گندزدایی تولید نمی کند؛ چون ماده شیمیایی به آب اضافه نمی شود، واکنشی هم که ترکیبات جدیدی در آب ایجاد کند رخ نمی دهد. به این ترتیب UV هیچ یک از محصولات جانبی تحت مقررات (مرتبط با کلرزنی) را تولید نمی کند و تغییری در طعم، بو یا کیفیت شیمیایی آب ایجاد نمی کند. این فرایند همچنین بسیار سریع است؛ آبی که از محفظه UV عبور می کند در عرض چند ثانیه گندزدایی می شود و این امکان جریان های با دبی بالا را فراهم می سازد. سامانه های UV نسبتا جمع و جور هستند و می توان آن ها را بدون نیاز به حوضچه های تماس بزرگ به تصفیه خانه های موجود اضافه کرد (برخلاف کلر یا ازن که به زمان تماس نیاز دارند). این سامانه ها همچنین ایمن و سازگار با محیط زیست به شمار می روند اپراتورها مجبور به کار با مواد شیمیایی خطرناک نیستند و خطر دوز بیش از حد مواد گندزدا وجود ندارد. در مجموع UV قابلیت های گندزدایی موثری را ارائه می دهد که با استفاده در کنار کلرزنی سنتی به طور چشمگیری کنترل پاتوژن ها و کیفیت آب را بهبود می بخشند.

استفاده ترکیبی از ازن و کلر برای بهبود گندزدایی

ازن و کلر را می توان به طور راهبردی در کنار هم به کار برد تا به نتایج عالی در گندزدایی دست یافت و همزمان کاستی های یکدیگر را کاهش داد. در بسیاری از تصفیه خانه های بزرگ، ازن زنی به عنوان مرحله گندزدایی اولیه عمل می کند و با قدرت اکسیداسیون بالای خود به شکلی موثر باکتری ها، ویروس ها و تک یاخته ها را از بین می برد. پس از این مرحله ازن زنی، مقدار کمی کلر (یا شکل ماندگارتر آن مانند کلرامین) به عنوان گندزدای ثانویه اضافه می شود. این رویکرد از قابلیت های ازن در غیرفعال سازی سریع و کامل پاتوژن ها بهره می گیرد و سپس از حضور باقی مانده کلر برای حفظ ایمنی آب در شبکه توزیع استفاده می کند. با از بین بردن بخش اعظم میکروب ها توسط ازن، دوز مورد نیاز کلر می تواند بسیار کمتر از حالتی باشد که کلر به تنهایی تمام کار گندزدایی را انجام دهد. کاهش دوز کلر به نوبه خود منجر به تولید کمتر محصولات جانبی کلرزنی می شود و به شرکت آب کمک می کند تا حدود مقرراتی برای ترکیباتی مانند تری هالومتان ها را رعایت کند. افزون بر این اکسیداسیون مواد آلی توسط ازن می تواند پیش سازهایی را حذف کند که در غیر این صورت با کلر واکنش می دادند و در نتیجه تشکیل محصولات جانبی گندزدایی را باز هم کاهش می دهد. بسیاری از سامانه های مدرن آب از این روش چند مانعی استفاده می کنند؛ این روش حداکثر حذف پاتوژن ها را امکان پذیر می سازد (چون ازن حتی در برابر ارگانیسم های مقاوم به کلر هم موثر است) و محافظت پیوسته را فراهم می کند (چون باقی مانده کلر در آب باقی می ماند).

ادغام گندزدایی UV با کلرزنی

گندزدایی UV اغلب همراه با کلر در تصفیه آب آشامیدنی به کار گرفته می شود تا یک دفاع دو مرحله ای قوی در برابر پاتوژن ها ایجاد شود. در این پیکربندی، آب به عنوان گام گندزدایی اولیه از یک واحد پرتودهی UV عبور می کند که اطمینان حاصل می کند میکروارگانیسم های بسیار مقاومی مانند کریپتوسپوریدیوم غیرفعال شده اند. پس از راکتور UV، یک دوز معین کلر به آب تزریق می شود تا باقی مانده ای ایجاد شود که از هرگونه آلودگی بعدی در لوله های توزیع جلوگیری کند. این راهبرد ترکیبی UV-کلر به طور گسترده ای پذیرفته شده است، زیرا این دو روش به طور طبیعی مکمل یکدیگر هستند. UV مسئول غیرفعال سازی فوری میکروب ها بدون افزودن مواد شیمیایی است و سپس کلر گندزدایی مداوم را در سیستم حفظ می کند. یکی از مزایای افزودن UV این است که می توان دوز کلر را کاهش داد و با این حال ایمنی کلی آب حفظ شود؛ با توجه به اینکه UV از پس پاتوژن های مقاوم بر می آید، کلر عمدتا به عنوان یک سد نگهدارنده عمل می کند. این امر می تواند به تولید محصولات جانبی کمتر از کلرزنی و طعم و بوی شیمیایی کمتر ناشی از کلر در آب نهایی منجر شود. اما مانند ازن، حضور باقی مانده کلر همچنان حیاتی است چرا که UV پس از خروج آب از تصفیه خانه هیچ اثر پایداری ندارد.

بهبود کیفیت آب: کنترل طعم، بو و محصولات جانبی

علاوه بر تقویت کنترل پاتوژن ها, ترکیب ازن یا UV با کلرزنی می تواند کیفیت کلی آب را برای مصرف کنندگان به طور چشمگیری بهبود بخشد به ویژه از نظر طعم، بو و محصولات جانبی شیمیایی. کلر به تنهایی اغلب یک طعم و بوی شیمیایی متمایل به استخر شنا بر جا می گذارد که بسیاری آن را ناخوشایند می دانند. در مقابل ازن زنی با اکسید کردن مواد ایجاد کننده بو, بیشتر این مشکلات طعم و بو را برطرف می کند. با رفع این عوامل بو توسط ازن و کاهش دوز های کلر آب نهایی معمولاً طعم بسیار تازه تر و خنثی تری پیدا می کند. به طور مشابه، گندزدایی UV هیچ ماده شیمیایی به آب وارد نمی کند و بنابراین بر طعم و بوی طبیعی آب اثری ندارد؛ استفاده از UV همراه با تنها یک باقی مانده کم کلر به شرکت های آب امکان می دهد از مزه تند کلری اجتناب کنند و در عین حال ایمنی آب را حفظ کنند. مزیت مهم دیگر در کیفیت آب، کنترل محصولات جانبی گندزدایی است. نه ازن و نه UV محصولات جانبی کلردار تحت مقررات (ناشی از کلرزنی سنتی) تولید نمی کنند و اکسیداسیون مواد آلی توسط ازن بسیاری از پیش سازهایی را از بین می برد که در غیر این صورت هنگام افزودن کلر باعث تشکیل محصولات جانبی می شدند. در نتیجه, سطوح به مراتب کمتری از تری هالومتان ها, اسیدهای هالو استیک و سایر محصولات جانبی در زمانی که این فناوری ها بخشی از فرایند هستند مشاهده می شود. در مجموع ترکیب ازن یا UV با کلرزنی معمولی نه تنها آب را از نظر میکروبی ایمن تر می سازد بلکه محصولی با کیفیت تر از نظر طعم، بو و ایمنی شیمیایی فراهم می کند.

مقایسه کلرزنی، ازن زنی و پرتودهی UV

مقایسه ویژگی های کلیدی کلرزنی، ازن زنی و پرتودهی UV مفید است تا دریابیم هر روش چگونه به اهداف تصفیه آب کمک می کند. جدول زیر این فناوری های گندزدایی را از نظر چند عامل مهم در کنار هم قرار داده و نقش ها و تفاوت های آن ها را نشان می دهد. این مقایسه نشان می دهد که چرا تصفیه خانه های مدرن اغلب از ترکیب چندین روش استفاده می کنند تا از مزایای هر یک بهره گیرند و کاستی های هر کدام را جبران کنند.