تداخلات شیمیایی و عوارض جانبی کلر در تصفیه آب و فاضلاب

مقدمه

کلر یکی از پرکاربردترین ماده گندزدا در تصفیه آب و فاضلاب است. بیش از یک قرن است که کلرزنی با از بین بردن باکتری ها، ویروس ها و دیگر میکروارگانیسم های بیماری زا از سلامت عمومی محافظت می کند. این گندزدا در پیشگیری از بیماری های منتقله از آب نقش اساسی داشته است. با این حال استفاده از کلر فقط به نابودی پاتوژن ها محدود نمی شود و پیامدهای شیمیایی دیگری نیز دارد. از تشکیل محصولات جانبی ناخواسته در آب تصفیه شده تا اثر بر زیرساخت ها و محیط زیست، همه باید شناخته و مدیریت شوند. این مقاله مروری جامع بر رفتار شیمیایی کلر، واکنش های آن با اجزای آب، و عوارض جانبی احتمالی در تصفیه آب آشامیدنی و فاضلاب ارائه می دهد تا تصویر کلی و کاربردی برای تصمیم گیری فنی فراهم شود.

کلر به عنوان گندزدا در تصفیه آب و فاضلاب

کلر به دلیل اثربخشی، در دسترس بودن و هزینه مناسب، سنگ بنای ضدعفونی در بسیاری از سامانه های آب و فاضلاب است. کلر به شکل گاز کلر یا محلول هیپوکلریت سدیم به کار می رود و با نفوذ به دیواره های سلولی و بر هم زدن فرآیند های حیاتی میکروب ها، آن ها را غیرفعال می کند. در آب آشامیدنی، معمول است که در پایان زنجیره ی تصفیه، کلر تزریق شود تا یک باقیمانده ی حفاظتی در شبکه ی توزیع باقی بماند. در همین زمینه بسیاری از مصرف‌ کنندگان صنعتی و خانگی با هدف دسترسی آسان‌ تر به ماده ضدعفونی‌ کننده به سراغ خرید قرص کلر می‌ روند، چرا که استفاده از این شکل جامد مدیریت و حمل‌ و نقل را ساده‌ تر می‌ سازد. در فاضلاب، کلر در حوضچه های گندزدایی به کار می رود تا قبل از تخلیه ی پساب به محیط، بار میکروبی کاهش یابد. با وجود مزایا، محدودیت هایی نیز وجود دارد؛ برخی کیست های مقاوم مانند کریپتوسپوریدیوم در دوز های معمول کلر پایدار می مانند و نیاز به مدیریت دقیق دوز و زمان تماس دارند. تنظیم بهینه ی دوز، علاوه بر اطمینان از نابودی عوامل بیماری زا، از تولید بیش از حد محصولات جانبی شیمیایی جلوگیری می کند.

گونه های شیمیایی کلر در آب: اسید هیپوکلروس و هیپوکلریت

با ورود کلر به آب، تعادل بین اسید هیپوکلروس و یون هیپوکلریت شکل می گیرد که به آن ها کلر آزاد گفته می شود. نسبت این دو گونه به شدت به pH وابسته است. در pH حدود ۶ تا ۷، اسید هیپوکلروس غالب است و اثر گندزدایی بیشتری دارد، در حالی که در pH بالاتر از ۸، یون هیپوکلریت سهم بیشتری پیدا می کند و کارایی کمتری نشان می دهد. بنابراین پایش و کنترل pH برای دستیابی به کارایی حداکثری ضروری است. کلر آزاد علاوه بر کشتن میکروب ها، یک اکسید کننده ی قوی نیز هست و می تواند با فلزات محلول مانند آهن و منگنز یا ترکیبات آلی واکنش دهد. برخی از این واکنش ها مفیدند، مانند اکسیداسیون آهن برای حذف آن در فیلتراسیون، اما همین مسیر ها آغازگر تشکیل محصولات ناخواسته هم می شوند که باید در طراحی و بهره برداری مد نظر قرار گیرد.

واکنش با مواد آلی طبیعی: آغاز شکل گیری محصولات جانبی

مواد آلی طبیعی شامل اسید های هیومیک و فولویک در بسیاری از منابع آب حضور دارند و در تماس با کلر وارد واکنش می شوند. یکی از عوارض اصلی استفاده از کلر، تشکیل محصولات جانبی گندزدایی می باشند که هنگام ترکیب کلر با این پیش ساز های آلی ایجاد می شوند. این فرآورده ها در آب خام وجود ندارند و به صورت ناخواسته در حین ضدعفونی شکل می گیرند. افزایش دوز کلر، زمان تماس طولانی تر، دمای بالاتر و غلظت بیشتر کربن آلی محلول، همگی به افزایش تشکیل این محصولات می انجامد. برای مدیریت آن، راهبرد های کاهش پیش ساز مانند انعقاد پیشرفته، کربن فعال و حذف جلبک ها قبل از کلرزنی به کار می رود. هدف ایجاد تعادل بین ایمنی میکروبی و حداقل سازی ترکیبات جانبی است تا سلامت مصرف کننده و پذیرندگی حسی آب تامین شود.

تری هالومتان ها: مسیر تشکیل و پیامد های بهداشتی

تری هالومتان ها زمانی شکل می گیرند که کلر با ماده آلی طبیعی واکنش دهد و در حضور یا نبود برمید، چهار ترکیب شاخص مانند کلروفرم و برموفرم تولید شوند. این ترکیبات در شبکه ی توزیع می توانند تجمع یابند، به ویژه وقتی کربن آلی محلول بالا است یا آب زمان ماند طولانی دارد. نگرانی اصلی، اثرات درازمدت بر سلامت است؛ برای نمونه، ارتباط با افزایش خطر سرطان مثانه گزارش شده است. مدیریت سامانه ها شامل کاهش پیش ساز، بهینه سازی نقطه و زمان تزریق کلر، استفاده از کلرامین برای باقی مانده، و شست و شوی شبکه برای کاهش سن آب است. پایش منظم و گزارش گیری دوره ای برای اطمینان از پایداری کیفیت ضروری می باشد و در کنار آموزش بهره برداران، ریسک مصرف کننده را پایین می آورد.

هالو استیک اسید ها و سایر محصولات جانبی گندزدایی

هالو استیک اسید ها گروه مهم دیگری از فرآورده های کلرزنی هستند که از واکنش کلر با پیش ساز های آلی پدید می آیند. برخی از اعضای این گروه در آزمایش های حیوانی اثرات منفی بر کبد و رشد نشان داده اند. افزون بر آن، اکسوهالید هایی مانند کلرات و کلریت می توانند در هنگام استفاده از دی اکسید کلر یا هیپوکلریت تشکیل شوند و نیازمند کنترل دقیق دوز و انبارداری هستند. در سامانه هایی که آمونیاک یا آمین ها حضور دارند، ترکیبات نیتروزآمین مانند NDMA نیز ممکن است در مقادیر بسیار کم تشکیل شوند. راهبرد اصلی، کاستن از پیش ساز ها، کنترل pH و انتخاب درست نقطه ی تزریق است تا تماس غیر ضرور کلر با مواد آلی کم شود. در ادامه خلاصه ای از مهم ترین فرآورده های جانبی، منبع تشکیل و نکات کنترلی آمده است.

واکنش کلر با آمونیاک: تشکیل کلرامین و پیامد های آن

در حضور آمونیاک، کلر به جای باقی مانده ی آزاد، کلرامین ایجاد می کند. ابتدا منوکلرامین شکل می گیرد که پایدار تر و کندتر از کلر آزاد عمل می کند. با افزایش نسبت کلر به نیتروژن، دی کلرامین و در نهایت تری کلرامین پدید می آید که می تواند موجب بو و تحریک شود. در آب آشامیدنی کنترل نسبت دقیق برای غالب شدن منوکلرامین هدف گذاری می شود تا باقی مانده ای پایدار با محصولات جانبی کمتر تامین شود. در فاضلاب اگر آمونیاک بالا باشد، سهم بزرگی از دوز کلر صرف تشکیل کلرامین می شود و زمان تماس باید بیشتر در نظر گرفته شود. انتخاب بین باقی مانده ی آزاد یا ترکیبی به کیفیت آب خام، اهداف بهداشتی و محدودیت های محیط زیستی بستگی دارد.

کلرزنی تا نقطه ی شکست و مدیریت دوز

نقطه ی شکست زمانی است که کلر افزوده شده همه ی ترکیبات نیتروژنی را اکسید کرده و پس از آن باقیمانده ی آزاد بالا می رود. زیر نقطه ی شکست، کلر عمدتاً صرف تشکیل کلرامین می شود و باقیمانده ی آزاد ناچیز است. عبور از این نقطه معمولاً در نسبت جرمی تقریبی ۷٫۶ به ۱ بین کلر و نیتروژن آمونیاکی رخ می دهد. بهره برداران با ترسیم منحنی دوز و باقیمانده، نقطه ی بهینه را پیدا می کنند تا هم نابودی پاتوژن ها کافی باشد و هم مصرف مواد شیمیایی و تشکیل فرآورده های جانبی کنترل شود. انتخاب راهبرد کلرزنی زیر یا بالای نقطه ی شکست، تابع شرایط منبع، حضور آمونیاک و محدودیت های شبکه است.

نقش برمید: شکل گیری فرآورده های برم دار

حضور برمید در منبع آب باعث می شود کلر، برمید را به برم فعال تبدیل کند و مسیر تشکیل فرآورده های برم دار باز شود. این ترکیبات اغلب سمیت بیشتری نسبت به همتایان کلردار دارند. حتی اگر کربن آلی کم باشد، سهم برم در ساختار محصولات می تواند افزایش یابد. پایش برمید، کاهش زمان ماند و انتخاب فناوری های مکمل مانند کربن فعال یا گندزدایی اولیه با UV از راهکار های عملی برای مهار این ریسک است. در شرایط خاص بازتوزیع نقطه ی تزریق یا کاهش دوز در ابتدای زنجیره می تواند تماس کلر و پیش ساز را کاهش دهد.

تاثیر کلرزنی بر طعم و بو

کلر می تواند مزه و بوی آب را دگرگون کند. در باقی مانده های متعارف، بوی خفیف استخر یا مزه ی شیمیایی ممکن است احساس شود. واکنش کلر با ترکیبات فنلی می تواند کلروفنول تولید کند که حتی در غلظت های بسیار کم طعم دارویی و آزار دهنده ایجاد می کند. این مسائل مستقیم برای سلامت مضر نیست اما رضایت مصرف کننده را کاهش می دهد و شکایات را افزایش می دهد. برای مدیریت، تنظیم دقیق دوز، نگهداشت شبکه، و استفاده از کربن فعال پودری یا دانه ای برای حذف پیش ساز های بو توصیه می شود. در برخی شهر ها استفاده از کلرامین برای باقی مانده سبب طعم ملایم تر می شود، هرچند باید پیامد های دیگر آن هم سنجیده شود.

اکسیداسیون ترکیبات غیر آلی توسط کلر

کلر اکسید کننده ای قوی است و با آهن دو ظرفیتی، منگنز و سولفید هیدروژن واکنش می دهد. اکسید شدن آهن و منگنز به تشکیل ذرات نامحلول می انجامد که در فیلتراسیون حذف می شوند و مشکل تغییر رنگ و لکه گذاری را برطرف می کنند. واکنش با سولفید هیدروژن، بوی تخم مرغ گندیده را از بین می برد و آن را به سولفات یا گوگرد تبدیل می کند. این فرایند ها اگرچه کیفیت ظاهری و شیمیایی آب را بهبود می دهند، اما تقاضای کلر را بالا می برند و باید در محاسبه ی دوز لحاظ شوند. حضور نیتریت نیز کلر را مصرف کرده و آن را به نیترات تبدیل می کند، بنابراین پایش و پیش تصفیه برای جلوگیری از نوسان باقیمانده ضروری است.

خوردگی و اثرات بر زیرساخت

آب کلرزده در شرایط خاص می تواند به خوردگی لوله ها و اتصالات دامن بزند. کلر با ماهیت اکسید کننده اش لایه های محافظ را تغییر می دهد و در فلزاتی مانند آهن، فولاد و حتی مس، به شکل گیری زنگ و حفره کمک می کند. انتخاب بین کلر آزاد و کلرامین، تنظیم pH، قلیاییت و به کارگیری مهار کننده هایی مانند ارتو فسفات از ابزار های کلیدی کنترل خوردگی هستند. در شبکه های قدیمی، تغییر ناگهانی گندزدا ممکن است الگوی رسوب و حل شدن فلزات را دگرگون کند، بنابراین آزمون میدانی مرحله ای و پایش فلزات محلول اهمیت زیادی دارد.

پیامد های بهداشتی کلر و فرآورده های آن

باقیمانده های معمول کلر در آب آشامیدنی برای اغلب افراد قابل تحمل است، ولی فرآورده های جانبی در مواجهه ی مزمن می توانند نگرانی ایجاد کنند. ارتباط آماری برخی از این ترکیبات با افزایش خطر سرطان مثانه گزارش شده و درباره ی پیامد های تولید مثلی نیز بررسی هایی انجام شده است. تماس استنشاقی با تری کلرامین در فضا های سرپوشیده مثل استخر ها می تواند چشم و دستگاه تنفس را تحریک کند و در برخی افراد علائم آسم را بدتر کند. در بسیاری از مناطق به ویژه در جوامع روستایی، استفاده از کلر در سیستم های کوچک تصفیه آب و فاضلاب روستایی راهکاری عملی برای کاهش بار میکروبی به شمار می رود، اما همچنان نگرانی در مورد تشکیل فرآورده های جانبی وجود دارد.تمرکز اصلی، کاهش تشکیل فرآورده ها از راه مدیریت پیش ساز ها، دوز، زمان تماس و دما است تا نسبت سود به زیان به نفع ایمنی میکروبی بماند.

اثرات زیست محیطی پساب کلرزده

باقیمانده ی کلر در پساب می تواند برای آبزیان بسیار سمی باشد و حتی در غلظت های کم نیز به بافت آبشش آسیب بگزارد. برای پیشگیری، بیشتر تاسیسات پس از گندزدایی از کلرزدایی با موادی مانند بی سولفیت سدیم یا دی اکسید گوگرد استفاده می کنند تا کلر پیش از ورود به رودخانه یا دریاچه خنثی شود. با وجود این، برخی ترکیبات آلی کلردار پایدار ممکن است در پساب باقی بمانند و به سمیت مزمن یا تجمع زیستی کمک کنند. بنابراین علاوه بر حد گذاری بر کلر باقیمانده ی نهایی، پایش شاخص های مرتبط با ترکیبات آلی هالوژنه نیز لازم است.

ایمنی کار با کلر در تاسیسات

کلر، به ویژه به صورت گاز، ماده ای خطرناک است و نشت آن می تواند به آسیب شدید تنفسی منجر شود. تاسیسات باید سامانه ی پایش نشت، تهویه ی کافی و اسکرابر اضطراری داشته باشند. کار با سیلندر های کلر و تانک های هیپوکلریت نیازمند آموزش، تجهیزات حفاظت فردی و رویه های دقیق است. از منظر کاهش ریسک، برخی واحد ها به تولید هیپوکلریت در محل یا استفاده از UV به عنوان گندزدایی اولیه روی آورده اند تا ذخیره ی مقادیر زیاد کلر به حداقل برسد.

پایش، مقررات و راهبرد های کاهش عوارض

چارچوب های مقرراتی، حد های کیفی برای فرآورده های کلرزنی و باقیمانده ی کلر یا کلرامین تعیین می کنند. در آب آشامیدنی، کنترل مجموع THM و HAA و در فاضلاب، نزدیک به صفر نگه داشتن کلر خروجی هدف گذاری می شود. برای دستیابی، ترکیبی از حذف پیش ساز ها، بهینه سازی دوز و نقطه ی تزریق، کربن فعال، و در صورت نیاز به کارگیری گندزدا های جایگزین مانند اوزون یا UV استفاده می شود. پایش پیوسته، نمونه برداری میدانی و بازنگری دوره ای طرح بهره برداری باعث می شود سامانه ها هم ایمنی میکروبی و هم ایمنی شیمیایی را تامین کنند.