تاثیر ماهیت پساب های صنعتی بر ماهیت کلر زنی

مقدمه

فاضلاب صنعتی شامل طیف متنوعی از آلاینده ها و شرایط می باشند که می توانند به شکل چشمگیری نحوه کارکرد فرآیند کلرزنی را تحت تاثیر قرار دهند. کلرزنی به طور معمول برای ضدعفونی آب و نابودی باکتری ها و سایر عوامل بیماری زا استفاده می شود، اما اثربخشی آن و واکنش های شیمیایی ای که در طی آن رخ می دهند به شدت وابسته به ترکیب آب است. فاضلاب های صنعتی اغلب دارای سطوح بالاتری از مواد آلی، مواد شیمیایی و شرایط pH بسیار اسیدی یا قلیایی در مقایسه با فاضلاب شهری هستند؛ بنابراین کلر در این محیط ها رفتار متفاوتی از خود نشان می دهد. ماهیت کلرزنی از جمله میزان اثربخشی آن در گند زدایی، مقدار کلر مورد نیاز و این که چه محصولات جانبی ای تشکیل می شوند مستقیماً تحت تاثیر عواملی مانند بار آلی، pH، حضور آمونیاک و ترکیبات معدنی گوناگون قرار دارد. درک تاثیر این عوامل برای بهینه سازی فرآیندهای تصفیه ضروری است، زیرا تضمین می کند که عوامل بیماری زا به طور موثر از بین بروند، در حالی که تشکیل محصولات جانبی مضر گند زدایی به حداقل رسیده و از محیط زیست محافظت می شود.

کلرزنی در تصفیه فاضلاب صنعتی: نمای کلی

کلر یک ضد عفونی کننده قوی است که چندین دهه در تصفیه آب استفاده شده و همچنان به عنوان یکی از ارکان اصلی تصفیه فاضلاب صنعتی به دلیل کارایی گسترده و هزینه نسبتاً کم آن باقی مانده است. در تصفیه فاضلاب صنعتی، کلرزنی معمولاً به عنوان مرحله نهایی گند زدایی برای از بین بردن باکتری های بیماری زا و ویروس ها پیش از تخلیه پساب یا استفاده مجدد آن به کار گرفته می شود. در تصفیه فاضلاب صنعتی خرید کلر نیرو کلر اصفهان 65 درصد معمولاً برای انجام مرحله نهایی گند زدایی به کار می‌ رود تا باکتری‌ های بیماری‌ زا و ویروس‌ ها پیش از تخلیه پساب یا استفاده مجدد آن از بین بروند. خاصیت اکسیدکنندگی قوی کلر نیز به آن امکان می دهد برخی آلاینده های آلی را تجزیه یا خنثی کرده و بوهای نامطبوع را از بین ببرد که این یک مزیت اضافی در تصفیه پساب صنعتی محسوب می شود. با این حال، اعمال کلرزنی بر فاضلاب صنعتی به آن سادگی که به نظر می رسد نیست. فاضلاب صنعتی اغلب حاوی غلظت های بالایی از موادی است که به سرعت با کلر واکنش می دهند و آن را در واکنش های جانبی مصرف کرده و میزان کلر در دسترس برای غیرفعال کردن پاتوژن ها را کاهش می دهند. این امر بدان معناست که اپراتورها معمولاً باید دوز بالاتری از کلر را اعمال کنند تا این نیاز برآورده شده و باقی مانده کافی برای گند زدایی موثر فراهم شود. از تکنیک هایی مانند کلرزنی در نقطه شکست استفاده می شود تا اطمینان حاصل گردد تمام ترکیبات واکنش پذیر (مانند آمونیاک و سایر عوامل کاهنده) مصرف شده اند و در نتیجه کلر آزاد می تواند پایدار بماند. اگرچه کلرزنی بسیار موثر است، درک ویژگی های خاص هر جریان فاضلاب صنعتی برای تنظیم دوز و زمان تماس حیاتی است تا ضمن حداکثرسازی حذف میکروب ها، تشکیل محصولات جانبی شیمیایی مضر نیز به حداقل برسد.

ویژگی های فاضلاب صنعتی مرتبط با کلرزنی

کیفیت فاضلاب صنعتی می تواند بسته به صنعت بسیار متفاوت باشد، اما چندین ویژگی معمولاً آن را از فاضلاب شهری متمایز می کند. بسیاری از پساب های صنعتی دارای مقادیر بسیار بالایی از مواد آلی محلول و معلق هستند که در شاخص هایی مانند نیاز اکسیژن شیمیایی یا COD منعکس است و این امر تقاضای کلر قابل توجهی ایجاد می کند. همچنین ممکن است حاوی مواد شیمیایی مصنوعی خاصی مانند حلال ها، رنگ ها، فنل ها یا آفت کش ها باشند که همه آنها می توانند با کلر واکنش داده و محصولات جانبی گوناگونی ایجاد کنند. یکی دیگر از ویژگی های رایج، مقادیر pH بسیار بالا یا پایین است؛ برخی جریان های صنعتی بسیار اسیدی یا قلیایی هستند که این مسئله گونه های کلر و کارایی آن در گند زدایی را به طور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر قرار می دهد. فاضلاب های صنعتی اغلب حاوی غلظت قابل توجهی از مواد معدنی نیز هستند، از جمله فلزات سنگین (مانند آهن، منگنز یا کروم)، سیانید، سولفید و مقادیر بالای ترکیبات نیتروژنی (مثل آمونیاک). این مؤلفه ها می توانند به سرعت کلر را مصرف کرده یا شیمی واکنش های کلرزنی را تغییر دهند. فاضلاب صنعتی همچنین نسبت به فاضلاب شهری ترکیب یکنواختی ندارد، به این معنی که خصوصیات آن می تواند نوسان کنند. هر یک از این ویژگی ها از بار آلی و آلاینده های شیمیایی گرفته تا pH و ترکیبات معدنی هنگام اعمال کلرزنی باید در نظر گرفته شوند، زیرا مستقیماً بر نحوه رفتار کلر در فرآیند تصفیه و نوع محصولات جانبی احتمالی تأثیر می گذارند. برای مثال صنایع مختلف فاضلاب هایی با ویژگی های متفاوت تولید می کنند که بر فرآیند کلرزنی تاثیر می گذارند. خلاصه ای از این موارد در جدول زیر آمده است:

بار آلی بالا و افزایش نیاز به کلر

یکی از حیاتی ترین عوامل در فرآیند کلرزنی، بار آلی موجود در آب است. فاضلاب های صنعتی اغلب دارای غلظت بسیار بالایی از ترکیبات آلی هستند مانند روغن ها، گریس ها، حلال ها یا مواد آلی طبیعی که تقاضای کلر قابل توجهی ایجاد می کنند. کلر به سرعت با مولکول های آلی در قالب مجموعه ای از واکنش های اکسیداسیون و جانشینی واکنش می دهد. در نتیجه، بخش قابل توجهی از دوز کلر توسط این واکنش ها مصرف می شود و دیگر برای از بین بردن میکروارگانیسم ها در دسترس نخواهد بود. زمانی که محتوای آلی مشخص شده با شاخص هایی مثل COD یا BOD بالا باشد، اپراتورهای تصفیه ناچارند کلر بسیار بیشتری اضافه کنند تا باقی مانده ضد عفونی کننده مطلوب حاصل شود. اگر دوز کلر کافی نباشد، ماده آلی می تواند تمام کلر را مصرف کرده و هیچ کلر آزادی برای گند زدایی باقی نگذارد. بار آلی بالا نه تنها مقدار کلر مورد نیاز را افزایش می دهد، بلکه تشکیل محصولات جانبی آلی کلردار را نیز تقویت می کند. ترکیباتی مانند تری هالومتان ها THMها، اسیدهای هالو استیک HAAها و کلروفنل ها احتمال بیشتری برای تشکیل شدن دارند زمانی که پیش سازهای آلی طبیعی یا مصنوعی به وفور حضور داشته باشند. بنابراین کنترل آلودگی آلی از طریق پیش تصفیه یا بهینه سازی دوز برای تضمین کلرزنی موثر و محدود کردن تولید محصولات جانبی مضر ضروری است.

تاثیر pH بر اثربخشی کلرزنی

pH فاضلاب تأثیر عمده ای بر عملکرد فرآیند کلرزنی دارد. کلر در آب عمدتاً به صورت هیپوکلروس اسید (HOCl) یا یون هیپوکلریت (OCl⁻) وجود دارد و تعادل بین این دو گونه توسط pH کنترل می شود. در pH های پایین تر (شرایط اسیدی)، بخش بیشتری از کلر به شکل HOCl باقی می مانند که این شکل یک گند زدای و اکسیدکننده بسیار قوی تر است. در واقع HOCl می تواند ده ها برابر موثرتر از OCl⁻ در نابودی میکروب ها باشد. در مقابل در pH های بالاتر شرایط قلیایی، مثلاً pH 8 و بالاتر، شکل کم واکنش پذیرتر یعنی OCl⁻ غالب است که سرعت گند زدایی را کاهش داده و نیاز به زمان تماس طولانی تر یا دوزهای بیشتر کلر دارد. pH های بسیار بالا یا پایین که اغلب در جریان های فاضلاب صنعتی دیده می شوند می توانند کارایی کلرزنی را مختل کنند. اگر فاضلابی بسیار قلیایی باشد، ممکن است اپراتورها نیاز داشته باشند آن را به pH نزدیک تر به خنثی تنظیم کنند تا اثربخشی کلر بهبود یابد. به طور مشابه pH بسیار پایین می تواند باعث تجزیه سریع تر کلر یا افزایش خورندگی شود. pH همچنین بر نوع محصولات جانبی گند زدایی تشکیل شده تاثیر می گذارد: به طور کلی pH پایین تر تمایل دارد واکنش های کلر با مواد آلی را تسریع کند و در نتیجه احتمالا تشکیل محصولات جانبی را افزایش می دهد. بنابراین کنترل pH یک گام کلیدی در بهینه سازی کلرزنی فاضلاب صنعتی است.

آمونیاک در فاضلاب و تشکیل کلرامین ها

آمونیاک و سایر ترکیبات نیتروژن دار که معمولاً در فاضلاب های صنعتی یافت می شوند تأثیر عمده ای بر فرآیند کلرزنی دارند. کلر به سرعت با آمونیاک واکنش داده و به تشکیل کلرامین ها (کلر ترکیب شده) منجر می شود. زمانی که به آبی حاوی آمونیاک کلر اضافه می شود، ابتدا به جای کلر آزاد منوکلرامین و سایر گونه های کلرامین تشکیل می گردد. کلرامین ها نیز گند زدای هستند، اما به مراتب ضعیف تر بوده و نسبت به کلر آزاد کندتر عمل می کنند. به همین دلیل حضور آمونیاک می تواند قدرت گند زدایی آنی کلرزنی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. بخش قابل توجهی از دوز کلر برای تبدیل آمونیاک به کلرامین ها و در نهایت به گاز نیتروژن مصرف خواهد شد که این فرآیند به عنوان کلرزنی در نقطه شکست شناخته می شود. تا زمانی که تمام آمونیاک اکسید نشده است (نقطه شکست)، ممکن است هیچ کلر آزادی یا فقط مقدار ناچیزی باقی بماند. اپراتورها غالباً ناچارند دوز بسیار بالاتری از کلر (حدود ۸ تا ۱۰ برابر غلظت آمونیاک) اضافه کنند تا حذف کامل آمونیاک محقق شود. مدیریت آمونیاک نه تنها برای گند زدایی بلکه به این دلیل مهم است که تشکیل کلرامین ها می تواند به ایجاد محصولات جانبی مانند NDMA (نیتروزودی متیل آمین) منجر شود. بنابراین، بسیاری از سیستم های تصفیه تلاش می کنند آمونیاک را (برای مثال از طریق تصفیه زیستی) قبل از کلرزنی نهایی حذف یا تبدیل کنند تا اثربخشی فرآیند بهبود یابد.

کدورت، جامدات و اثربخشی کلر

مواد جامد معلق و کدورت در فاضلاب صنعتی می توانند تا حد زیادی از اثربخشی فرآیند کلرزنی بکاهند. کدورت به کدری آب ناشی از ذرات ریز معلق (مانند سیلت، ذرات آلی یا کلوئیدها) گفته می شود و صرفاً یک مسئله ظاهری نیست بلکه مستقیماً بر گند زدایی تاثیر می گذارد. زمانی که آب حاوی مقدار زیادی ذرات معلق است، کلر با مواد روی یا داخل آن ذرات واکنش داده و بخشی از کلر را پیش از رسیدن به میکروارگانیسم ها مصرف می کند. ذرات همچنین می توانند به طور فیزیکی از باکتری ها یا دیگر عوامل بیماری زا حفاظت کنند و ریز محیطی ایجاد نمایند که کلر به آسانی در آن نفوذ نکند. این بدان معناست که فاضلاب های با کدورت بالا اغلب به دوزهای بیشتر کلر یا زمان تماس طولانی تری نیاز دارند تا همان سطح حذف میکروبی آب زلال را فراهم کنند. در محیط های صنعتی پساب فرآیندهایی مانند معدن کاری، تولید مواد غذایی یا کاغذ سازی ممکن است حاوی مقادیر قابل توجهی جامدات باشد که در کلرزنی اختلال ایجاد می کنند. برای رفع این مشکل، مراحل پیش تصفیه مثل ته نشینی، فیلتراسیون یا انعقاد معمولاً به کار گرفته می شوند تا قبل از کلرزنی کدورت کاهش یابد. با کاهش جامدات معلق، کلر می تواند به طور یکنواخت تری توزیع شده و در محل لازم واکنش نشان دهد و اطمینان حاصل شود که گند زدایی با قابلیت اطمینان بیشتری انجام می گیرد.

ترکیبات معدنی مصرف کننده کلر (فلزات و سولفیدها)

برخی ترکیبات معدنی در فاضلاب صنعتی می توانند کلر را مصرف کرده و میزان کلر در دسترس برای گند زدایی را کاهش دهند. بسیاری از فلزات و آنیون های موجود در پساب مستعد اکسید شدن توسط کلر هستند. برای مثال، آهن فرو (Fe²⁺) و منگنز(II) به سادگی توسط کلر اکسید می شوند به آهن فریک Fe³⁺ و اکسید منگنز جامد MnO₂ که رسوبات جامدی تشکیل می دهند اما در این فرآیند کلر را نیز مصرف می کنند. جریان های صنعتی حاوی سولفید (از فرآیندهای بی هوازی یا صنایع شیمیایی خاص) باعث می شوند کلر بلافاصله با سولفید واکنش داده و آن را به سولفات یا گوگرد عنصری اکسید کند که بوهای نامطبوع را از بین می برد اما مقدار قابل توجهی کلر مصرف می کند. نمونه دیگر نیتریت (NO₂⁻) است که ممکن است گاهی در فاضلاب وجود داشته باشد؛ کلر آن را به نیترات اکسید می کند و در این فرآیند کلر مصرف می شود. سیانید موجود در پساب آبکاری یا فرآوری سنگ معدن نیز توسط کلر به سیانات کم‌خطرتر و سپس نیتروژن تبدیل می شود، اما این واکنش باید به دقت کنترل گردد تا از تشکیل کلرید سیانوژن جلوگیری شود. در همه این موارد ترکیبات معدنی یک تقاضای کلر ایجاد می کند. سیستم های تصفیه باید با افزایش دوز کلر یا حذف/خنثی سازی این ترکیبات پیش از کلرزنی این مسئله را جبران کنند و اطمینان یابند که کلر کافی برای گند زدایی باقی می ماند.

دما و سرعت واکنش های کلرزنی

دما نیز از دیگر عواملی است که بر فرآیند کلرزنی در تصفیه فاضلاب صنعتی تاثیر می گذارد. به طور کلی، واکنش های شیمیایی در دماهای بالاتر سریع تر رخ می دهند و این امر در مورد گند زدایی با کلر نیز صدق می کند. وقتی پساب گرم باشد (برای مثال خروجی برخی فرآیندهای صنعتی که دمای آن از دمای محیط به طور محسوسی بالاتر است)، کلر سریع تر واکنش نشان می دهد و نابودی میکروب ها تسریع می گردد. دمای بالاتر همچنین تشکیل محصولات جانبی گند زدایی را سرعت می بخشد، زیرا کلر با مواد آلی سریع تر واکنش می کند. در مقابل، فاضلاب سرد (مثلاً در شرایط زمستان یا در صنایع دارای فرآیندهای سرد) اثر میکروب کشی کلر را کند می کند. پاتوژن ها در دمای پایین مدت بیشتری زنده می مانند، یعنی برای رسیدن به همان سطح گند زدایی نیاز به زمان تماس طولانی تر یا دوز بالاتر کلر است. دماهای فوق العاده بالا نیز چالش های عملی به همراه دارند؛ آب بسیار داغ می تواند موجب فرار کلر (به ویژه اگر کلر به شکل گاز اضافه شود) شود و غلظت موثر آن را کاهش دهد. بنابراین بسیاری از سیستم ها با توجه به تغییرات فصلی دوز کلر و زمان تماس را تنظیم می کنند تا کارایی گند زدایی در دماهای مختلف ثابت بماند.

تشکیل محصولات جانبی مضر گند زدایی (DBPs)

یکی از پیامدهای منفی کلرزنی ایجاد محصولات جانبی گند زدایی (DBPs) است و فاضلاب صنعتی پیش سازهای فراوانی برای این ترکیبات ناخواسته فراهم می کند. زمانی که کلر با مواد آلی (و برخی یون های معدنی مانند برمید) واکنش می کند، طیف وسیعی از ترکیبات آلی هالوژنه تولید می شود. از DBPهای مهم می توان به تری هالومتان ها (مانند کلروفورم)، انواع اسیدهای هالو استیک، کلروفنل ها و سایر ترکیبات آلی هالوژنه اشاره کرد. بسیاری از این مواد سمی هستند؛ برای مثال، برخی THMها و HAAها سرطان زا شناخته شده اند. غلظت بالای آلاینده های آلی در پساب صنعتی به معنای پتانسیل بالاتر برای تشکیل DBPها نسبت به شرایط آب آشامیدنی است. اگر پساب حاوی برمید باشد (مثلاً در اثر اختلاط با آب دریا یا برخی فرآیندهای شیمیایی)، کلرزنی منجر به ظهور DBPهای برم دار می شود که اغلب از انواع صرفاً کلردار سمی ترند. به طور مشابه اگر ترکیبات آلی نیتروژن دار در آب حضور داشته باشند، کلرزنی می تواند DBPهای نیتروژن دار ایجاد کند. نمونه آن NDMA (نیتروزودی متیل آمین) است که یک ماده بسیار سرطان زا بوده و به ویژه در حضور کلرامین ها تشکیل می شود. تشکیل این محصولات جانبی یک نگرانی اساسی محسوب می شود، زیرا می توانند سلامت انسان و اکوسیستم های آبی را به خطر بیندازند. بنابراین، به حداقل رساندن تولید DBPها یک هدف مهم است که با حذف پیش سازها (مانند مواد آلی بیش از حد یا آمونیاک) قبل از کلرزنی، استفاده از گند زدای های جایگزین یا کنترل دوز و زمان تماس کلر محقق می شود.

زمان تماس کلر و چالش های غیرفعال سازی میکروب ها

حتی با انتخاب دوز مناسب کلر، زمان تماس کافی برای غیرفعال سازی میکروبی حیاتی است، به خصوص در فاضلاب صنعتی با کیفیت متغیر. مفهوم CT (حاصل ضرب غلظت ضدعفونی کننده در زمان تماس) معمولاً برای ارزیابی اثربخشی گند زدایی استفاده می شود. وقتی کیفیت آب نامطلوب باشد (مثلاً بار آلی یا آمونیاک زیاد)، ممکن است غلظت کلر آزاد کمتر از حد انتظار باشد و زمان بیشتری برای از بین بردن میکروب ها لازم باشد. اگر کلر به سرعت مصرف شود یا در قالب کلرامین درآید، پاتوژن ها ممکن است زنده بمانند مگر این که مدت طولانی تری در معرض باقی مانده کلر قرار بگیرند. سیستم های تصفیه صنعتی معمولاً با استفاده از مخازن تماس بزرگ تر یا افزایش زمان تماس کلر، این خلا را جبران می کنند تا به اهداف گند زدایی دست یابند. در برخی موارد، مراحل گند زدایی مکمل مانند UV یا ازن نیز در ادامه فرآیند افزوده می شوند تا میکروب های مقاوم نیز از بین بروند، زیرا برخی پاتوژن ها (مثل کیست های انگلی) نسبت به کلر مقاومت بیشتری دارند. چالش کار این است که اطمینان حاصل شود فرآیند کلرزنی تحت همه شرایط استانداردهای حذف پاتوژن را برآورده می کند. این امر اغلب به معنای متعادل سازی دوز کلر و زمان تماس است، حتی زمانی که ویژگی های فاضلاب برای گند زدایی سریع ایده آل نیست.

دستیابی به کلرزنی نقطه شکست در فاضلاب های صنعتی

کلرزنی در نقطه شکست به معنای افزودن مقدار کافی کلر است به طوری که تمام نیاز فوری کلر (به ویژه ناشی از آمونیاک و سایر مواد کاهنده) برطرف شود و افزودن کلر بیشتر موجب باقی ماندن یک کلر آزاد شود. در عمل، ابتدا کلر اضافه شده توسط واکنش ها (تشکیل کلرامین و اکسیداسیون ترکیبات) مصرف می شود و کلر آزاد بسیار کمی مشاهده می گردد تا زمانی که نقطه شکست فرا برسد و کلر آزاد پدیدار شود. در پساب های صنعتی که حاوی سطوح بالای آمونیاک یا سایر ناخالصی های واکنش پذیر هستند، دستیابی به نقطه شکست ممکن است به دوز بسیار بالاتری از کلر نسبت به آب معمولی نیاز داشته باشد. برای مثال حدود ۸ تا ۱۰ واحد کلر به ازای هر واحد نیتروژن آمونیاکی لازم است تا آمونیاک کاملاً اکسید شود. اپراتورها کلر کل و آزاد را طی فرآیند به دقت پایش می کنند؛ نبود کلر آزاد نشان می دهد که کلر افزوده هنوز در حال مصرف شدن است و نقطه شکست حاصل نشده است. رسیدن به کلرزنی نقطه شکست تضمین می کند که موثرترین شکل کلر (کلر آزاد) برای گند زدایی حاضر است. البته این فرآیند باید با دقت مدیریت شود، افزودن بیش از اندازه کلر پس از نقطه شکست اتلاف محسوب شده و می تواند محصولات جانبی بیشتری ایجاد کند، بنابراین هدف آن است که تنها به قدر کافی کلر تزریق شود تا نقطه شکست حاصل شده و یک باقی مانده جزئی کلر آزاد حفظ گردد.