مقایسه اثر بخشی کلر در مقیاس های کوچک سیستم های تصفیه آب و فاضلاب

مقدمه

کلر یکی از ارکان اصلی گند زدایی آب است که به طور گسترده برای حفظ بهداشت عمومی در هر دو حوزه آب آشامیدنی و فاضلاب استفاده می شود. در سیستم های کوچک تصفیه آب و فاضلاب، کلرزنی همچنان متداول ترین و عملی ترین روش برای از بین بردن موجودات بیماری زا باقی می مانند. از تامین آب جوامع روستایی گرفته تا تصفیه خانه های غیرمتمرکز فاضلاب، اثربخشی اثبات شده و مقرون به صرفه بودن کلر آن را به گزینه ای جذاب برای بهره برداران سیستم های کوچک تبدیل کرده است. این مقاله یک مرور جامع ارائه می دهد که نحوه کاربرد و عملکرد کلر را در تصفیه آب در مقیاس کوچک در مقایسه با تصفیه فاضلاب در مقیاس کوچک بررسی می کند. مباحث کلیدی شامل مکانیزم گند زدایی کلر، کارایی آن در برابر انواع پاتوژن ها، عوامل عملیاتی موثر بر عملکرد، و مزایا و محدودیت های استفاده از کلر در این سیستم ها است. با درک این جنبه ها، بهره برداران و ذینفعان سیستم ها می توانند گند زدایی با کلر را بهتر بهینه کرده و از سلامت آب و حفاظت محیط زیست اطمینان حاصل کنند.

کلر به عنوان ماده گندزدا در آب و فاضلاب

کلر از دیرباز به عنوان ضد عفونی کننده اصلی برای تأمین کنندگان آب شناخته می شود، چرا که توانایی از بین بردن موثر باکتری ها و ویروس های بیماری زا در آب را دارد. در کاربردهای مقیاس کوچک، از جمله تأمین آب روستاها و واحدهای تصفیه فاضلاب در محل، کلر به دلیل خواص میکروب کش گسترده و هزینه نسبتاً پایین، برای گند زدایی ارزشمند است. بیش از یک قرن است که از کلرزنی برای جلوگیری از بیماری های منتقله از آب مانند وبا و حصبه استفاده می شود که به کاهش شدید شیوع این بیماری ها انجامیده است. اکثر سامانه های کوچک تامین آب آشامیدنی از کلرزنی برای اطمینان از ایمنی میکروبی آب مصرف کنندگان استفاده می کنند. به همین ترتیب، بسیاری از واحدهای کوچک تصفیه فاضلاب نیز برای گند زدایی پساب قبل از تخلیه یا استفاده مجدد، به کلر وابسته است. این امر به محافظت از جوامع پایین دست و محیط زیست کمک می کند. در این میان استفاده از محصولات با کیفیت، مانند خرید کلر نیرو کلر اصفهان ۶۵ درصد نقش مهمی در حفظ اثربخشی و پایداری فرآیند ضدعفونی دارد. چنین ترکیباتی به دلیل غلظت بالا و خلوص مناسب، قادرند با دوز کنترل‌ شده، سطحی از کلر باقی‌ مانده را حفظ کنند که مانع رشد مجدد میکروب‌ ها در شبکه توزیع آب یا مخازن ذخیره می‌ شود. در سیستم‌ های فاضلاب کوچک، دستیابی به یک کلر باقیمانده ضدعفونی‌ کننده نشان‌ دهنده آن است که پاتوژن‌ ها خنثی شده‌ اند، هرچند هر مقدار کلر باقی‌ مانده معمولاً باید حذف شود تا به موجودات آبزی هنگام تخلیه آسیب نرسد.

مکانیزم گند زدایی با کلر

کلر با حمله و تخریب شیمیایی اجزای حیاتی سلول های میکروبی آب را ضدعفونی می کند. هنگامی که کلر به آب اضافه می شود، اسید هیپوکلروس (HOCl) تشکیل می شود که یک عامل اکسید کننده قوی است و می تواند به دیواره سلول ها نفوذ کند. اسید هیپوکلروس و شکل یونیزه شده آن (یون هیپوکلریت) با آنزیم ها، پروتئین ها و مواد ژنتیکی داخل باکتری ها و ویروس ها واکنش می دهند و به طور موثر این پاتوژن ها را از بین می برند یا غیرفعال می کنند. این اختلال در عملکرد سلولی، تکثیر میکروب ها و ایجاد عفونت را متوقف می کند. فرآیند گند زدایی تحت تأثیر شیمی آب است: قدرت میکروب کشی کلر زمانی که آب کمی اسیدی تا خنثی باشد بیشترین است، چون در این شرایط HOCl فرم غالب است. در pH های بالاتر، بخش بیشتری از کلر به شکل یون هیپوکلریت OCl- تبدیل می شود که ضعیف تر است؛ به این معنا که کلر در pH بالا به آن اندازه موثر عمل نمی کنند. دما نیز نقش دارد، به طوری که آب گرم تر واکنش های ضدعفونی را تسریع می کند. در سیستم های تصفیه کوچک، اپراتورها باید عواملی مانند pH و غلظت کلر را تحت نظر داشته باشند تا اطمینان حاصل شود که واکنش شیمیایی به شکل بهینه پیش می رود. با درک مکانیزم عملکرد کلر، می توان بهتر پی برد که چگونه این ماده ساده می تواند در صورت کاربرد صحیح به طور قابل اعتماد کیفیت آب را حفظ کند.

کاربرد کلر در سیستم های کوچک تصفیه آب آشامیدنی

در سیستم های کوچک تصفیه آب آشامیدنی، معمولاً از کلرزنی به عنوان آخرین سد در برابر پاتوژن ها استفاده می شود. این سیستم ها ممکن است از چاه های تک خانواری و مخازن آب باران گرفته تا واحدهای کوچک تصفیه آب برای یک روستا یا محله روستایی را شامل شوند. کلر را می توان به صورت مایع (مانند وایتکس یا محلول هیپوکلریت سدیم) یا از طریق قرص های جامدی که به آرامی در آب حل می شوند، به آب اضافه کرد. معمولاً یک دوز اندازه گیری شده به یک مخزن ذخیره یا مستقیماً به خط لوله آب تزریق می شود تا به غلظت مشخصی از کلر آزاد برسد. هدف این است که یک کلر باقی مانده آزاد (معمولاً حدود ۰٫۲ تا ۰٫۵ میلی گرم در لیتر) در سراسر شبکه توزیع کوچک یا مخزن نگهداری حفظ شود تا آب از آلودگی مجدد مصون بماند. مزایای استفاده از کلر در تصفیه آب و فاضلاب مناطق دورافتاده دقیقاً در چنین شرایطی نمایان می‌ شود، زیرا سیستم‌ های کوچک معمولاً دسترسی محدودی به فناوری‌ های پیشرفته دارند و کلر به دلیل سادگی، اثربخشی و قابلیت نگهداری طولانی، بهترین گزینه برای آن‌ ها محسوب می‌ شود. سیستم‌ های کوچک اغلب دارای مجموعه‌ های کلرزنی ساده‌ ای مانند چکه‌ ساز محلول وایتکس یا مخازن حاوی قرص هستند، زیرا این روش‌ ها از نظر هزینه به‌ صرفه و بهره‌ برداری آسان‌ اند. زمان تماس عامل بحرانی است: حتی در یک سیستم کوچک، آب پس از افزودن کلر باید حداقل ۳۰ دقیقه بماند تا پاتوژن‌ ها غیرفعال شوند و سپس مصرف گردد. هنگامی که کلرزنی به‌ درستی مدیریت شود، تصفیه آب آشامیدنی در مقیاس کوچک به‌ طور چشمگیری خطر بیماری‌ هایی مانند اسهال، وبا و دیسانتری (اسهال خونی) را کاهش می‌ دهد و اطمینان حاصل می‌ کند که جامعه یک منبع آب آشامیدنی ایمن در اختیار دارد.

کاربرد کلر در سیستم های کوچک تصفیه فاضلاب

سیستم های کوچک تصفیه فاضلاب نیز اغلب برای گند زدایی پساب تصفیه شده قبل از رهاسازی به محیط یا استفاده مجدد از کلرزنی بهره می گیرند. این سیستم ها را می توان در بسیاری از طرح های روستایی یا سامانه های تصفیه در محل یافت. پس از آنکه فاضلاب مراحل تصفیه مقدماتی و ثانویه (برای کاهش جامدات و مواد آلی) را پشت سر گذاشت، کلر در یک مخزن تماس به جریان پساب تزریق می شود و با آن مخلوط می گردد. در بسیاری از موارد، تصفیه خانه های کوچک از قرص های جامد کلر (معمولاً هیپوکلریت کلسیم) در یک لوله کلرزنی با جریان عبوری استفاده می کنند؛ به این ترتیب که با عبور فاضلاب از کنار قرص ها، آن ها حل شده و کلر آزاد می کنند. دیگر پیکربندی ها ممکن است از تزریق محلول هیپوکلریت سدیم با پمپ استفاده کنند، اما قرص ها به دلیل سادگی و نیاز به نگهداری کمتر محبوب هستند. دوز کلر برای فاضلاب معمولاً بالاتر از آب آشامیدنی است، زیرا فاضلاب تصفیه شده کمتر زلال است و موادی در خود دارد که کلر بیشتری مصرف می کنند. زمان تماس دست کم ۳۰ دقیقه در یک مخزن بافل دار (پله دار) فراهم می شود تا اطمینان حاصل شود که پاتوژن ها به طور موثر از بین رفته اند. یک ملاحظه مهم، رفع کلرزدایی است: هر مقدار کلر باقی مانده در پساب ضدعفونی شده ممکن است قبل از تخلیه به وسیله افزودن ماده ای مانند بی سولفیت سدیم خنثی شود تا به موجودات آبزی در آب های پذیرنده آسیبی نرسد. با دوزدهی و زمان تماس صحیح، گند زدایی با کلر در سیستم های کوچک فاضلاب می تواند به طور قابل ملاحظه ای باکتری ها و ویروس های روده ای را کاهش داده و به حفظ سلامت عمومی و کیفیت آب در پایین دست کمک کند.

اثربخشی کلر در برابر باکتری ها، ویروس ها و پروتوزوآها

کلر در خنثی سازی بسیاری از میکروارگانیسم های مضر بسیار موثر است، اما میزان اثربخشی آن در برابر انواع مختلف پاتوژن ها متفاوت است. باکتری ها عموماً به راحتی با کلر از بین می روند – باکتری های بیماری زا نظیر اشریشیا کلی (E. coli)، سالمونلا و ویبریو کلرا در مواجهه با سطح مناسب کلر و زمان تماس کافی به سرعت غیرفعال می شوند. ویروس ها کمی مقاوم تر از باکتری ها هستند، اما اغلب ویروس های روده ای (مانند روتاویروس و نوروویروس) نیز اگر زمان تماس کافی داده شود، به طور موثری توسط کلر نابود می شوند. در مقابل، برخی انگل های تک یاخته چالش بسیار بزرگ تری ایجاد می کنند. تک یاخته هایی مانند ژیاردیا لامبلیا (عامل ژیاردیاز) دارای کیست هایی هستند که در برابر کلر مقاوم ترند و برای غیرفعال شدن به دوزهای بالاتر یا تماس طولانی تر نیاز دارند. انگل مشکل سازتر کریپتوسپوریدیوم است، اووسیست های این انگل پوسته ضخیمی دارند که آن ها را در برابر کلر با غلظت های معمول در تصفیه آب بسیار مقاوم می کند، به طوری که گند زدایی معمول با کلر این عوامل را به طور قابل اعتماد حذف نمی کند. همین امر در مورد تخم های برخی کرم های انگلی که ممکن است در فاضلاب حضور داشته باشند صدق می کند؛ کلر به تنهایی غالباً نمی تواند به آن ها نفوذ کند و مراحل تصفیه جایگزین یا تکمیلی نیاز است. بنابراین، اگرچه کلر می تواند در سیستم های کوچک اکثر باکتری ها و بسیاری از ویروس ها را با نرخ ۹۹ تا ۱۰۰ درصد نابود کند، اما در برابر برخی پروتوزوآها و کرم ها به طور کامل موثر نیست و این ضرورت استفاده از رویکردهای چند سد مانند فیلتراسیون یا UV را هنگامی که چنین ارگانیسم هایی مورد نگرانی هستند برجسته می کند.

تاثیر عوامل کیفیت آب بر کارایی کلر

اثربخشی کلر در تصفیه مقیاس کوچک به طور قابل توجهی تحت تاثیر پارامترهای کیفیت آب قرار دارد. یکی از عوامل مهم pH است: شکل میکروب کش کلر (اسید هیپوکلروس) در pH های پایین تر (حدود ۶ تا ۷٫۵) غالب است. در pH های بالاتر، کلر به سمت فرم ضعیف تر هیپوکلریت تغییر می کند که قدرت گند زدایی را کاهش می دهد. بنابراین، سیستم های کوچک باید pH را پایش کرده و در صورت لزوم تنظیم کنند تا کلرزنی بهینه شود. عامل مهم دیگر کدورت یا حضور ذرات معلق است. اگر آب (یا پساب خروجی) حاوی رسوبات یا مواد آلی باشد، این ذرات می توانند میکروارگانیسم ها را از تماس با کلر محافظت کرده و نیز کلر را مصرف کنند (پدیده ای که به عنوان تقاضای کلر شناخته می شود). برای اینکه کلر موثر عمل کند، ایده آل است که پیش از گند زدایی، آب از نظر جامدات زلال یا فیلتر شود. دما نیز تاثیر دارد: آب سردتر سرعت واکنش های شیمیایی را کاهش می دهد و ممکن است برای دستیابی به همان سطح نابودی پاتوژن نیاز به زمان تماس طولانی تر یا دوز کمی بیشتر کلر باشد. در فاضلاب، پارامترهای اضافی کیفیت آب مانند مقادیر آمونیاک یا نیتریت نیز مهم اند زیرا این مواد با کلر واکنش می دهند. آمونیاک می تواند به تشکیل کلرامین ها منجر شود که ضدعفونی کننده های ضعیف تری هستند و با این کار کلری را که می توانست میکروب ها را بکشد، به خود اختصاص می دهند. به طور کلی، درک و کنترل این عوامل کیفیت آب در سیستم های کوچک برای اینکه کلر حداکثر اثربخشی را داشته باشد حیاتی است.

تفاوت های کلیدی بین کلرزنی در آب و فاضلاب

سیستم های کوچک تصفیه آب و تصفیه فاضلاب هر دو از کلر استفاده می کنند، اما زمینه ها و چالش های استفاده از آن در این دو متفاوت است. در کاربردهای آب آشامیدنی، منبع آب معمولاً بسیار زلال تر و دارای مواد آلی کمتری نسبت به فاضلاب است. این بدان معناست که کلر در یک سیستم کوچک آب با تقاضای کلر کمتری روبروست و می تواند با دوز نسبتاً کم تری ضدعفونی موثر را انجام دهد. هدف در تصفیه آب، حذف کامل تمامی پاتوژن ها از آب آشامیدنی و حفظ یک کلر آزاد باقی مانده محافظ در سراسر شبکه توزیع (غالباً ۰٫۲–۰٫۵ میلی گرم در لیتر) است تا از هرگونه آلودگی که ممکن است پس از تصفیه وارد شود جلوگیری گردد. در مقابل، پساب خروجی فاضلاب در مقیاس کوچک دارای سطوح بالاتری از جامدات معلق، ترکیبات آلی و احتمالاً آمونیاک است که همه آن ها کلر را مصرف می کنند و کار ضدعفونی را دشوارتر می سازند. کلرزنی فاضلاب معمولاً به دوز بالاتر کلر نیاز دارد تا کاهش مورد نظر در باکتری ها و ویروس های مدفوعی محقق شود. علاوه بر این، در حالی که در کلرزنی آب آشامیدنی عمداً یک باقی مانده کلر برای حفاظت مداوم باقی گذاشته می شود، گند زدایی فاضلاب هدفش اجتناب از باقی ماندن هرگونه کلر آزاد تا پایان فرآیند است، زیرا کلر باقیمانده می تواند به ماهی ها و اکوسیستم های آبی آسیب برساند. در نتیجه، رفع کلر (استفاده از مواد شیمیایی برای حذف کلر) اغلب به عنوان یک گام لازم پس از ضدعفونی فاضلاب انجام می شود. تفاوت مهم دیگر در محصولات جانبی است: در آب شرب کلرزنی شده، تنظیم کنندگان بر محدود کردن محصولات جانبی گند زدایی (مانند تری هالومتان ها) برای ایمنی مصرف کننده تمرکز می کنند، در حالی که در فاضلاب نگرانی بیشتر درباره سمیت فوری کلر برای محیط زیست است. پیکربندی عملیاتی نیز متفاوت است: سیستم های کوچک آب ممکن است از پمپ های تزریق درون خطی یا کلرزنی به صورت دسته ای استفاده کنند، اما بسیاری از سیستم های کوچک فاضلاب به دلیل سادگی از قرص کلرزنی های آسان بهره می گیرند. جدول زیر تفاوت های کلیدی بین کلرزنی در سیستم های کوچک آب و فاضلاب را خلاصه می کند:

زمان تماس و نیازمندی های کلر باقی مانده

دستیابی به زمان تماس صحیح برای اثربخشی کلرزنی در هر سیستم تصفیه ای ضروری است. زمان تماس عبارت است از مدت زمانی که کلر با آب (یا فاضلاب) در تماس است قبل از آنکه به اولین مصرف کننده یا نقطه تخلیه برسد. حاصلضرب غلظت کلر و زمان تماس که اغلب به صورت CT بیان می شود یک پارامتر کلیدی است که برای اطمینان از دریافت دوز کافی در طول زمان برای کشتن پاتوژن های هدف استفاده می شود. سیستم های مقیاس کوچک باید طوری طراحی یا بهره برداری شوند که حداقل زمان تماس (معمولاً ۲۰ تا ۳۰ دقیقه) را در حداکثر دبی فراهم کنند که این کار را می توان با استفاده از مخازن ذخیره، لوله کشی مارپیچ، یا حوضچه های تماس با دیواره های هدایت کننده انجام داد. برای مثال یک سیستم کوچک آب آشامیدنی ممکن است آب را در یک مخزن یا چاهک تمیز کلرزنی کند و آن را برای نیم ساعت نگه دارد تا پیش از توزیع به سطح گند زدایی مطلوب برسد. در این مدت، حفظ یک کلر آزاد باقی مانده قابل اندازه گیری اهمیت دارد، زیرا نشان می دهد که ظرفیت ضدعفونی پس از واکنش کلر با هرگونه ناخالصی همچنان موجود است. در واقع مقررات اغلب الزام می کنند که حداقل غلظت مشخصی از کلر آزاد (مثلاً ۰٫۲ میلی گرم در لیتر) در دورترین نقطه شبکه توزیع حفظ شود. در سیستم های فاضلاب، یک کلر باقی مانده در انتهای حوضچه تماس اندازه گیری می شود تا اطمینان حاصل شود که گند زدایی انجام شده است؛ اما برخلاف آب شرب، آن کلر باقی مانده معمولاً پیش از رهاسازی پساب حذف یا خنثی می شود. در هر دو حالت ایجاد تعادل دقیق بین دوز کلر و زمان تماس به تحقق استانداردهای بهداشت عمومی کمک می کند و در عین حال از مصرف بیش از حد مواد شیمیایی جلوگیری می کند.

تقاضای کلر و ملاحظات تعیین دوز

تقاضای کلر یک مفهوم مهم در تعیین دوز صحیح در سیستم های کوچک آب و فاضلاب است. هنگامی که کلر به آب تصفیه نشده یا نیمه تصفیه شده اضافه می شود، بخشی از آن بلافاصله با مواد موجود در آب واکنش داده و پیش از آنکه فرصت ضدعفونی میکروارگانیسم‌ها را بیابد مصرف می شود. این مصرف را تقاضای کلر می نامند. مواد آلی، سولفید هیدروژن، آهن، منگنز و آمونیاک نمونه هایی از موادی هستند که با کلر واکنش می دهند. در یک سیستم کوچک آب، اگر منبع آب حاوی مواد آلی طبیعی زیادی باشد، بخش عمده ای از کلر اضافه شده ابتدا توسط آن مواد مصرف خواهد شد؛ بنابراین اپراتور باید به اندازه ای کلر اضافه کند که آن تقاضا را برآورده کرده و هنوز یک کلر آزاد باقی مانده برای ضدعفونی باقی بگذارد. دوز مورد نیاز در اصل برابر است با تقاضای کلر به علاوه کلر باقی مانده مطلوب. سیستم های کوچک فاضلاب اغلب با تقاضای کلر قابل توجهی مواجه اند، زیرا حتی پس از تصفیه نیز پساب حاوی ترکیبات آلی باقی مانده و گاهی آمونیاک است. این مواد با کلر ترکیب شده و کلرامین ها یا سایر محصولات جانبی را تشکیل می دهند و بخشی از دوز را مصرف می کنند. مفهوم کلرزنی در نقطه شکست (Breakpoint) نیز مرتبط است: این نقطه ای است که در آن به اندازه کافی کلر اضافه شده تا تمام تقاضا (از جمله واکنش با آمونیاک) برآورده شود، به طوری که هر کلر اضافی منجر به تشکیل کلر آزاد می شود که برای کشتن پاتوژن ها در دسترس است. رسیدن به این نقطه برای ضدعفونی موثر حیاتی است. در عمل، اپراتور یک سیستم کوچک کلر باقی مانده را پس از دوزدهی پایش می کند اگر هیچ کلر باقیمانده ای تشخیص داده نشود، به این معناست که کل دوز توسط ناخالصی ها مصرف شده و باید مقدار بیشتری کلر اضافه شود. ملاحظات صحیح در تعیین دوز، اطمینان می دهد که کلر کمتر از حد (که منجر به ضدعفونی ناکافی می شود) یا بیش از حد (که باعث هدر رفت ماده شیمیایی و احتمالاً ایجاد محصولات جانبی بیش از حد می شود) اضافه نشود.

روش های کلرزنی و انواع کلر برای سیستم های کوچک

چندین شکل از کلر و روش کلرزنی در سیستم های مقیاس کوچک به کار می روند که هر کدام ملاحظات عملی خود را دارند. سه شکل اصلی عبارتند از گاز کلر، کلر مایع (محلول هیپوکلریت سدیم) و ترکیبات جامد کلر (معمولاً هیپوکلریت کلسیم). گاز کلر (Cl2) شکل خالص کلر است و بسیار موثر و اقتصادی است، اما فشرده و به شدت سمی است که باعث می شود در تاسیسات بسیار کوچک کمتر رایج باشد، زیرا ایمنی بالایی می طلبد. اغلب سیستم های کوچک به جای آن از گزینه های ایمن تر استفاده می کنند. هیپوکلریت سدیم اساساً همان وایتکس مایع است؛ این ماده به طور گسترده استفاده می شود زیرا به راحتی می توان آن را با یک پمپ ساده یا حتی به صورت دستی به صورت پیمانه ای دوز کرد. تاسیسات کوچک تصفیه آب ممکن است یک پمپ اندازه گیر داشته باشند که محلول رقیق وایتکس را به جریان آب تزریق کند. هیپوکلریت کلسیم به صورت گرانول یا قرص در دسترس است (معمولاً حدود ۶۵% کلر مؤثر دارد) و برای استفاده در مقیاس کوچک محبوب است، به ویژه در مناطق دور افتاده یا سیستم های غیرمتمرکز، زیرا در فرم جامد پایداری طولانی تری دارد. دستگاه های قرص کلرزنی در سیستم های کوچک فاضلاب و حتی برخی چاه های آب رایج هستند، آب در یک محفظه بر روی قرص ها جریان می یابد و آن ها را به تدریج حل می کند. این روش بهره برداری را ساده کرده و نیاز به پمپ برقی را کاهش می دهد. هر شکل کلر نیاز به نگهداری دقیق دارد: وایتکس مایع با گذشت زمان تخریب می شود (خصوصاً در گرما یا زیر نور خورشید)، و قرص های هیپوکلریت کلسیم باید در جای خشک و دور از مواد آلی نگهداری شوند تا از واکنش های خطرناک جلوگیری شود. با این حال، در اختیار داشتن اشکال متعدد کلر به بهره برداران سیستم های کوچک اجازه می دهد روشی را انتخاب کنند که با توان فنی بودجه و نیازهای ایمنی آن ها سازگارتر است.