فرآیند کلرزنی در تصفیه آب شهری

مقدمه

فرآیند کلرزنی در تصفیه آب شهری از ارکان اصلی سلامت عمومی است و اطمینان می دهد که آب آشامیدنی از میکروب های بیماری زا در امان باشد. این روش گندزدایی شیمیایی شامل افزودن کلر به آب برای کشتن باکتری ها، ویروس ها و سایر پاتوژن هایی است که می توانند موجب بیماری هایی مانند وبا, اسهال خونی و حصبه شوند. در طول یک قرن گذشته کلرزنی بسیاری از بیماری های مرگبار منتقله از طریق آب را به طور چشمگیری ریشه کن کرده اند و کیفیت زندگی میلیون ها نفر را متحول ساخته است. کلرزنی همچنان متداول ترین روش گندزدایی آب در سراسر جهان است، چرا که اثربخشی بالایی دارد و کلر باقیمانده ای در آب برجای می گذارد که هنگام حرکت آب در شبکه توزیع از آلودگی مجدد آن جلوگیری می کند.

اهمیت کلرزنی در تأمین آب شرب عمومی

کلرزنی به عنوان یکی از بزرگ ترین پیشرفت های تأمین آب شرب عمومی شناخته می شود. پیش از رواج این روش، شهرها به کرات دچار شیوع بیماری های منتقله از آب می شدند، اما گندزدایی پیوسته آب آشامیدنی با کلر وقوع آن بیماری ها و مرگ و میر ناشی از آن ها را به شدت کاهش داد. با از بین بردن میکروارگانیسم های مضر در آب و حفظ اثربخشی باقیمانده هنگام حرکت آب در لوله ها، کلر تضمین می کند که آب لوله کشی تا لحظه مصرف از نظر میکروبی ایمن باقی بماند. این حفاظت پیوسته ویژگی منحصر به فرد کلرزنی است بر خلاف برخی روش های دیگر اثر کلر در شبکه توزیع نیز تداوم دارد و جلوی رشد دوباره باکتری ها را می گیرد. این شیوه در سراسر جهان استاندارد شد زیرا برای جوامع کوچک و بزرگ روشی قابل اعتماد و مقرون به صرفه بود. بسیاری از متخصصان، ترکیب فیلتراسیون و کلرزنی آب را شاید مهم ترین بهبود در زمینه بهداشت عمومی دوران معاصر دانسته اند. به لطف کلرزنی جوامع توانسته اند تهدید هایی مانند وبا و حصبه را عملاً از منابع آب خود حذف کنند و داشتن آب آشامیدنی ایمن در شهرهای امروز امری بدیهی شده است.

نقاط عطف تاریخی در کلرزنی آب

استفاده از کلر برای تصفیه آب در قرن نوزدهم آغاز شد و در اوایل قرن بیستم شتاب گرفت. در اواخر ۱۸۰۰ میلادی از کلر در برخی مناطق برای رفع بوهای بد آب استفاده می شد، زیرا مردم آن زمان معتقد بودند بوی بد آب باعث بیماری است. تا سال ۱۸۹۰ میلادی دانشمندان قدرت واقعی کلر در گندزدایی و کشتن میکروب ها را ثابت نکرده بودند. یک پیشرفت عمده در ۱۹۰۸ رخ داد، زمانی که شهر جرزی سیتی در نیوجرسی اولین شهر آمریکا شد که برای مهار تب حصبه به طور پیوسته به آب شهری خود کلر اضافه کرد. نتیجه بلافاصله موفقیت آمیز بود نرخ بیماری های منتقله از آب شدیداً افت کرد و افکار عمومی که در ابتدا تردید داشت، مثبت شد. تا دهه ۱۹۱۰، شهرهای سراسر ایالات متحده، کانادا و اروپا با سرعت زیادی کلرزنی آب را پذیرفتند. طی چند سال، هزاران سیستم آب شهری اقدام به کلرزنی آب کردند که به افت شدید بیماری هایی مانند وبا، اسهال خونی و حصبه انجامید. تا اواسط قرن بیستم کلرزنی (اغلب همراه با فیلتراسیون) به رویه ای استاندارد در جهان بدل شد. این فراگیر شدن کلرزنی که جان شمار بی شماری از مردم را نجات داد، یکی از دلایل اصلی است که امروزه داشتن آب لوله کشی تمیز و عاری از بیماری در بیشتر نقاط جهان بدیهی قلمداد می شود.

شیمی گندزدایی با کلر

وقتی کلر به آب اضافه می شود، واکنش های شیمیایی رخ می دهد که عوامل گندزدای قوی ای تولید می کنند. ترکیب اصلی تشکیل شده اسید هیپوکلروس (HOCl) است، همراه با مقدار کمتری یون هیپوکلریت (OCl⁻)؛ این دو ماده در مجموع کلر آزاد نامیده می شوند. اسید هیپوکلروس خنثی و کوچک است و به راحتی به دیواره سلولی میکروب ها نفوذ می کند. HOCl پس از ورود به یک باکتری یا ویروس، ترکیبات حیاتی آن سلول را اکسید و تخریب می کند پروتئین ها، لیپیدها و حتی DNA را هدف قرار داده و بدین ترتیب پاتوژن را می کشد یا غیر فعال می سازد. قدرت گندزدایی کلر به شدت تحت تأثیر pH آب است: در pH پایین تر کلر بیشتر به صورت اسید هیپوکلروس (شکل قوی تر) وجود دارد، در حالی که در pH بالاتر بخش بیشتری به یون هیپوکلریت (شکل ضعیف تر که به آسانی وارد سلول نمی شود) تبدیل می شود. با این حال در محدوده pH معمول آب آشامیدنی، کلر آزاد به سرعت اغلب باکتری ها و ویروس ها را از بین می برد. خاصیت اکسید کنندگی کلر نه تنها میکروب ها را غیر فعال می کند بلکه می تواند برخی آلاینده های محلول را نیز اکسید کند (مثلاً به حذف آهن یا سولفید هیدروژن که باعث کدورت یا بو هستند کمک می کند).

اشکال متداول کلر در تصفیه آب

در عمل برای گندزدایی از آب شهری چند شکل مختلف از کلر به کار می رود که هر کدام مزایا و ملاحظات خاص خود را در کاربری دارند. سه شکل متداول عبارت اند از گاز کلر، هیپوکلریت سدیم مایع و هیپوکلریت کلسیم جامد. گاز کلر (Cl₂) ارزان ترین شکل است و معمولاً در تصفیه خانه های بزرگ استفاده می شود، اما به شدت سمی است و نگهداری ایمن و اپراتورهای ماهر نیاز دارد. هیپوکلریت سدیم (NaOCl) یا همان مایع سفید کننده (وایتکس) کار با آن ایمن تر است و به راحتی با پمپ تزریق می شود، هرچند حمل آن حجیم تر است و با گذشت زمان نیز ممکن است تجزیه شود. هیپوکلریت کلسیم (Ca(OCl)₂) یک ماده جامد (گرانول یا قرص) است که معمولاً در سامانه های کوچک تر یا به عنوان گندزدایی پشتیبان به کار می رود؛ ماندگاری طولانی دارد ولی باید با احتیاط جابه جا شود زیرا اکسید کننده ای قوی است (می تواند در تماس با سوخت ها یا مواد آلی واکنش خطرناک نشان دهد). در همین زمینه استفاده و خرید پودر کلر برای مراکز کوچک و استخرها نیز رایج است، چرا که هم حمل ساده‌ تری دارد و هم در شرایط مناسب نگهداری، پایداری بیشتری نشان می‌ دهد. گاز کلر و مایع سفیدکننده در سراسر جهان به وفور در دسترس است و همه این اشکال، کلر آزاد فعال یکسانی را در آب تولید می کنند. انتخاب نوع کلر به عواملی نظیر اندازه سیستم، هزینه، امکانات ذخیره سازی و ملاحظات ایمنی بستگی دارد. برخی تأسیسات نیز با استفاده از نمک (الکترولیز) کلر را در محل تولید می کنند تا از حمل حجم زیاد مواد شیمیایی جلوگیری کنند.

فرآیند معمول کلرزنی در تصفیه خانه

در یک تصفیه خانه آب شهری معمول کلرزنی آخرین گام پس از عمل فیلتراسیون است. اپراتورها مقدار کلر لازم را بر اساس دبی جریان و کیفیت آب تعیین می کنند و سپس کلر (به صورت گاز یا محلول) را به جریان آب تزریق می کنند. آب به سرعت و به خوبی مخلوط می شود تا کلر توزیع یکنواختی داشته باشد و سپس برای مدت زمان معینی در یک حوض تماس یا لوله بزرگ رها می شود تا پیش از ورود آب به شبکه، میکروب ها فرصت تماس و انهدام کامل با کلر را داشته باشند. تکنسین ها طی این فرآیند با تست های آزمایشگاهی یا حسگرهای آنلاین، کلر باقی مانده را پایش می کنند تا مطمئن شوند پس از زمان تماس مقرر هنوز مقدار کافی ماده گندزدا در آب باقی مانده است. کلرزنی پس از فیلتراسیون متداول ترین روش است زیرا در آن مرحله آب شفاف تر (حاوی ذرات و مواد آلی کمتر) است و این امر کارایی گندزدایی را بالاتر می برد و تشکیل محصولات جانبی را کاهش می دهد. پیش کلرزنی (افزودن کلر به آب خام ورودی) به طور تاریخی برای کنترل رشدهای زیستی استفاده می شد اما امروزه به دلیل نگرانی از واکنش های شیمیایی اضافی پیش از فیلتراسیون رایج نیست. در برخی شبکه های بزرگ توزیع، ایستگاه های تقویت کلر در مسیر تعبیه شده اند تا از طریق تزریق مجدد کلر در نقاط پایین دست، میزان باقی مانده کلر را تا رسیدن آب به دورترین مشترکان حفظ کنند.

زمان تماس کلر و مفهوم CT

اثربخشی گندزدایی به هم غلظت کلر و هم مدت زمان تماس آب با آن وابسته است. این دو عامل در مفهوم CT لحاظ می شود که حاصل ضرب غلظت ماده گندزدا C بر حسب میلی گرم در لیتر و زمان تماس T بر حسب دقیقه است. برای مثال، اگر آبی با ۱ میلی گرم در لیتر کلر به مدت ۱۰ دقیقه تماس داشته باشد، CT برابر ۱۰ میلی گرم دقیقه بر لیتر خواهد بود. دستورالعمل ها مقادیر حداقل CT لازم برای دستیابی به سطوح خاصی از حذف پاتوژن ها را مثلاً ۹۹٫۹٪ حذف کیست Giardia یا ۹۹٫۹۹٪ غیر فعال سازی ویروس ها تحت شرایط گوناگون تعیین می کنند. اگر شرایط آب کمتر مساعد باشد مثلاً آب بسیار سرد باشد یا pH بالایی داشته باشد CT بیشتری لازم است تا همان میزان گندزدایی حاصل شود، زیرا در آن شرایط سرعت اثرگذاری کلر کندتر می شود. در عمل غلظت بالاتر کلر می تواند زمان تماس کوتاه تر را جبران کند و بر عکس تا سطح مورد نظر از گندزدایی به دست آید. اپراتورها دوز کلر را تنظیم کرده و زمان تماس کافی فراهم می کنند تا الزامات CT مقرراتی پیش از ورود آب به شبکه رعایت شود. کلر نیز برای اینکه به طور مؤثر عمل کند، به زمان کافی نیاز دارند و این امر به ویژه در مورد میکروب های مقاوم تر اهمیت دارد؛ بنابراین مدیریت صحیح CT بخش مهمی از طراحی و بهره برداری فرآیند است.

عوامل مؤثر بر اثربخشی کلرزنی

چندین عامل کیفی آب می توانند بر کارایی گندزدایی با کلر اثر بگذارند. یکی از عوامل اصلی pH است: کلرزنی در آب نسبتاً اسیدی تا خنثی بهترین عملکرد را دارد. در pH پایین، کلر بیشتر به شکل اسید هیپوکلروس (عامل گندزدای قوی تر) است و در pH بالای حدود ۸، بخش بیشتری به شکل یون هیپوکلریت (عامل کندتر) وجود دارد. دما نیز نقش مهمی دارد کلر در آب گرم سریع تر عمل می کند و در آب سرد بسیار کندتر، به این معنی که در آب سرد ممکن است برای دستیابی به همان میزان گندزدایی، دوز بالاتر یا زمان تماس طولانی تری نیاز باشد. عامل مهم دیگر کدورت و محتوای آلی آب است. ذرات معلق و مواد آلی محلول در آب، کلر را مصرف می کنند و نیز ممکن است پناهگاهی برای میکروب ها ایجاد کنند که جلوی تماس آن ها با ماده ضدعفونی کننده را بگیرد. اگر آب کدر یا سرشار از مواد آلی طبیعی باشد، بخش زیادی از کلر صرف واکنش با آن مواد می شود و تا زمانی که آن نیاز برآورده نشده، کلر کمتری برای حمله به میکروب ها باقی می ماند. حضور برخی ترکیبات شیمیایی هم می تواند مؤثر باشد. به عنوان نمونه آمونیاک در آب با کلر واکنش داده و کلرامین ها (کلر ترکیبی) را تشکیل می دهد که توان گندزدایی کمتری دارند. در مجموع، آبی که pH پایین، دمای نسبتاً گرم و کدورت و آلودگی کمی داشته باشد، به کلر اجازه می دهد به صورت بهینه عمل کند؛ در مقابل در شرایط دشوار برای اطمینان از گندزدایی مؤثر باید دوزهای بالاتر کلر یا زمان تماس بیشتری به کار برده شود.

کلرزنی تا نقطه شکست و نیاز کلر

وقتی کلر به آب افزوده می‌شود بخشی از آن پیش از ایجاد باقی‌ مانده، با مواد آلی، فلزات و به‌ ویژه آمونیاک واکنش می‌ دهد که این مقدار به عنوان نیاز کلر شناخته می‌ شود. برای تأمین گندزدایی مؤثر، باید کلر به اندازه‌ای افزوده شود که این نیاز کاملاً برطرف گردد. این مرحله نقطه شکست نام دارد. در آب‌ های حاوی آمونیاک، دوزهای اولیه کلر باعث تشکیل کلرامین ‌ها می ‌شود که اثر گندزدایی ضعیف‌ تری دارند. با افزودن کلر بیشتر، آمونیاک کاملاً اکسید شده و پس از نسبت وزنی حدود ۸:۱ تا ۱۰:۱ کلر به آمونیاک، کلرامین ‌ها شکسته و کلر آزاد ظاهر می‌ گردد. از آن پس هر مقدار کلر اضافی به طور مستقیم باقی ‌مانده آزاد در آب ایجاد می‌ کند. اپراتورهای تصفیه همواره کلر را فراتر از نقطه شکست تزریق می‌ کنند تا آب خروجی دارای کلر آزاد قابل اندازه ‌گیری و ایمن باشد. این کار علاوه بر تضمین گندزدایی قوی ‌تر، معمولاً موجب بهبود بو و طعم آب نیز می ‌شود، در حالی‌که استفاده تنها از کلرامین ‌ها ممکن است گندزدایی ناکافی داشته باشد.

حفظ باقی مانده کلر در سیستم توزیع

یکی از مزیت‌ های مهم کلرزنی این است که پس از تصفیه، مقدار کمی کلر آزاد در آب باقی می ‌ماند و طی حرکت در شبکه توزیع همچنان نقش گندزدایی ایفا می ‌کند. این باقی ‌مانده معمولاً بین ۰٫۲ تا ۱ میلی ‌گرم در لیتر است و همچون یک سپر ایمنی، از ورود آلودگی ‌های احتمالی جلوگیری کرده و مانع تشکیل لایه‌ های زیستی در دیواره لوله ‌ها می ‌شود. اپراتورها به طور منظم سطح کلر را در نقاط مختلف شبکه اندازه‌ گیری می ‌کنند تا مطمئن شوند حداقل مقدار مورد نیاز در دورترین نقاط نیز وجود دارد. در صورت افت سطح کلر، از روش‌ هایی مانند باز کردن هیدرانت ‌ها یا استفاده از ایستگاه‌ های تقویت ‌کننده کلر برای احیای باقی ‌مانده استفاده می ‌شود. برخی سیستم‌ ها به جای کلر آزاد از کلرامین بهره می ‌برند که اگرچه قدرت کمتری دارد، اما پایداری بیشتری داشته و قادر است باقی ‌مانده را تا فاصله ‌های طولانی ‌تر حفظ کند.

تشکیل محصولات جانبی گندزدایی (DBPs) در کلرزنی

کلرزنی روشی بسیار موثر برای نابودی پاتوژن‌ ها است، اما می ‌تواند منجر به تشکیل محصولات جانبی ناخواسته شود. این ترکیبات هنگامی ایجاد می ‌شوند که کلر با مواد آلی طبیعی موجود در منابع آب سطحی، مانند بقایای گیاهی واکنش دهد. مهم ‌ترین محصولات جانبی گندزدایی یا DBPs شامل دو گروه اصلی تری ‌هالومتان‌ ها (THMs) و هالو استیک اسیدها (HAAs) هستند. کلروفرم به عنوان یک THM متداول اغلب در آب‌ های کلرزده دیده می ‌شود. تحقیقات نشان داده ‌اند که مصرف طولانی ‌مدت مقادیر زیاد THMها و HAAها می‌ تواند خطر بروز برخی سرطان ‌ها و دیگر مشکلات سلامتی را افزایش دهد. به همین دلیل مقررات بین ‌المللی محدودیت ‌های سختگیرانه ‌ای برای این ترکیبات وضع کرده‌ اند؛ به عنوان نمونه حد مجاز مجموع THMs در آمریکا ۸۰ قسمت در میلیارد است. تشکیل DBPs در شرایطی مانند غلظت بالای مواد آلی، دمای بالا، یا دوز و زمان تماس زیاد کلر افزایش می ‌یابد. همچنین وجود برمید در آب می ‌تواند باعث تولید ترکیبات برم ‌دار مانند برموفرم یا برمات شود. برای کاهش خطر، تأمین‌ کنندگان آب با پایش و تنظیم فرآیندها تلاش می ‌کنند تعادل بین اثربخشی گندزدایی و حداقل ‌سازی DBPs را حفظ کنند.

کلرزنی در برابر روش های جایگزین گندزدایی

کلرزنی پرکاربردترین روش گندزدایی آب شهری است، اما فناوری‌ های جایگزین متعددی نیز وجود دارند. کلرامین با افزودن آمونیاک به کلر تشکیل می‌ شود و اگرچه اثر ضعیف ‌تری نسبت به کلر آزاد دارد، اما باقی ‌مانده طولانی ‌تری در شبکه ایجاد می ‌کند و محصولات جانبی کمتری تولید می ‌نماید. ازن یک گندزدای بسیار قوی است که حتی بر پروتوزوآ مقاوم نیز اثرگذار است، اما به سرعت از بین می‌ رود و نیازمند گندزدای ثانویه و تجهیزات پرهزینه است. گندزدایی فرابنفش (UV) نیز بدون افزودن مواد شیمیایی و با تخریب DNA میکروارگانیسم‌ ها عمل می ‌کند، ولی باقی ‌مانده ‌ای بر جای نمی ‌گذارد و در آب کدر کارایی کاهش می ‌یابد. دی ‌اکسید کلر نیز در محل تولید می ‌شود، در برابر باکتری و ویروس مؤثر است و محصولات جانبی متفاوتی ایجاد می ‌کند، اما باقی‌ مانده پایداری ندارد. روش‌ های نوین مانند اکسیداسیون پیشرفته یا یونیزاسیون مس و نقره نیز به ‌کار می ‌روند. در عمل بسیاری از تصفیه ‌خانه ‌های مدرن ترکیبی از این روش ‌ها را برای دستیابی به ایمنی و کارایی بالاتر به کار می ‌گیرند.

هر کدام از این روش ها می توانند به تامین آب شرب ایمن کمک کنند و انتخاب آن ها معمولاً به نیازها و امکانات خاص هر سیستم آبی بستگی دارد. کلرزنی با این حال همچنان پرکاربردترین اساس گندزدایی در تصفیه آب شهری است که به دلیل قابل اعتماد بودن، مقرون به صرفه بودن و حفاظت باقی مانده ای که در شبکه توزیع فراهم می کند، جایگاه خود را حفظ کرده است.