روش های جایگزین یا تکمیلی کلر زنی در تصفیه آب و فاضلاب

مقدمه

کلرزنی بیش از صد سال است که به عنوان روش اصلی گندزدایی در تصفیه آب و فاضلاب استفاده می شود و نقش مهمی در کاهش بیماری های منتقله از آب داشته است. با وجود این، معایبی نیز دارد که توجه به آن ها باعث جستجوی روش های جایگزین یا مکمل شده است. یکی از مهم ترین مشکلات، تشکیل محصولات جانبی مضر گندزدایی مانند DBP ها است که می توانند اثرات منفی بر سلامت انسان و محیط زیست داشته باشند. علاوه بر آن، برخی پاتوژن ها نظیر کریپتوسپوریدیوم در برابر کلر مقاوم هستند و تنها با کلرزنی نمی توان اطمینان کامل از نابودی آن ها حاصل کرد. به همین دلیل فناوری های دیگری مانند نور فرابنفش (UV)، ازن زنی، اسید پراستیک و روش های پیشرفته تر مطرح شده اند که یا به تنهایی یا در کنار کلر می توانند کیفیت و ایمنی بالاتری برای آب فراهم کنند. در عین حال در بخش‌ های کاربردی‌ تر همچون استخرها همچنان نیاز به خرید کلر استخر وجود دارد تا ضمن حفظ ایمنی آب، از رشد جلبک‌ ها و باکتری‌ ها جلوگیری شود. این رویکردها علاوه بر کاهش مصرف مواد شیمیایی، باعث به حداقل رساندن محصولات جانبی خطرناک و ارتقای پایداری سیستم‌ های تصفیه می‌ شوند و آینده‌ ی مطمئن‌ تری برای سلامت عمومی رقم می‌ زنند.

محدودیت های کلرزنی و نیاز به روش های جایگزین

کلر سال ها به عنوان یک گندزدای اصلی در تصفیه آب به کار رفته است، اما محدودیت های جدی دارد که لزوم استفاده از جایگزین ها را نشان می دهد. تداخلات شیمیایی و عوارض جانبی کلر در تصفیه آب و فاضلاب از جمله واکنش آن با مواد آلی موجود در آب است که منجر به تولید محصولات جانبی مضر مانند تری هالومتان ها (THM) و اسیدهای هالو استیک (HAA) می‌ شود و نگرانی های بهداشتی و قوانین سختگیرانه ای را به دنبال داشته است. علاوه بر این برخی پاتوژن ها نظیر ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم در برابر کلر بسیار مقاوم هستند و کلرزنی به تنهایی قادر به حذف کامل آن ها نیست. طعم و بوی نامطلوب آب کلرزنی شده و خطرات نگهداری گاز کلر یا هیپوکلریت نیز مشکلات دیگری محسوب می شوند. همچنین کلر باقی مانده در فاضلاب باید پیش از تخلیه خنثی گردد تا به محیط آسیب نزند. به همین دلیل استفاده از روش های جایگزین یا مکمل برای بهبود ایمنی و پایداری تصفیه ضروری است.

گندزدایی فرابنفش (UV) در تصفیه ی آب

گندزدایی فرابنفش (UV) یک روش بدون مواد شیمیایی است که به عنوان جایگزینی برای کلرزنی در تصفیه ی آب و فاضلاب به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته است. سامانه های UV از نور فرابنفش با انرژی بالا در طول موج UV-C (حدود 254 نانومتر) استفاده می کنند تا به DNA و RNA میکروارگانیسم ها آسیب برسانند و در نتیجه باکتری ها، ویروس ها و تک یاخته های بیماری زا (مانند کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا) دیگر قادر به تولید مثل نباشند. این فناوری در عرض چند ثانیه تماس، پاتوژن ها را به طور موثری غیرفعال می کند، بدون این که هیچ ماده ی شیمیایی به آب اضافه شود. یکی از مزایای عمده ی گندزدایی فرابنفش، عدم وجود محصولات جانبی مضر گندزدایی است؛ در این روش ترکیبات کلردار مضری که در کلرزنی سنتی ایجاد می شوند تولید نمی شوند. آبی که با UV گندزدایی شده باشد طعم و بوی خود را حفظ می کند زیرا هیچ ماده ی شیمیایی در آن باقی نمی ماند. سامانه های UV به طور گسترده ای در تصفیه خانه های فاضلاب و در تعداد رو به رشدی از تصفیه خانه های آب آشامیدنی به کار می روند تا کنترل قوی پاتوژن ها را تامین کنند. با این حال UV هیچ اثر باقی مانده ای ندارد، به این معنا که پس از فرآیند تصفیه آب را گندزدایی شده نگه نمی دارد؛ بنابراین شرکت های آب و فاضلاب معمولا UV را با یک گندزدای ثانویه (مانند مقدار کمی کلر یا کلرامین) برای مرحله ی توزیع ترکیب می کنند. افزون بر این کارایی UV می تواند در آب کدر یا رنگی مختل شود؛ بنابراین نیاز به پیش تصفیه ی مناسب و نگهداری درست (مانند تمیز کردن لامپ ها) برای اطمینان از نتایج موثر وجود دارد.

ازن زنی: گندزدایی آب با گاز ازن

ازن زنی یکی از پیشرفته ترین روش های گندزدایی آب است که با تولید و تزریق گاز ازن (O3) به داخل آب انجام می شود. ازن به عنوان یک اکسیدکننده بسیار قوی شناخته می شود و توانایی بالایی در غیرفعال کردن باکتری ها، ویروس ها و حتی تک یاخته های مقاوم به کلر مانند کریپتوسپوریدیوم دارد. این روش علاوه بر گندزدایی با اکسید کردن ترکیبات آلی موجب بهبود طعم، بو و رنگ آب نیز می شود. مزیت مهم ازن نسبت به کلر این است که محصولات جانبی کلردار مانند تری هالومتان ها تولید نمی کند، هرچند ممکن است در حضور یون برم منجر به تشکیل برومات و سایر ترکیبات آلی قابل تجزیه گردد که نیاز به مراحل تکمیلی دارد. ازن به دلیل ناپایداری باید در محل تولید شود و به سرعت به اکسیژن تجزیه می گردد، بنابراین هیچ باقی مانده طولانی مدتی در آب ایجاد نمی کند. این ویژگی در کاهش باقی ماندن مواد شیمیایی مفید است، اما برای حفاظت در شبکه توزیع نیاز به گندزدای ثانویه وجود دارد. با وجود هزینه و پیچیدگی بالا، ازن به دلیل کارایی فوق العاده و توان بهبود کیفیت کلی آب، در بسیاری از تصفیه خانه های پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرد.

گندزدایی با دی اکسید کلر

دی اکسید کلر (ClO2) یک گندزدای کارآمد و جایگزین برای کلر سنتی است که به صورت گاز محلول در آب باقی می ماند و مستقیماً به میکروارگانیسم ها حمله می کند. این ماده در نابودی باکتری ها و ویروس ها بسیار موثر بوده و نسبت به کلر توانایی بیشتری در نفوذ به کیست های انگل های تک یاخته ای دارد. مزیت مهم آن کاهش چشمگیر تولید محصولات جانبی مضر مانند تری هالومتان ها و اسیدهای هالو استیک است، که به ویژه در آب های غنی از مواد آلی اهمیت زیادی دارد. دی اکسید کلر همچنین در بهبود طعم و بو نقش دارد، زیرا ترکیبات مولد بو را اکسید می کند بدون این که اثر طعمی نامطلوب برجای گذارد. با این حال به دلیل ناپایداری، باید در محل تولید شود و نیازمند کنترل دقیق محصولات جانبی خود مانند یون های کلریت و کلرات است که می توانند برای سلامت مضر باشند. هزینه و پیچیدگی بالاتر از کلرزنی سنتی از چالش های آن است، اما همچنان به عنوان گزینه ای مکمل برای کاهش وابستگی به کلر استفاده می شود.

کلرامین ها به عنوان گندزدای باقی مانده

کلرامین ها که از ترکیب کلر و آمونیاک تشکیل می شوند، یکی از روش های جایگزین یا مکمل کلرزنی سنتی در تصفیه آب آشامیدنی به شمار می روند. رایج ترین شکل آن مونوکلرامین است که برای حفظ باقی مانده ی گندزدا در شبکه های توزیع آب استفاده می شود. کلرامین ها نسبت به کلر آزاد پایداری بیشتری دارند و مدت طولانی تری در لوله ها باقی می مانند، بنابراین به کنترل رشد میکروبی کمک می کنند. از مزایای مهم این روش تولید بسیار کمتر محصولات جانبی مضر مانند تری هالومتان ها است که رعایت استانداردهای کیفی را ساده تر می کند. همچنین طعم و بوی آب تصفیه شده با کلرامین ملایم تر است. در مقابل، کلرامین ها نسبت به کلر آزاد اثر گندزدایی ضعیف تری دارند و در نابودی ویروس ها و کریپتوسپوریدیوم چندان موثر نیستند. به همین دلیل معمولا همراه با یک مرحله ی گندزدایی اولیه ی قوی تر استفاده می شوند. با وجود چالش هایی مانند احتمال نیتریفیکاسیون، کلرامین ها به طور گسترده به عنوان یک روش مکمل در سیستم های آب به کار می روند.

اسید پراستیک (PAA) در تصفیه ی فاضلاب

اسید پراستیک (PAA) یک گندزدای نوین و جایگزین برای کلر است که به ویژه در تصفیه فاضلاب کاربرد گسترده ای یافته است. این ماده یک ترکیب پراکسیدی است که با ورود به آب به سرعت به عنوان اکسیدکننده ی قوی عمل کرده و باکتری ها، ویروس ها و دیگر پاتوژن ها را از بین می برد. مزیت بزرگ PAA این است که برخلاف کلر هیچ گونه محصولات جانبی کلردار مضر ایجاد نمی کند و پس از عمل گندزدایی به ترکیبات بی خطر و قابل تجزیه زیستی نظیر اسید استیک، اکسیژن و آب تبدیل می شود. سرعت بالای اثرگذاری این ماده باعث می شود که حتی در جریان های پرحجم نیز کارایی بالایی داشته باشد. تصفیه خانه ها از PAA برای حذف خطرات ذخیره گاز کلر و همچنین بی نیازی از کلر زدایی پس از تخلیه استفاده می کنند. این ماده به صورت مایع و با تجهیزات ساده قابل تزریق است، اگرچه خاصیت خورندگی آن مستلزم رعایت نکات ایمنی است. هزینه بالاتر نسبت به کلر و نداشتن اثر باقیمانده طولانی مدت از معایب آن محسوب می شود اما همین ویژگی در خروجی فاضلاب به دلیل جلوگیری از آسیب به اکوسیستم آبی اغلب مزیت تلقی می گردد.

فرایند های اکسیداسیون پیشرفته (AOP)

فرایند های اکسیداسیون پیشرفته (AOP) مجموعه ای از روش های شیمیایی هستند که با تولید رادیکال های بسیار واکنش پذیر مانند رادیکال هیدروکسیل، توانایی بالایی در گندزدایی و تجزیه ی آلاینده ها دارند. این روش ها شامل ترکیباتی مانند UV/H2O2، ازن همراه با پراکسید، واکنش فنتون و فتوکاتالیست هایی نظیر دی اکسید تیتانیوم می شوند. AOP ها قادرند علاوه بر غیرفعال سازی باکتری ها و ویروس ها، ترکیبات آلی پیچیده مانند آفت کش ها، داروها و آلاینده های ریز را نیز به مواد ساده تر و اغلب بی خطر مثل دی اکسید کربن و آب تبدیل کنند. از آن جا که این فرآیندها وابسته به کلر نیستند، از تشکیل محصولات جانبی مضر کلردار جلوگیری می شود. با وجود کارایی بالا، چالش های اصلی آن هزینه زیاد، مصرف انرژی و نیاز به کنترل دقیق فرآیند است. به همین دلیل AOP معمولا به عنوان یک روش مکمل پس از گندزدایی اولیه یا فیلتراسیون به کار گرفته می شود، به ویژه در پروژه های پیشرفته ی بازیافت و تصفیه آب آشامیدنی.

فیلتراسیون غشایی (میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون) و اسمز معکوس

فناوری های فیلتراسیون غشایی مانند میکروفیلتراسیون (MF)، اولترافیلتراسیون (UF) و اسمز معکوس (RO) راهکاری فیزیکی و پیشرفته برای حذف پاتوژن ها از آب محسوب می شوند. این غشاها با داشتن منافذ بسیار ریز، میکروارگانیسم ها را بر اساس اندازه جداسازی می کنند. MF و UF قادرند باکتری ها کیست های پروتوزوآ و بسیاری از ویروس ها را حذف کرده و کاهش چشمگیری در بار میکروبی ایجاد کنند. اسمز معکوس علاوه بر میکروب ها، املاح محلول و ترکیبات آلی را نیز جدا کرده و آبی با خلوص بسیار بالا تولید می کند. مزیت بزرگ این فناوری جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی گندزدایی است، زیرا هیچ ماده ی شیمیایی در فرآیند به کار نمی رود. این سیستم ها به طور گسترده در تصفیه ی آب آشامیدنی و نیز در بازیافت فاضلاب مانند بیوراکتورهای غشایی کاربرد دارند. با این حال، هزینه های بالا، گرفتگی غشا و تولید پساب شور از چالش های اصلی هستند. همچنین به دلیل نبود اثر باقی مانده، معمولا یک گندزدای ثانویه پس از فیلتراسیون افزوده می شود.

فیلتراسیون کند شنی و بیوفیلتراسیون

فیلتراسیون کند شنی یکی از قدیمی ترین و در عین حال موثرترین روش های طبیعی برای تصفیه ی آب است که بدون استفاده از مواد شیمیایی، کیفیت آب را به شکل قابل توجهی بهبود می بخشد. در این فرآیند آب با سرعت بسیار کم از بستر ماسه ی ریز عبور می کند و در بالای لایه ی ماسه، یک زیست لایه به نام اشموتز دک تشکیل می شود. این لایه شامل میکروارگانیسم های مفیدی است که با مصرف و به دام انداختن پاتوژن ها، نقش مهمی در کاهش آلودگی ایفا می کنند. ماسه ی زیرین نیز فیلتراسیون فیزیکی ذرات و میکروب ها را بر عهده دارد. این روش می تواند تا بیش از ۹۹ درصد باکتری ها و انگل ها را حذف کرده و همزمان باعث کاهش کدورت شود. روشی مشابه به نام بیوفیلتراسیون نیز وجود دارد که در آن بستر فیلتر، گاهی همراه با کربن فعال، برای تجزیه ی آلاینده ها و حذف میکروب ها به کار می رود. فیلتراسیون کند شنی راهکاری پایدار و کم هزینه به ویژه برای مناطق روستایی است. با وجود این همه ی ویروس ها را حذف نمی کند و نیازمند نگهداری منظم از جمله برداشتن لایه ی بالایی ماسه است. بنابراین معمولا همراه با یک گندزدایی نهایی استفاده می شود تا ایمنی کامل تامین گردد.

روش یونیزاسیون مس و نقره

یونیزاسیون مس و نقره یک روش گندزدایی نوین است که با استفاده از الکترودهای دارای بار الکتریکی، یون های مس (Cu²⁺) و نقره (Ag⁺) را در آب آزاد می کند. این یون ها با اتصال به دیواره ی سلولی و آنزیم های میکروارگانیسم ها، ساختار حیاتی آن ها را مختل کرده و منجر به نابودی یا غیرفعال شدن باکتری ها می شوند. همچنین این فرآیند رشد جلبک ها را سرکوب کرده و یک اثر ضد میکروبی ماندگار فراهم می سازد. یکی از مزایای مهم این فناوری باقی ماندن یون های فلزی در آب به عنوان گندزدای پایدار است که بدون ایجاد طعم و بوی نامطلوب یا محصولات جانبی مضر کلردار، از رشد دوباره ی میکروب ها جلوگیری می کند. این ویژگی باعث شده است تا در محیط های حساسی مانند بیمارستان ها و ساختمان های بزرگ، برای کنترل باکتری لژیونلا در سیستم های آب گرم به کار گرفته شود. با این وجود، کنترل دقیق غلظت یون ها حیاتی است؛ غلظت پایین ناکارآمد خواهد بود و مقادیر بالا می تواند از حدود مجاز آب آشامیدنی فراتر رفته یا موجب خوردگی لوله ها شود.

گندزدایی خورشیدی آب (SODIS) و فناوری UV-LED

روش های گندزدایی اولتراسونیک و کاویتاسیون هیدرودینامیکی از نیروهای فیزیکی برای ضدعفونی آب بدون مواد شیمیایی استفاده می کنند. در روش اولتراسونیک، امواج صوتی با فرکانس بالا از آب عبور کرده و حباب های میکروسکوپی ایجاد می کنند که با فروپاشی خود شوک حرارتی و مکانیکی تولید کرده و موجب تخریب سلول های میکروبی می شوند. این پدیده همچنین می تواند رادیکال های اکسیدکننده ملایمی ایجاد کند که اثر گندزدایی را تقویت می کنند. در کاویتاسیون هیدرودینامیکی، جریان سیال مهندسی شده و عبور از نازل های خاص باعث تشکیل و فروپاشی حباب هایی با اثر مشابه می گردد. این فناوری ها توانایی نابودی باکتری ها، جلبک ها و کنترل بیوفیلم را نشان داده اند و در کاربردهایی مانند تصفیه آب توازن کشتی ها و صنایع خاص مورد استفاده قرار گرفته اند. مزیت اصلی آن ها حذف مواد شیمیایی و اجتناب از محصولات جانبی مضر است. با این حال بهره برداری موثر نیازمند انرژی بالا و زمان تماس کافی می باشد و هنوز برای استفاده در مقیاس بزرگ در حال توسعه هستند. اغلب این روش ها به عنوان مکمل برای افزایش کارایی UV یا کلرزنی به کار می روند.

روش های اولتراسونیک و کاویتاسیون هیدرودینامیکی

روش های گندزدایی اولتراسونیک و کاویتاسیون هیدرودینامیکی از نیروهای فیزیکی برای نابودی میکروارگانیسم ها بدون استفاده از مواد شیمیایی بهره می گیرند. در گندزدایی اولتراسونیک امواج صوتی با فرکانس بالا وارد آب شده و حباب های میکروسکوپی خلاء ایجاد می کنند که در هنگام فروپاشی، امواج ضربه ای شدید و دماهای بسیار بالا تولید کرده و باعث تخریب دیواره سلولی و غیرفعال سازی میکروب ها می شوند. این فرآیند همچنین می تواند با شکستن مولکول های آب، رادیکال های اکسیدکننده ی خفیفی ایجاد کند. کاویتاسیون هیدرودینامیکی نیز با عبور جریان سیال از نازل های خاص، حباب های مشابهی ایجاد می کند که فروپاشی آن ها اثر گندزدایی دارد. این روش ها توانایی از بین بردن باکتری ها، جلبک ها و کنترل بیوفیلم را نشان داده اند و در حوزه هایی مانند تصفیه ی آب توازن کشتی ها کاربرد یافته اند. مزیت اصلی آن ها حذف مواد شیمیایی و جلوگیری از تولید محصولات جانبی مضر است. با این حال برای دستیابی به کارایی بالا نیاز به انرژی زیاد و زمان کافی دارند و در مقیاس وسیع هنوز در حال بهینه سازی اند. به همین دلیل اغلب به عنوان یک روش مکمل برای تقویت کارایی UV یا کلرزنی استفاده می شوند.

روش های تصفیه ی آب فتوکاتالیستی

فرایند تصفیه ی آب فتوکاتالیستی از کاتالیزورهای نیمه هادی مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO2) بهره می گیرد که تحت تابش نور فرابنفش یا خورشید فعال شده و رادیکال های واکنش پذیر قوی مثل رادیکال هیدروکسیل تولید می کنند. این رادیکال ها توانایی بالایی در تخریب ساختار سلولی و DNA میکروارگانیسم ها داشته و موجب نابودی باکتری ها و ویروس ها می شوند. همزمان ترکیبات آلی مضر، آلاینده های شیمیایی و حتی بقایای دارویی اکسید شده و به محصولات نهایی بی خطر مانند دی اکسید کربن و آب تبدیل می گردند. ویژگی مهم این فناوری آن است که بدون استفاده از کلر عمل کرده و هیچ محصول جانبی خطرناک مانند DBP ها تولید نمی کند. آزمایش ها نشان داده اند که عبور آب از روی سطوح TiO2 تحت نور UV یا قرار گرفتن در معرض خورشید می تواند روشی موثر و سازگار با محیط زیست برای تصفیه ی آب روستایی باشد. با وجود چالش هایی در مقیاس بزرگ این فناوری یک روش مکمل نوین و آینده دار در گندزدایی آب محسوب می شود.

نمای کلی مقایسه ای از جایگزین های گندزدایی

طیف گسترده ای از مواد گندزدای جایگزین وجود دارد که هر یک نقاط قوت و محدودیت های خاص خود را دارند. هیچ روش واحدی برای همه ی شرایط کامل نیست، بهترین انتخاب به عواملی مانند کیفیت آب، مقیاس تصفیه، اهداف مقرراتی و هزینه های عملیاتی بستگی دارد. برخی روش ها گندزدایی قوی ارائه می دهند اما ممکن است پرهزینه یا پیچیده باشند، در حالی که روش های دیگر ساده و سازگار با محیط زیست هستند ولی شاید تنها تصفیه ی نسبی فراهم کنند. در بسیاری موارد متخصصان تصفیه ی آب این گزینه های جایگزین را در مقایسه با کلرزنی ارزیابی می کنند تا مشخص کنند کدام رویکرد (یا ترکیب رویکردها) به سطح حذف پاتوژن مطلوب و حاشیه های ایمنی مورد نظر دست می یابد. جدول زیر نمایی کلی مقایسه ای از روش های اصلی گندزدایی ارائه می دهد و نوع آن ها، مزایای عمده، معایب اصلی و کاربردهای معمول هر یک را در تصفیه ی آب و فاضلاب برجسته می سازد: