راهکارهای تصفیه و کاهش کلر مازاد در منابع آبی

مقدمه

کلر یکی از شناخته شده ترین مواد گندزدا در تصفیه آب است و سال هاست برای کنترل باکتری ها، ویروس ها و بسیاری از عوامل بیماری زا در آب آشامیدنی، شبکه های توزیع، مخازن، استخرها و پساب های تصفیه شده به کار می رود. همچنین کاربرد کلر در گندزدایی تجهیزات پزشکی و مراکز درمانی یکی دیگر از زمینه های مهم استفاده از ترکیبات کلردار برای کنترل آلودگی های میکروبی به شمار می رود. مزیت مهم کلر این است که بخشی از آن پس از مرحله گندزدایی در آب باقی می ماند و می تواند تا مدتی از رشد دوباره میکروارگانیسم ها جلوگیری کند.

با این حال، اگر مقدار باقی مانده بیش از نیاز باشد یا آب پس از گندزدایی قرار باشد وارد محیط زیست، تجهیزات حساس یا فرایندهای صنعتی شود، کاهش کلر مازاد به یک مرحله مهم در تصفیه تبدیل می شود. کلر اضافی ممکن است طعم و بوی آب را تغییر دهد، با مواد آلی واکنش دهد، به بعضی تجهیزات و غشاها آسیب برساند و در صورت ورود به رودخانه یا زیستگاه های آبی برای جانداران حساس مشکل ایجاد کند.

از طرف دیگر، حذف کامل کلر در نقطه ای که هنوز به حفاظت میکروبی نیاز است نیز تصمیم درستی نیست. به همین دلیل، راهکارهای تصفیه و کاهش کلر مازاد در منابع آبی باید بر اساس هدف مصرف آب، نوع کلر باقی مانده، دبی، pH، دما و کیفیت کلی آب انتخاب شوند.

روش های کاهش کلر از کنترل دوز تزریق شروع می شوند و تا استفاده از کربن فعال، مواد کاهنده، هوادهی، نور فرابنفش و سامانه های ترکیبی ادامه پیدا می کنند. هیچ فناوری واحدی برای تمام منابع آبی بهترین انتخاب نیست و شناخت شرایط آب، نخستین مرحله یک تصمیم درست است.

کلر مازاد در آب چیست و چه زمانی باید کاهش پیدا کند؟

منظور از کلر مازاد، مقدار کلر باقی مانده ای است که از نیاز واقعی مرحله گندزدایی یا کاربرد بعدی آب بیشتر باشد. این تعریف به محل مصرف وابسته است. در یک شبکه آب آشامیدنی، وجود مقدار کنترل شده ای از کلر باقی مانده می تواند برای جلوگیری از آلودگی ثانویه مفید باشد، اما همان مقدار در آب ورودی به بعضی تجهیزات حساس یا در پسابی که مستقیما وارد رودخانه می شود ممکن است نامطلوب باشد.

بنابراین مشاهده کلر در آب به تنهایی نشانه وجود مشکل نیست. ابتدا باید مشخص شود آب برای آشامیدن، فرایند صنعتی، آبیاری، پرورش آبزیان، اسمز معکوس، شستشوی صنعتی یا تخلیه زیست محیطی استفاده خواهد شد.

موضوع اصلی ایجاد تعادل است. مقدار کلر باید آن قدر باشد که هدف گندزدایی تامین شود و در عین حال بیش از نیاز باقی نماند. تصفیه بیش از اندازه و حذف کامل باقی مانده گندزدا در شبکه توزیع حتی می تواند احتمال رشد دوباره میکروارگانیسم ها را افزایش دهد.

شیمی کلر در آب و تفاوت کلر آزاد با کلرامین

وقتی کلر یا هیپوکلریت وارد آب می شود، گونه هایی مانند اسید هیپوکلروس و یون هیپوکلریت شکل می گیرند. مجموع این گونه ها معمولا با عنوان کلر آزاد شناخته می شود. نسبت آن ها به pH وابسته است و همین موضوع روی قدرت گندزدایی و سرعت واکنش کلر تاثیر دارد. در pH پایین تر، سهم اسید هیپوکلروس بیشتر است و این گونه معمولا قدرت گندزدایی بیشتری دارد.

اگر در آب آمونیاک یا ترکیبات نیتروژنی مناسب وجود داشته باشد، کلر می تواند با آن ها واکنش دهد و کلرامین ها را تشکیل دهد. مونوکلرامین یکی از مهم ترین گونه های کلر ترکیبی در شبکه های آب است. کلرامین نسبت به کلر آزاد پایدارتر است و دیرتر کاهش پیدا می کند.

این تفاوت هنگام انتخاب روش تصفیه بسیار مهم است. روشی که کلر آزاد را در مدت کوتاه کاهش می دهد ممکن است برای کلرامین به زمان تماس بیشتر، بستر کربنی بزرگ تر یا شرایط متفاوت نیاز داشته باشد. به همین علت بهتر است پیش از طراحی سیستم، مشخص شود با کلر آزاد، کلر ترکیبی یا مخلوطی از هر دو روبرو هستیم.

مهم ترین منابع ایجاد کلر اضافی در منابع آبی

یکی از دلایل رایج کلر اضافی، تزریق بیش از حد ماده گندزدا در تصفیه خانه است. اگر کنترل دوز فقط بر اساس یک عدد ثابت انجام شود و تغییرات دبی، کدورت، مواد آلی یا دمای آب در نظر گرفته نشود، مقدار کلر باقی مانده ممکن است در ساعات مختلف نوسان زیادی داشته باشد.

شوک کلرزنی چاه ها، مخازن و خطوط لوله نیز برای مدتی آب با کلر بالا ایجاد می کند. در این شرایط هدف اولیه ضدعفونی شدید است، اما پس از پایان زمان تماس باید آب به وضعیت مناسب برای مصرف یا تخلیه بازگردد.

منابع صنعتی نیز اهمیت دارند. پساب واحدهای خنک کاری، صنایع غذایی، بعضی کارخانه های شیمیایی و تاسیساتی که از هیپوکلریت برای کنترل زیستی استفاده می کنند ممکن است دارای کلر باقی مانده باشند. در استخرها و سامانه های بازچرخانی آب نیز تنظیم نادرست پمپ تزریق یا حسگر کلر می تواند باعث افزایش غیرضروری غلظت شود؛ به همین دلیل هنگام خرید کلر استخر باید علاوه بر کیفیت ماده، به غلظت محصول و نحوه تنظیم مقدار مصرف آن نیز توجه شود تا کلر باقی مانده از محدوده مورد نیاز فراتر نرود.

پیامدهای کلر مازاد بر کیفیت آب، سلامت و تجهیزات

کلر در مقدار کنترل شده نقش مهمی در ایمنی میکروبی آب دارد، اما مقدار غیرضروری آن می تواند کیفیت حسی آب را کاهش دهد. طعم تند و بوی شبیه مواد ضدعفونی کننده از مواردی هستند که معمولا باعث نارضایتی مصرف کننده می شوند. وجود کلر مازاد می تواند طعم و بوی آب را تغییر دهند.

موضوع دیگر واکنش کلر با مواد آلی طبیعی موجود در آب است. هرچه تماس کلر با مواد آلی واکنش پذیر بیشتر باشد، امکان تشکیل محصولات جانبی گندزدایی نیز افزایش پیدا می کند. به همین علت، کاهش مواد آلی پیش از کلرزنی و جلوگیری از تزریق بیش از نیاز اهمیت زیادی دارد.

کلر یک اکسیدکننده قوی نیز محسوب می شود. تماس طولانی یا غلظت بالا می تواند به بعضی فلزات، پوشش ها، قطعات لاستیکی و مواد پلیمری فشار وارد کند. در سامانه های حساس مانند غشاهای پلی آمیدی اسمز معکوس، کنترل کلر ورودی اهمیت بیشتری دارد، زیرا اکسیداسیون غشا می تواند عمر مفید آن را کاهش دهد.

اثر کلر باقی مانده بر رودخانه ها و موجودات آبزی

آبی که پس از گندزدایی برای استفاده انسانی مناسب است، لزوما برای تخلیه مستقیم به یک زیستگاه آبی مناسب نیست. ماهی ها، بی مهرگان و بسیاری از موجودات آبزی نسبت به مواد اکسیدکننده کلردار حساس هستند. کلر آزاد و بعضی شکل های کلر ترکیبی می توانند به آبشش ها و بافت های حساس آسیب برسانند.

به همین علت در بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب، پس از مرحله گندزدایی با کلر، مرحله دی کلرزنی انجام می شود. هدف این مرحله کاهش خاصیت اکسیدکنندگی باقی مانده پیش از ورود پساب به محیط طبیعی است. البته باید زمان تماس لازم برای گندزدایی قبل از خنثی سازی کلر فراهم شده باشد.

در رودخانه و مخزن طبیعی، مواد آلی، نور، دما و زمان ماند به تدریج کلر را کاهش می دهند، اما اتکا به رقیق شدن یا تجزیه طبیعی راهکار مطمئنی برای کنترل یک پساب کلردار نیست. بهتر است کاهش کلر پیش از تخلیه و در یک فرایند قابل اندازه گیری انجام شود.

اندازه گیری کلر باقی مانده؛ اولین قدم پیش از تصفیه

پیش از انتخاب هر روش، باید مشخص شود چه مقدار کلر در آب وجود دارد. روش رنگ سنجی DPD یکی از روش های رایج برای اندازه گیری کلر آزاد و کل است. در تصفیه خانه ها و واحدهای صنعتی بزرگ نیز آنالایزرهای پیوسته می توانند غلظت را به صورت لحظه ای ثبت کنند و به سیستم تزریق فرمان دهند.

نمونه برداری باید با دقت انجام شود، زیرا کلر ماده ای واکنش پذیر است و ممکن است بین زمان برداشت نمونه و آزمایش کاهش پیدا کند. تاخیر زیاد، آلودگی ظرف، تماس با نور یا وجود مواد واکنش پذیر در نمونه نتیجه را تغییر می دهد.

در کنار کلر بهتر است pH، دما، کدورت و در صورت نیاز آمونیاک نیز بررسی شود. عدد ORP برای مشاهده وضعیت کلی اکسیداسیون مفید است، اما جای اندازه گیری مستقیم کلر را نمی گیرد. ترکیب چند داده به اپراتور کمک می کند دلیل افزایش یا کاهش کلر را بهتر تشخیص دهد.

کاهش کلر از مبدا با کنترل دوز و زمان تماس

کم هزینه ترین روش کاهش کلر مازاد این است که از ابتدا مقدار غیرضروری وارد آب نشود. دوز کلر باید با توجه به نیاز واقعی آب تنظیم شود. آبی که مواد آلی یا آلودگی بیشتری دارد کلر بیشتری مصرف می کند، در حالی که برای آب تمیزتر ممکن است دوز پایین تری کافی باشد.

کنترل خودکار بر اساس دبی و کلر باقی مانده می تواند نوسان را کاهش دهد. ابتدا تزریق با مقدار آب عبوری هماهنگ می شود و یک سنجش در پایین دست نشان می دهد که آیا کلر باقی مانده در محدوده تعیین شده قرار دارد یا خیر. تنظیم دوز، زمان تماس و اختلاط مناسب باید به صورت یک مجموعه دیده شوند.

در سامانه هایی که آمونیاک وجود دارد، شناخت رفتار نقطه شکست کلرزنی نیز مهم است. تزریق نامناسب می تواند نسبت کلر آزاد و کلرامین را تغییر دهد. تغییرات فصلی دما، کیفیت آب خام و مقدار مواد آلی نیز باید در تنظیم سیستم در نظر گرفته شود.

حذف کلر با کربن فعال

کربن فعال یکی از کاربردی ترین روش ها برای کاهش کلر در آب است. ساختار متخلخل آن سطح تماس بسیار بزرگی ایجاد می کند و کلر آزاد هنگام تماس با سطح کربن طی واکنش های سطحی کاهش پیدا می کند. کربن فعال دانه ای در فیلترهای خانگی، خطوط صنعتی و پیش تصفیه استفاده گسترده ای دارد.

مزیت مهم کربن این است که علاوه بر کاهش کلر، می تواند بخشی از مواد ایجاد کننده بو و طعم و بعضی ترکیبات آلی را نیز کم کند. البته دبی بالا، زمان تماس کوتاه، گرفتگی بستر و فرسودگی کربن باعث کاهش عملکرد می شود.

برای کلرامین، کربن فعال معمولی معمولا کندتر عمل می کند. کربن کاتالیستی یا افزایش حجم بستر و زمان تماس می تواند عملکرد را بهتر کند. در سامانه های حساس گاهی دو بستر پشت سر هم در نظر گرفته می شود تا احتمال عبور کلر یا کلرامین کاهش یابد.

پس از حذف کلر، خاصیت محافظ میکروبی آب نیز کمتر می شود. بنابراین نگهداری فیلتر، شستشو، تعویض به موقع و جلوگیری از رشد زیستی در بخش پایین دست اهمیت دارد.

مقایسه جامع روش های اصلی کاهش کلر مازاد در آب

انتخاب فناوری باید با این پرسش شروع شود که آب پس از حذف کلر برای چه کاری استفاده خواهد شد. اگر هدف فقط کاهش طعم کلر آب آشامیدنی در نقطه مصرف باشد، یک فیلتر کربنی مناسب می تواند پاسخگو باشد. اگر صدها متر مکعب پساب در ساعت باید قبل از تخلیه خنثی شود، استفاده از مواد کاهنده سریع و قابل کنترل معمولا منطقی تر است. در آب ورودی اسمز معکوس نیز هدف اصلی حفاظت قابل اعتماد از غشای حساس خواهد بود.

مواد کاهنده مانند بی سولفیت سدیم و متابی سولفیت سدیم با گونه های کلردار واکنش می دهند و قدرت اکسیدکنندگی آن ها را از بین می برند. سرعت این واکنش بالا است و سیستم می تواند به صورت پیوسته کار کند. با این حال، تزریق بیش از حد ماده کاهنده مناسب نیست. اضافه مصرف ترکیبات سولفیتی می تواند اکسیژن محلول را کاهش دهد و در بعضی شرایط روی pH آب نیز اثر بگذارد.

دوز مواد کاهنده نباید تنها بر اساس حداکثر ظرفیت پمپ انتخاب شود. مقدار واقعی کلر ورودی، تغییرات دبی، کیفیت اختلاط و مقدار باقی مانده مورد نظر باید مشخص باشد. در واحدهای بزرگ، استفاده از آنالایزر قبل و بعد از محل تزریق باعث می شود ماده شیمیایی فقط به اندازه لازم مصرف شود.

تیوسولفات سدیم نیز برای خنثی سازی کلر کاربرد دارد و در بعضی جریان های کوچک، آزمایشگاه ها یا کاربردهای مرتبط با آبزیان استفاده می شود. اسید اسکوربیک و سدیم اسکوربات گزینه های دیگری هستند. این مواد کلر را سریع خنثی می کنند و نسبت به ترکیبات سولفیتی اثر کمتری بر اکسیژن محلول دارند. اسید اسکوربیک خاصیت اسیدی دارد، در حالی که سدیم اسکوربات از نظر تاثیر بر pH ملایم تر است.

روش های فیزیکی مانند هوادهی و زمان ماند به افزودن ماده کاهنده نیاز ندارند، اما سرعت آن ها به نوع کلر و شرایط آب بستگی دارد. برای کلرامین معمولا عملکرد کندتر است. نور فرابنفش نیز می تواند بعضی گونه های کلردار را تجزیه کند، اما میزان موفقیت آن به طول موج، شدت تابش، دبی و شفافیت آب بستگی دارد.

به همین دلیل، مقایسه روش ها فقط بر اساس قیمت خرید دستگاه کافی نیست. هزینه مواد مصرفی، انرژی، فضای مورد نیاز، نگهداری، مهارت اپراتور و حساسیت مصرف بعدی آب باید همزمان بررسی شوند.

کاهش کلر با هوادهی، زمان ماند و نور طبیعی

کلر آزاد در آب به تدریج مصرف یا تجزیه می شود. افزایش سطح تماس با هوا، هم زدن آب و هوادهی می تواند در بعضی شرایط سرعت کاهش کلر آزاد را بیشتر کند. این روش برای مخازن کوچک یا شرایطی که زمان کافی وجود دارد قابل استفاده است، اما برای جریان های بزرگ ممکن است به فضای زیادی نیاز داشته باشد.

زمان ماند نیز تاثیرگذار است. اگر آب کلردار بدون افزودن دوز جدید در مخزن نگهداری شود، بخشی از کلر طی واکنش با مواد موجود در آب از بین می رود. سرعت کاهش ثابت نیست و به دما، pH، مواد آلی و جنس مخزن بستگی دارد. کلرامین پایدارتر است و معمولا با نگهداری ساده سریع از بین نمی رود.

نور خورشید نیز می تواند تجزیه بعضی گونه های کلردار را تسریع کند، ولی شدت تابش در ساعات و فصل های مختلف تغییر می کند. بنابراین نور طبیعی بیشتر یک عامل کمک کننده است و نباید در یک سیستم حساس جای یک فرایند قابل کنترل را بگیرد.

نقش نور فرابنفش و روش های پیشرفته در دی کلرزنی

نور فرابنفش می تواند بعضی گونه های کلردار را از طریق واکنش های نوری کاهش دهد. در یک سامانه مهندسی، طول موج، شدت تابش و زمان تماس اهمیت زیادی دارد. اگر آب کدر باشد یا مواد زیادی داشته باشد که UV را جذب می کنند، انرژی کمتری به گونه های هدف می رسد.

در فناوری های پیشرفته تر، ترکیب UV و کلر برای تولید گونه های واکنش پذیر و تخریب بعضی آلاینده های آلی مقاوم نیز مورد استفاده قرار می گیرد. این کاربرد با دی کلرزنی ساده تفاوت دارد، اما امکان طراحی سامانه ای را فراهم می کند که چند هدف تصفیه را همزمان دنبال کند.

مزیت UV کاهش نیاز به نگهداری و تزریق مقدار زیاد مواد کاهنده است. در مقابل، مصرف برق، تمیزکاری غلاف لامپ، افت شدت تابش و حساسیت به کیفیت آب از محدودیت های آن هستند. بنابراین مقایسه اقتصادی باید هزینه انرژی و تعمیرات را نیز شامل شود.

مدیریت کلر پیش از اسمز معکوس و تجهیزات حساس صنعتی

در بسیاری از واحدهای اسمز معکوس، کلر ابتدا برای کنترل میکروبی در قسمت پیش تصفیه استفاده می شود، اما پیش از ورود آب به غشا باید مقدار آن کاهش پیدا کند. بسیاری از غشاهای پلی آمیدی نسبت به اکسیدکننده ها حساس هستند و تماس طولانی با کلر آزاد می تواند سطح غشا را تخریب کند.

دو روش رایج برای حفاظت از غشا، استفاده از کربن فعال یا تزریق ماده کاهنده است. کربن علاوه بر کلر بخشی از مواد آلی را نیز کاهش می دهد، اما بستر نامناسب یا آلوده می تواند محل رشد زیستی شود. مواد کاهنده سریع تر عمل می کنند و فضای کمتری می خواهند، ولی به پمپ تزریق، مخزن ماده و کنترل مناسب نیاز دارند.

در صنایع دارویی، غذایی، الکترونیک و تولید آب بسیار خالص، میزان قابل قبول کلر با حساسیت فرایند تعیین می شود. آب مورد استفاده در دیالیز نیز شرایط بسیار سخت گیرانه ای دارد و حذف کلر و کلرامین در آن یک فرایند تخصصی است. چنین کاربردهایی نباید با یک فیلتر کربنی ساده خانگی مقایسه شوند.

راهکارهای خانگی برای کاهش کلر و اصول انتخاب سیستم مناسب

برای مصارف خانگی، یکی از ساده ترین گزینه ها استفاده از فیلتر کربن فعال معتبر و متناسب با دبی است. فیلتر پارچ، فیلتر زیرسینکی یا کارتریج کربنی می تواند طعم و بوی ناشی از کلر آزاد را کاهش دهد، اما کارایی آن به مقدار کربن، سرعت عبور آب و مدت استفاده بستگی دارد.

یک فیلتر قدیمی فقط به دلیل آن که هنوز آب از آن عبور می کند، لزوما عملکرد مناسبی ندارد. ظرفیت سطح کربن به تدریج کاهش پیدا می کند و گرفتگی بستر نیز می تواند زمان تماس موثر را تغییر دهد. برنامه تعویض باید با حجم مصرف و مشخصات فیلتر هماهنگ باشد.

باز گذاشتن آب در ظرف می تواند بخشی از کلر آزاد را در طول زمان کاهش دهد، اما برای کلرامین روش قابل اعتمادی نیست. جوشاندن نیز برای کاهش روزانه حجم زیاد آب روش پرمصرفی به شمار می رود. افزودن خودسرانه مواد خنثی کننده به آب آشامیدنی نیز مناسب نیست، زیرا مقدار ماده باید بر اساس غلظت واقعی کلر محاسبه شود.

پیش از خرید دستگاه باید مشخص شود هدف کاهش طعم کلر است یا حذف کلرامین، حفاظت از آکواریوم، پیش تصفیه اسمز معکوس یا تامین آب برای یک کاربرد حساس. مصرف کننده باید زمان تعویض فیلتر را بداند و عملکرد آن را به شکل دوره ای کنترل کنند. انتخاب تجهیزات بر اساس آزمایش آب معمولا نتیجه بهتری از خرید یک سامانه پیچیده بدون شناخت کیفیت آب ورودی دارد.

نتیجه گیری

راهکارهای تصفیه و کاهش کلر مازاد در منابع آبی زمانی موفق هستند که حذف کلر به عنوان یک هدف جدا از کل فرایند تصفیه دیده نشود. ابتدا باید مشخص شود چرا کلر در آب وجود دارد، چه مقدار از آن باقی مانده، کلر آزاد است یا ترکیبی و آب در مرحله بعد چه استفاده ای خواهد داشت.

در شبکه آب آشامیدنی، باقی ماندن مقدار کنترل شده گندزدا می تواند برای جلوگیری از آلودگی ثانویه لازم باشد، در حالی که پیش از ورود آب به بعضی غشاهای صنعتی یا تخلیه پساب به محیط زیست، کاهش بیشتری مورد نیاز است. این تفاوت یکی از مهم ترین نکات در انتخاب روش دی کلرزنی است.

کنترل دوز در مبدا معمولا اقتصادی ترین اقدام محسوب می شود. پس از آن، کربن فعال برای بسیاری از کاربردهای عمومی و صنعتی گزینه مناسبی است. برای جریان های بزرگ و نیاز به واکنش سریع، بی سولفیت، متابی سولفیت و سایر مواد کاهنده امکان کنترل موثرتری ایجاد می کنند. اسکوربات ها نیز در بعضی کاربردهای کوچک یا حساس مفید هستند و هوادهی، زمان ماند و UV می توانند بسته به شرایط بخشی از راه حل باشند.