کاربردهای تخصصی کلر در تصفیه آب و فاضلاب

مقدمه

خرید کلر بیش از یک قرن است که سنگ بنای گند زدایی آب بوده و نقش محوری در حفاظت از بهداشت عمومی ایفا کرده اند. از شبکه های آب شهری گرفته تا چاه های روستایی، فرایند های مبتنی بر کلر تضمین می کنند که بیماری های منتقله از آب مهار شوند. در مدیریت فاضلاب نیز از کلر به عنوان یک عامل مطمئن برای خنثی سازی پاتوژن ها پیش از رها سازی پساب تصفیه شده به محیط استفاده می شود. همچنین انعطاف پذیری کلر که به صورت گاز، مایع یا ترکیبات جامد در دسترس است امکان به کار گیری آن در مراحل مختلف تصفیه را فراهم می کند.

کلر به عنوان گندزدای اصلی در تصفیه آب آشامیدنی

کلر به دلیل کارایی اثبات شده و هزینه نسبتاً پایین، به طور گسترده ای به عنوان گندزدای اصلی در تصفیه آب آشامیدنی شهری استفاده می شود. پس از مرحله فیلتراسیون، معمولاً دوز محاسبه شده ای از کلر به آب افزوده می شود تا باکتری ها، ویروس ها و بسیاری از انگل های بیماری زا مانند وبا یا حصبه را از بین ببرد. کلر باقی مانده در شبکه توزیع آب تضمین می کند که میکروب ها در مسیر رسیدن آب به شیر مصرف کننده نیز غیرفعال بمانند. این حفاظت پسماندی مزیتی است که کلر را از روش های غیر شیمیایی مانند نور فرابنفش متمایز می کند، زیرا از رشد دوباره میکروبی در لوله ها و مخازن ذخیره جلوگیری می کند. طی دهه های گذشته، کلرزنی شیوع بیماری های منتقله از آب را در سراسر جهان به شدت کاهش داده اند و جان بی شماری را نجات داده اند. به کار گیری گندزدایی با کلر در اوایل قرن بیستم اغلب به عنوان عاملی مهم در بهبود سلامت عمومی شهر ها یاد می شود، به طوری که عملاً بیماری هایی مانند وبا را از منابع آب شهری مدرن حذف کرد. این روش همچنین انعطاف پذیر است و می تواند برای جوامع کوچک یا شهر های بزرگ مقیاس بندی شود. امروزه مقررات بهداشتی در بسیاری از کشور ها ایجاب می کند که آب آشامیدنی تصفیه شده گند زدایی شود و کلر همچنان ستون فقرات ایمنی آب آشامیدنی در اکثر نقاط جهان باقی مانده است.

سازوکار اثرگذاری کلر بر پاتوژن ها

قدرت گند زدایی کلر ناشی از خاصیت اکسید کنندگی قوی آن بر سلول های میکروبی است. وقتی کلر به آب افزوده می شود، اسید هیپوکلروس (HOCl) و یون های هیپوکلریت (OCl-) تشکیل می دهد. این ترکیبات می توانند به دیواره سلولی باکتری ها و ویروس ها نفوذ کنند. این گونه های کلر دار اجزای حیاتی سلول را مختل می کنند؛ برای مثال پروتئین ها و آنزیم ها اکسید کرده، به اسید های نوکلئیک آسیب می زنند و لیپید های غشا سلول را تجزیه می کنند. در نتیجه میکروارگانیسم ها یا کاملاً از بین می روند یا دیگر توانایی تولید مثل و ایجاد بیماری ندارند. این سازوکار بر طیف وسیعی از پاتوژن ها مؤثر است، هرچند برخی موجودات سرسخت (مانند کیست های تک یاخته ای مثل کریپتوسپوریدیوم) در برابر سطوح معمول کلر مقاومت نشان می دهند. عواملی مانند pH آب، دما و حضور مواد آلی بر کارایی کلر تأثیر می گذارند. در آب کمی اسیدی، HOCl بیشتری وجود دارد که گندزدای قوی تری نسبت به OCl- است. به همین دلیل متخصصان تصفیه آب دوز و شرایط را به دقت کنترل می کنند تا از غیر فعال سازی مطلوب پاتوژن ها اطمینان حاصل کرده و اثرات جانبی منفی را به حداقل برسانند.

اشکال کلر مورد استفاده در فرایند های تصفیه

کلر را می توان در چندین شکل شیمیایی به کار برد که هر کدام الزامات نگهداری و موارد استفاده خاص خود را دارند. گاز کلر (Cl₂) که در سیلندر های تحت فشار ذخیره می شود، یکی از اولین اشکال مورد استفاده در تصفیه آب در مقیاس بزرگ بوده است و بسیار مؤثر است، اما به دلیل سمی بودن باید با احتیاط جابجا شود. هیپوکلریت سدیم (NaOCl) که به عنوان مایع سفید کننده شناخته می شود، به طور گسترده استفاده می شود زیرا نسبت به گاز ایمن تر بوده و کار با آن آسان است؛ معمولاً به صورت حجمی تحویل داده شده و مستقیماً به شکل مایع تزریق می شود. هیپوکلریت کلسیم (Ca(OCl)₂) در شکل پودر یا قرص جامد موجود است و اغلب در سامانه های کوچک تر یا مناطق دوردست برای حمل و ذخیره آسان استفاده می شود. همچنین دی اکسید کلر (ClO₂) یک گندزدای تخصصی بر پایه کلر است که در محل تولید می شود تا با برخی چالش های طعم، بو یا میکروبی مقابله کند. در تصفیه آب از کلرامین نیز استفاده می شود که از ترکیب کلر و آمونیاک به دست می آید و برای ایجاد اثر گند زدایی ماندگار تر در شبکه توزیع به کار می رود. در برخی تاسیسات سامانه های الکترولیز نمک طعام در محل می توانند هیپوکلریت سدیم را از نمک تولید کنند و با کاهش نیاز به حمل مواد خطرناک حاوی کلر، ایمنی را افزایش می دهند. همین طور قرص های قابل حمل کلر (مانند ترکیب سدیم دی کلرو ایزو سیانورات) برای نیاز های گند زدایی آب در مقیاس کوچک یا شرایط اضطراری موجود است. جدول زیر انواع مختلف کلر و ویژگی های آنها را در تصفیه آب مقایسه می کند:

پیش کلرزنی و کاربرد های پیش تصفیه

در بسیاری از تصفیه خانه های آب، کلر در اولین مرحله فرآیند اضافه می شود؛ این گام که به پیش کلرزنی معروف است. هدف از این کار بهبود کارایی مراحل پایین دستی تصفیه با رفع برخی مشکلات آب خام است. با تزریق کلر به محض ورود آب به تاسیسات، اپراتورها در پی حذف جلبک ها، باکتری ها یا سایر زیست توده هایی هستند که در غیر این صورت ممکن است فیلتر ها را مسدود کرده یا طعم و بوی نامطلوب ایجاد کنند. پیش کلرزنی به کنترل شکوفایی جلبک ها در منبع آب کمک می کند و می تواند تشکیل بیوفیلم روی سازه های تصفیه خانه را کاهش دهد. همچنین این مرحله باعث اکسید کردن برخی مواد محلول می شود؛ برای مثال کلر می تواند ترکیبات رنگ را کاهش داده و بو ها را با اکسید کردن مواد شیمیایی نامطلوب مانند سولفید هیدروژن خنثی کند. با اینکه پیش کلرزنی این مزایا را دارد، اجرای آن باید با دقت کنترل شود. اگر هنگامی اعمال شود که سطوح بالای مواد آلی طبیعی در آب وجود دارد، افزودن زود هنگام کلر می تواند پیش از رسیدن آب به مراحل بعدی تصفیه، محصولات جانبی گند زدایی (مانند تری هالومتان ها) تولید کند. از این رو برخی تاسیسات مدرن از پیش کلرزنی صرف نظر می کنند مگر در صورت ضرورت، یا بسته به کیفیت آب خام از اکسید کننده های جایگزین استفاده می کنند. در صورت استفاده صحیح، پیش کلرزنی یک ابزار تخصصی برای آماده سازی منابع آب مشکل دار جهت مراحل تصفیه بعدی مؤثرتر است.

کلرزنی تا نقطه شکست برای حذف آمونیاک

کلرزنی تا نقطه شکست روشی است که در آن کلر به میزان کافی اضافه می شود تا تمام آمونیاک و سایر ترکیبات کاهنده در آب به طور کامل واکنش دهند. اصطلاح نقطه شکست به نقطه ای در منحنی کلرزنی اشاره دارد که در آن تمام آمونیاک اکسید شده و با افزودن کلر بیشتر، پسماند آزاد کلر در آب باقی می ماند. این روش به ویژه زمانی مفید است که منبع آب حاوی آمونیاک قابل توجهی باشد. اگر کلر بدون دوز کافی تزریق شود، عمدتاً با آمونیاک واکنش می دهد و کلرامین هایی تشکیل می کند که کلر را مصرف کرده و قدرت گند زدایی را کاهش می دهد. با افزودن کلر تا نقطه شکست، اپراتورها اطمینان می یابند که آمونیاک به گاز نیتروژن یا نیترات تبدیل شده و عملاً از آب حذف می شود. بعد از رسیدن به نقطه شکست، کلر اضافی به صورت آزاد باقی می ماند و گندزدایی قوی را فراهم می کند. کلرزنی تا نقطه شکست نه تنها با بازیابی کلر آزاد، میکروب کشی را بهبود می بخشد بلکه از مشکلاتی مانند طعم و بو که در اثر وجود کلرامین در دوز های ناکافی کلر ایجاد می شود جلوگیری می کند. در برخی فرایند های فاضلاب نیز از راهبرد مشابهی برای حذف آمونیاک بالا هنگامی که روش های زیستی کافی نیستند استفاده می شود. البته دستیابی به نقطه شکست نیازمند تنظیم دقیق دوز و اختلاط کامل است و بنابراین یک فرایند مدیریتی دقیق در عملیات تصفیه محسوب می شود.

استفاده از کلرامین برای حفظ پسماند کلر

در حالی که کلر آزاد یک گندزدای نیرومند است، می تواند در شبکه توزیع نسبتاً سریع مصرف شود و با ترکیبات آلی واکنش داده و محصولات جانبی ایجاد کند. برای حفظ یک پسماند محافظ در طول خطوط لوله کشی بلند، بسیاری از تأمین کنندگان آب از کلرامین، شکل ترکیبی کلر و آمونیاک استفاده می کنند. مونوکلرامین با اضافه کردن آمونیاک به کلر به دست می آید. این کلرامین یک گندزدای ضعیف تر هستند و نسبت به کلر آزاد میکروب ها را آهسته تر غیرفعال می کند. با این حال مزیت کلیدی آن پایداری است: کلرامین مدت بیشتری در آب باقی می ماند و حفاظت گند زدایی را با افت کمتری تا دورترین نقاط شبکه حفظ می کند. مزیت دیگر این است که کلرامین محصولات جانبی گند زدایی کمتری مانند تری هالومتان ها تولید می کند، چون با مواد آلی طبیعی واکنش متفاوتی دارد. کلرامیناسیون به ویژه در شهر های بزرگ رایج شده است، جایی که آب ممکن است فاصله زیادی را طی کند یا مدت طولانی در مخازن بماند. این کار تضمین می کند که مشترکان در انتهای خط نیز آبی با پسماند ضدعفونی دریافت می کنند که از ورود هر گونه آلودگی در طول مسیر محافظت شوند. البته استفاده از کلرامین نیازمند مدیریت دقیق است تا مشکلاتی مانند نیترات سازی (چرا که آمونیاک می تواند غذای برخی باکتری ها شود) رخ ندهد.

کاربرد دی اکسید کلر در تصفیه

دی اکسید کلر نیز یک ماده گندزدای بر پایه کلر است که در شرایط ویژه تصفیه آب استفاده می شود. برخلاف کلر معمولی که در آب HOCl و OCl- ایجاد می کند، دی اکسید کلر (ClO₂) به صورت گاز محلول عمل می کند و در طیف گسترده ای از pH مؤثر باقی می ماند. این ماده به ویژه برای کنترل طعم و بو در آب آشامیدنی ارزشمند است؛ دی اکسید کلر می تواند ترکیبات بودار مربوط به جلبک ها یا برخی آلاینده های صنعتی را اکسید کند که کلر به تنهایی ممکن است به خوبی خنثی نکند. افزون بر این، دی اکسید کلر یک گندزدای قوی در برابر بسیاری از پاتوژن ها است، حتی برخی تک یاخته هایی که در برابر کلر مقاومت نشان می دهند. برای مثال بر کیست های ژیاردیا اثربخشی بهتری دارد و در سیستم هایی که چنین انگل هایی نگران کننده هستند مفید واقع می شود. تصفیه خانه ها معمولاً دی اکسید کلر را در محل با واکنش کلریت سدیم با کلر گاز یا اسید تولید می کنند، زیرا ClO₂ بر خلاف Cl₂ قابلیت فشرده سازی و ذخیره مطمئن ندارد. استفاده از دی اکسید کلر همچنین از تشکیل تری هالومتان ها و بسیاری از محصولات جانبی کلرزنی جلوگیری می کند، چون شیمی متفاوتی دارد؛ هرچند منجر به ایجاد یون های کلریت و کلرات می شود که باید پایش گردند. اپراتورها از این روش به طور هدفمند استفاده می کنند: برای نمونه در دوره های فصلی که طعم و بو در مخازن آب تشدید می شود یا به عنوان پیش اکسیداسیون برای بهبود عملکرد صافی ها. کاربرد دی اکسید کلر نمونه ای است از اینکه چگونه عوامل اکسیدکننده بر پایه کلر می توانند به صورت ویژه ای برای مقابله با چالش های خاص تصفیه آب به کار گرفته شوند.

اکسیداسیون فلزات و سایر آلاینده ها با کلر

فراتر از میکروب کشی، کلر به عنوان یک اکسید کننده قوی به حذف برخی آلاینده های غیر آلی از آب کمک می کند. یک کاربرد تخصصی رایج، اکسیداسیون آهن و منگنز محلول است که اغلب در آب چاه ها یا برخی منابع آب سطحی یافت می شوند. هنگامی که کلر اضافه می شود، به سرعت آهن (II) محلول را به ترکیبات آهن (III) تبدیل می کند که به شکل ذرات زنگ مانند رسوب می کنند و می توان آن ها را فیلتر کرد. به همین ترتیب کلر منگنز (II) را به دی اکسید منگنز اکسید می کند؛ رسوب قهوه ای-سیاهی که قابل حذف است و مانع از ایجاد لکه های سیاه ناشی از منگنز می شود. این پیش تصفیه شیمیایی به ویژه برای سامانه های آب زیرزمینی مفید است تا شفافیت و کیفیت ظاهری آب را بهبود دهد. کلر همچنین با سولفید هیدروژن ترکیبی که باعث بوی تخم مرغ گندیده در برخی آب ها می شود واکنش داده و آن را به سولفات یا گوگرد جامد تبدیل می کند و بدین ترتیب بو را از بین می برد. با حذف سولفید، تجهیزات پایین دستی نیز از خوردگی ناشی از H₂S حفظ می شوند. افزون بر این، اکسیداسیون با کلر می تواند به تبدیل برخی مواد شیمیایی مضر به شکل های کم خطر تر کمک کند؛ مثلاً کلر می تواند آرسنیت سمی (As III) را به آرسنات (As V) تبدیل کند که در مراحل بعدی (مثل فیلتراسیون یا جذب) آسان تر حذف می شود. با به کارگیری کلر در نقاط مناسب فرآیند برای انجام این وظایف اکسیداسیون، تصفیه خانه ها می توانند چندین مسئله کیفیت آب (مانند رنگ، بو و فلزات) را همزمان با گندزدایی برطرف کنند.

کنترل بیوفیلم ها و رشد جلبک با کلر

کلر خط مقدم دفاع در برابر تشکیل بیوفیلم ها و رشد جلبک ها در سامانه های آب است. بیوفیلم لایه لزج میکروبی است که به دیواره لوله ها یا مخازن می چسبد و می تواند باکتری ها را از دسترس گندزداها محافظت کند. حفظ پسماند کلر در خطوط توزیع برای سرکوب این بیوفیلم ها حیاتی است و تضمین می کند که میکروب های بیماری زا پس از خروج آب از تصفیه خانه نیز پناهگاه امنی پیدا نکنند. هنگامی که مشکل بیوفیلم شناسایی می شود مثلاً آزمایش مثبت باکتری در بخشی از شبکه اپراتورها ممکن است با اجرای شوک کلرزنی موقتاً سطح کلر را بالا برده و سیستم را تمیز کنند. رشد جلبکی نیز یک چالش دیگر است، به ویژه در مخازن روباز یا سازه های ورودی آب. کلر می تواند به طور راهبردی دوز شود تا تکثیر جلبک مهار شود؛ با این کار طعم آب بهبود یافته و از گرفتگی فیلتر ها یا ورود سموم جلبکی به شبکه جلوگیری می شود. همچنین در سیستم های صنعتی مانند برج های خنک کننده اغلب از کلر برای کنترل لجن زیستی، جلبک و پاتوژن هایی مثل لژیونلا استفاده می شود. این کاربرد های پیشگیرانه، انعطاف پذیری کلر را نشان می دهد: کلر نه تنها آب مصرفی را گند زدایی می کند، بلکه به پاکیزه و بهداشتی نگه داشتن کل سامانه های آب نیز کمک می کند.

تصفیه فاضلاب: گندزدایی پساب با کلر

کلر به عنوان یک سد نهایی در برابر پاتوژن های موجود در پساب، نقش مهمی در تصفیه فاضلاب ایفا می کند. پس از طی مراحل اولیه و ثانویه تصفیه (حذف جامدات و تجزیه مواد آلی)، آب باقی مانده همچنان حاوی میکروب هایی از جمله باکتری های مدفوعی است. برای حفاظت از بهداشت عمومی و محیط زیست، معمولاً پیش از رهاسازی پساب به رودخانه ها یا استفاده مجدد، آن را کلرزنی می کنند. دوز و زمان تماس کلر با دقت مهندسی می شود: پساب از طریق تانک تماس کلر عبور داده می شود و به مدت تعیین شده ای (مثلاً ۱۵ دقیقه) با کلر مخلوط نگه داشته می شود تا میکروب های شاخص مدفوعی مانند کلیفرم ها تا حد مطلوب نابود شوند. این مرحله آب را به طور مؤثری ضدعفونی می کند و پساب را به اندازه ای ایمن می سازد که قابل تخلیه باشد، اما کلر و محصولات جانبی آن را نیز وارد آب می کند. چون کلر باقی مانده می تواند به آبزیان آسیب برساند، معمولاً در گام بعد با افزودن موادی مانند دی اکسید گوگرد یا بی سولفیت هر کلر باقیمانده را خنثی می کنند. در بسیاری مناطق قوانین محدودیت های سختی برای میزان کلر باقی مانده و محصولات جانبی در پساب خروجی تعیین کرده اند. با اینکه برخی تصفیه خانه های بزرگ به گزینه هایی مانند ضدعفونی با پرتو فرابنفش روی آورده اند تا از مواد شیمیایی استفاده نکنند، اما کلرزنی همچنان یک روش قابل اعتماد و مقرون به صرفه است، به ویژه برای تأسیسات کوچک و متوسط یا به عنوان گزینه پشتیبان.

کلر برای کنترل بو و سپتیک شدن در سامانه های فاضلاب

در سامانه های جمع آوری و تصفیه فاضلاب، کلر تنها برای گندزدایی نهایی به کار نمی رود، بلکه در مراحل بالا دست نیز جهت کنترل بو و جلوگیری از سپتیک شدن استفاده می شود. فاضلاب به دلیل تولید سولفید هیدروژن (H₂S) و ترکیبات فرار در شرایط بی هوازی می تواند بوی شدید و نامطبوعی ایجاد کند. تزریق کلر این ترکیبات را اکسید کرده و بوی تخم مرغ گندیده را از بین می برد. این کار علاوه بر بهبود کیفیت هوا در اطراف ایستگاه های پمپاژ و تصفیه خانه، از خوردگی لوله ها و سازه های بتنی نیز جلوگیری می کند. دوزهای کم کلر همچنین مانع از فعالیت باکتری های سولفیدساز شده و در خط های طولانی یا اقلیم های گرم، از سپتیک شدن فاضلاب جلوگیری می کنند. علاوه بر این کلر در پردازش لجن برای کاهش بو کاربرد دارد. با این حال اپراتورها باید میزان کلر را دقیق تنظیم کنند، زیرا کلر بیش از حد می تواند به فرایندهای زیستی پایین دست آسیب زده یا محصولات جانبی ناخواسته ایجاد کند.