کاهش مواد سمی و ارگانیک با کلر زنی در تصفیه فاضلاب صنعتی

مقدمه

پساب صنعتی اغلب حاوی ترکیب های پیچیده ای از آلاینده های سمی و آلی است که برای اکوسیستم ها و سلامت انسان بسیار خطرناک می باشند. در صورت عدم تصفیه این مواد مضر می توانند منابع آبی را آلوده کرده، آبزیان را مسموم نموده و حتی وارد آب آشامیدنی شوند. برای کاهش این مخاطرات، تأسیسات تصفیه از فرایندهای مختلفی جهت حذف یا خنثی سازی آلاینده ها پیش از تخلیه پساب استفاده می کنند. یکی از روش های پرکاربرد، کلرزنی است که در آن گاز کلر یا ترکیبات حاوی کلر به پساب اضافه می شود. کلرزنی از دیرباز به عنوان یک روش گندزدایی قوی شناخته شده که قادر است میکروارگانیسم های بیماری زا موجود در پساب را از بین ببرد. علاوه بر گندزدایی، خاصیت اکسیدکنندگی شدید کلر باعث می شود بسیاری از آلاینده های آلی نیز به صورت شیمیایی تجزیه یا دچار تغییر ساختار شوند. این توانایی کلر در کاهش غلظت و سمیت ترکیبات آلی، آن را به ابزاری ارزشمند در تصفیه فاضلاب صنعتی تبدیل کرده است. با این حال، استفاده از کلر بی چالش نیست و باید با دقت انجام شود تا از ایجاد محصولات جانبی مضر و اثرات زیست محیطی نامطلوب جلوگیری شود. در این مقاله نقش کلرزنی در کاهش ترکیبات سمی و آلی در پساب صنعتی بررسی می شود و مکانیزم ها، مزایا، معایب و مقایسه آن با روش های جایگزین مورد بحث قرار می گیرد.

شناخت ترکیبات سمی و آلی در پساب صنعتی

فرآیندهای صنعتی طیف گسترده ای از مواد شیمیایی زائد تولید می کنند که بسیاری از آن ها ترکیبات آلی سمی هستند. این آلاینده ها شامل موادی مانند حلال ها، فنل ها, آفت کش ها، رنگ ها و هیدروکربن های نفتی می باشد که حتی در غلظت های کم نیز مضر هستند. برای مثال صنایع نساجی، شیمیایی و دارویی ممکن است رنگ ها و ترکیبات آلی پیچیده ای در پساب خود داشته باشند که به جریان فاضلاب رنگ شدید و سمیت می بخشد. پالایشگاه های نفت و پتروشیمی ها اغلب ترکیبات خطرناکی مانند بنزن، مشتقات فنلی و سایر مواد آلی مضر را وارد جریان فاضلاب می کنند. ورود مستقیم این آلاینده ها به رودخانه ها یا آب های زیرزمینی می تواند آسیب زیست محیطی شدید و مشکلات سلامت ایجاد کند. بسیاری از ترکیبات آلی سمی در برابر تجزیه طبیعی مقاوم هستند، یعنی در محیط باقی مانده و در زنجیره غذایی انباشته می شوند. این باعث تشدید اثرات آنها در بلندمدت می شود. در مقابل، سامانه های تصفیه فاضلاب صنعتی برای هدف قرار دادن و حذف این ترکیبات زیان آور طراحی شده اند. با شناخت ماهیت این آلاینده ها، این که قابل تجزیه زیستی هستند یا پایدار، فرار هستند یا محلول، مهندسان می توانند روش های مناسبی را انتخاب کنند. کلرزنی یکی از همین روش هاست که می تواند در کاهش برخی ترکیبات سمی و آلی مؤثر باشد و آب را پیش از بازگشت به محیط زیست ایمن تر سازد.

اهمیت کاهش آلاینده ‌ها پیش از تخلیه

حذف آلاینده‌ های سمی و آلی از پساب صنعتی برای حفاظت از سلامت انسان و محیط زیست اهمیت حیاتی دارد، زیرا ورود فاضلاب حاوی این ترکیبات خطرناک به منابع آب شرب می‌ تواند آن‌ ها را آلوده کرده و مستقیماً سلامت جوامع را تهدید کند. بسیاری از مواد شیمیایی صنعتی سرطان‌ زا هستند یا در سیستم غدد درون‌ ریز انسان و حیات‌ وحش اختلال ایجاد می‌ کنند؛ بنابراین وجودشان در آب باید به حداقل برسد. اکوسیستم‌ های آبی نیز به شدت آسیب‌ پذیرند، ماهی‌ ها و دیگر جانداران حتی با مقادیر اندک مواد سمی مانند سیانید، فنل یا ترکیبات نفتی سنگین مسموم می‌ شوند. علاوه بر این بار آلی زیاد در فاضلاب، نیاز اکسیژن زیستی (BOD) آب‌ های پذیرنده را بالا می‌ برد و با کاهش اکسیژن محلول، موجب خفگی آبزیان می‌ گردد. در این میان استفاده از روش‌ های ضدعفونی مانند کلرزنی و محصولات آماده نظیر خرید قرص کلر آکواپول می‌ تواند در کاهش بار میکروبی و تخریب بخشی از ترکیبات آلی مؤثر باشد و به ارتقای کیفیت نهایی پساب کمک کند. کاهش آلاینده‌ ها اغلب یک الزام قانونی نیز هست؛ چرا که قوانین زیست‌ محیطی در بیشتر کشورها برای غلظت مواد شیمیایی و سطح سمیت مجاز در پساب خروجی محدودیت‌ های سخت‌ گیرانه تعیین کرده‌ اند و صنایع متخلف با جریمه‌ های سنگین و لطمه به اعتبار خود مواجه می‌ شوند. بنابراین تصفیه مؤثر پساب نه ‌تنها یک نیاز اکولوژیکی، بلکه ضرورتی اقتصادی و قانونی است که با اطمینان از کاهش آلاینده‌ ها تا سطوح بی‌ خطر، از آسیب‌ های بلندمدت جلوگیری کرده و به حفظ منابع آب پاک برای نسل‌ های آینده کمک می‌ کند.

کلرزنی در تصفیه پساب صنعتی: مروری کلی

کلرزنی یکی از قدیمی‌ ترین و مؤثرترین روش‌ های تصفیه آب و فاضلاب است که بیش از یک قرن پیش برای گندزدایی آب آشامیدنی مورد استفاده قرار گرفت و امروزه به دلیل اثربخشی بالا و هزینه نسبتاً کم، در تصفیه پساب صنعتی نیز کاربرد گسترده‌ ای دارد. هدف اصلی از این فرآیند، نابودی میکروارگانیسم‌ های مضر مانند باکتری‌ ها، ویروس‌ ها و انگل‌ ها برای جلوگیری از انتشار بیماری‌ های آب‌ زاد است، اما کاربرد کلر تنها به ضدعفونی محدود نمی‌ شود. این ماده به عنوان یک اکسیدکننده قوی، قادر است بسیاری از ترکیبات شیمیایی موجود در پساب را دگرگون کند و از میزان سمیت و بوهای نامطبوع بکاهد. تأثیر ماهیت پساب‌ های صنعتی بر ماهیت کلرزنی بسیار قابل توجه است، زیرا ترکیب شیمیایی، غلظت آلاینده‌ ها و حضور مواد آلی یا معدنی در پساب می‌ تواند بر میزان مصرف کلر، سرعت واکنش و کارایی فرآیند اثر بگذارد.به همین دلیل در تصفیه‌ خانه‌ های صنعتی معمولاً کلر به‌صورت کنترل‌ شده از طریق تزریق گاز کلر یا محلول هیپوکلریت سدیم در مراحل پایانی تصفیه افزوده می‌ شود تا ضمن دستیابی به ضدعفونی مؤثر، از باقی ماندن کلر آزاد اضافی و تشکیل ترکیبات جانبی ناخواسته جلوگیری گردد.

واکنش های شیمیایی کلر با آلاینده های آلی

وقتی کلر به آب اضافه می شود، اسید هیپوکلروس (HOCl) و یون هیپوکلریت (OCl⁻) تشکیل می شوند که در مجموع به عنوان کلر آزاد شناخته می شوند. این گونه های شیمیایی اکسیدکننده های بسیار فعالی هستند که به مولکول های آلاینده های آلی حمله می کنند. واکنش های شیمیایی می توانند اشکال مختلفی داشته باشند. در بسیاری موارد، کلر ترکیبات آلی را اکسید می کند و با گرفتن الکترون ها و شکستن پیوندهای شیمیایی، آن ها را به صورت جزئی یا کامل تخریب می نماید. برای مثال کلر ممکن است پیوندهای دوگانه را در یک مولکول رنگزا اکسید کند و ساختارهای مولد رنگ را از بین ببرد. در موارد دیگر کلر با ترکیبات آلی واکنش افزایشی یا جانشینی انجام می دهد؛ یعنی اتم های کلر به مولکول آلی متصل شده و ترکیبات کلردار شکل می گیرند. این حالت اگرچه آلاینده را به طور کامل معدنی نمی کند، اما ساختار مولکول را تغییر داده و معمولاً سمیت یا فعالیت آن را کاهش می دهد. یکی از واکنش های رایج تبدیل فنل سمی به کلروفنول ها در اثر کلرزنی است که مرحله ای میانی در مسیر تجزیه بیشتر محسوب می شود. کلر همچنین به سرعت با آمونیاک و ترکیبات نیتروژنی وارد واکنش می شود که در تصفیه پساب برای تبدیل آمونیاک سمی به گونه های کم ضرر اهمیت دارد. حاصل کلی این واکنش ها، کاهش قدرت و اثرات زیست محیطی بسیاری از آلاینده های آلی است. البته لازم است این واکنش ها تحت مدیریت دقیق انجام شوند زیرا محصولات جانبی کلردار جدیدی که ایجاد می شوند خود می توانند خطرناک باشند.

انواع مواد گندزدای حاوی کلر

در تصفیه پساب صنعتی کلر را می توان به اشکال مختلفی به کار برد که هر یک الزامات نگهداری و اثرات خاص خود را دارند. متداول ترین شکل، گاز کلر (Cl₂) است که معمولاً در سیلندرهای تحت فشار نگهداری می شود. هنگام حباب دهی این گاز در آب، کلر سریعاً هیدرولیز شده و اسید هیپوکلروس را تشکیل می دهد. استفاده از گاز کلر از نظر هزینه به صرفه است اما به دلیل سمی و خورنده بودن آن به اقدامات ایمنی دقیق نیاز دارد. هیپوکلریت سدیم (NaOCl) یا سفیدکننده مایع، منبع رایج دیگر کلر است. حمل و کاربرد آن نسبت به گاز آسان تر است و اغلب به صورت محلول آماده عرضه می شود، اگرچه با گذشت زمان در انبار ممکن است تجزیه گردد. هیپوکلریت کلسیم (Ca(OCl)₂) به شکل دانه یا قرص جامد موجود است و با حل شدن به آرامی کلر آزاد می کند؛ این ویژگی آن را برای عملیات در مقیاس های کوچکتر یا مکان های دوردست مناسب می سازد. ماده دیگر، دی اکسید کلر (ClO₂) است که هرچند از نظر شیمیایی با کلر آزاد متفاوت می باشد، نقش مشابهی به عنوان اکسیدکننده و گندزدا ایفا می کند. دی اکسید کلر در از بین بردن میکروب ها و اکسیداسیون آلاینده های آلی بسیار مؤثر است و نکته مهم اینکه محصولات جانبی کلردار مانند تری هالومتان ها را به مقدار کمتری تولید می کند. دی اکسید کلر باید در محل تولید شود و کاربرد آن هزینه بر و نیازمند دقت است، اما به ویژه برای رفع بو و رنگ نامطلوب پساب ارزشمند است. در برخی سامانه ها همچنین از کلرامین ها (حاصل واکنش کلر با آمونیاک) برای گندزدایی استفاده می شود؛ قدرت گندزدایی کلرامین کمتر از کلر آزاد است اما ماندگاری باقیمانده طولانی تری در آب دارد. انتخاب عامل کلردار مناسب به نیازهای ویژه هر تأسیسات بستگی دارد، از جمله ماهیت پساب و ملاحظات عملیاتی و ایمنی.

کلرزنی تا نقطه شکست و حذف آمونیاک

یکی از مفاهیم کلیدی در شیمی کلر، کلرزنی تا نقطه شکست است که به ویژه زمانی اهمیت دارد که آمونیاک یا ترکیبات نیتروژن دار در فاضلاب حضور داشته باشند. کلر افزوده شده به فاضلاب در ابتدا با مواد احیاکننده موجود واکنش می دهد و سپس با آمونیاک ترکیب شده و کلرامین ها (کلر ترکیب یافته) را تشکیل می دهد. در این مرحله، کلر آزاد چندانی باقی نمی ماند زیرا در این واکنش ها مصرف می شود. با افزودن تدریجی کلر بیشتر، خود کلرامین های تشکیل شده نیز شروع به تجزیه می کنند؛ آمونیاک موجود به میزان بیشتری اکسید شده و به گاز نیتروژن یا نیترات تبدیل می شود. نهایتاً زمانی که مقدار کافی کلر اضافه شود به طوری که همه واکنش های مصرف کننده کلر کامل گردند، هر میزان کلر اضافی به صورت کلر آزاد در آب باقی می ماند. نقطه ای که این وضعیت رخ می دهد نقطه شکست نام دارد. در کلرزنی تا نقطه شکست، اکسیداسیون مخرب آمونیاک عملاً کامل شده است. این فرآیند برای صنایعی که نیاز به حذف آمونیاک یک آلاینده سمی برای آبزیان از پساب خود دارند بسیار مهم است. با تزریق کلر تا حد نقطه شکست، تأسیسات می توانند آمونیاک را به صورت ترکیبات غیرسمی تبدیل کرده و مطمئن شوند که پساب دیگر در آب های پذیرنده تقاضای اکسیژن ناشی از آمونیاک ایجاد نمی کند. دستیابی به نقطه شکست نیازمند پایش دقیق سطح کلر و میزان نیاز کلر است، زیرا اضافه کردن بیش از حد کلر پس از آن نقطه علاوه بر اتلاف ماده شیمیایی می تواند به باقی ماندن کلر آزاد اضافی در پساب منجر شود.

کاهش BOD و COD توسط کلرزنی

کلرزنی می تواند به کاهش بار کلی مواد آلی در پساب کمک کند؛ این امر از طریق کاهش پارامترهایی مانند نیاز اکسیژن زیستی (BOD) و نیاز اکسیژن شیمیایی (COD) قابل مشاهده است. وقتی کلر ترکیبات آلی را اکسید می کند، عملاً میزان موادی را که در آب باقی می مانند و در فرآیند تجزیه زیستی بعدی اکسیژن مصرف می کنند، کاهش می دهد. با اکسیداسیون شیمیایی این مواد، کلر بار وارده بر آب های پذیرنده را کمتر کرده و به جلوگیری از کاهش اکسیژن در رودخانه یا دریاچه ای که پساب به آن رها می شود کمک می نماید. برای مثال، افزودن کلر می تواند بخشی از مواد آلی محلول باقی مانده پس از تصفیه اولیه و ثانویه را تجزیه کند و در نتیجه BOD و COD نهایی را اندکی کاهش دهد. باید توجه داشت که هرچند کلرزنی می تواند برخی مواد آلی را اکسید کند، اما به طور کلی در کاهش BOD/COD به اندازه فرآیندهای زیستی یا اکسیداسیون پیشرفته مؤثر نیست. بخش عمده ای از کاهش BOD مشاهده شده در پساب کلرزنی شده ناشی از اکسیداسیون ترکیبات قابل تجزیه آسان و نیز توقف فعالیت میکروبی است (زیرا کلر باکتری هایی را که در شرایط عادی باعث افت اکسیژن می شدند از بین می برد). با این وجود، این مرحله شیمیایی تکمیلی می تواند در دستیابی به حدود مجاز خروجی مفید باشد، به ویژه زمانی که همراه با دیگر فرآیندهای تصفیه استفاده شود و حاشیه ایمنی بیشتری برای حفاظت محیط زیست فراهم آورد.

حذف برخی ترکیبات سمی خاص با کلرزنی

علاوه بر کاهش کلی بار آلی کلرزنی قادر است برخی ترکیبات بسیار سمی را به طور خاص هدف گرفته و کم خطرتر نماید. یک مثال کلاسیک، استفاده از کلر (اغلب به شکل هیپوکلریت سدیم یا سفیدکننده) برای خنثی سازی سیانید در پساب صنعتی است. از طریق چند واکنش اکسیداسیون در شرایط pH بالا، یون های سیانید کشنده (CN⁻) به سیانات (CNO⁻) تبدیل شده و سرانجام بیشتر به دی اکسید کربن و گاز نیتروژن تجزیه می شوند. این قابلیت، کلرزنی را به راهکاری مطمئن برای جلوگیری از آلودگی سیانیدی در صنایعی مانند آبکاری فلزات یا معدن تبدیل کرده است. کلر همچنین با ترکیبات فنلی از آلاینده های صنعتی شناخته شده به خاطر سمیت و بوی تند واکنش می دهد. در اثر کلرزنی، فنل ها به کلروفنول ها و سایر محصولات جانبی تبدیل می شوند که اگرچه هنوز نیاز به تصفیه دارند، اما معمولاً بوی تند کمتری داشته و امکان تجزیه بیشترشان فراهم است. به همین ترتیب، کلر در اکسیداسیون سولفیدها (مانند گاز سولفید هیدروژن یا ترکیبات سولفیدی محلول) مؤثر است و آن ها را به سولفات یا گونه های دیگر گوگردی تبدیل می کند؛ بدین ترتیب بوی تخم مرغ گندیده و سمیت مستقیم سولفید از بین می رود. در هر یک از این موارد، کاربرد کلر مستقیماً یک آلاینده مشکل ساز را هدف قرار داده و مخاطرات آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند. با این وجود، مهم است که فرآیند به شکلی مدیریت شود که از تجمع محصولات جانبی ثانویه مثل ترکیبات آلی کلردار جلوگیری گردد، چرا که ممکن است این محصولات نیز نیاز به مراحل تکمیلی تصفیه داشته باشند.

رفع بو و رنگ از طریق کلرزنی

پساب های صنعتی اغلب به دلیل وجود مواد شیمیایی آلی مختلف، بوهای نامطبوع و رنگ شدیدی دارند. کلرزنی به عنوان راهکاری متداول برای برطرف کردن این مشکلات ظاهری و بویی مورد استفاده قرار می گیرد. بسیاری از بوهای بد در فاضلاب ناشی از ترکیباتی مانند سولفید هیدروژن، مرکاپتان ها و برخی آمین ها هستند تمام این ترکیبات را می توان با کلر خنثی کرد. وقتی کلر ترکیبات سولفیدی را اکسید می کند، بوی تخم مرغ گندیده ناشی از آن ها از بین می رود زیرا این ترکیبات به سولفات بی بو تبدیل می شوند. سایر ترکیبات بودار نیز به همین ترتیب اکسید شده و به موادی با فراریت کمتر تبدیل می گردند. نتیجه، بهبود چشمگیر بوی آب تصفیه شده است. به همین شکل، کلر می تواند به عنوان عامل سفیدکننده نیز عمل کرده و رنگ پساب را کاهش دهد. رنگزاها و مولکول های آلی رنگی (برای مثال در فاضلاب نساجی) نسبت به حمله کلر حساس هستند. فرآیند کلرزنی ساختار مولد رنگ در این مولکول های رنگی (کروموفورها) را تخریب می کند و در نتیجه شدت رنگ قابل رؤیت پساب را کم یا کاملاً حذف می نماید. این اثر سفیدکنندگی، همراه با رفع بو، کمک می کند که پساب نهایی نه تنها ایمن تر باشد بلکه از نظر ظاهر و بو نیز پذیرش بیشتری داشته باشد. البته به یاد داشته باشید که هرچند کلر این مشکلات حسی را به شکل مؤثری برطرف می کند، تغییرات شیمیایی ایجاد شده باید تحت نظر باشند تا ترکیبات جدید تشکیل شده در طی فرآیند بو و رنگ زدایی مدیریت شوند.

کلرزنی و محصولات جانبی گندزدایی

یکی از دغدغه های مهم در استفاده از کلر در تصفیه آب، تشکیل محصولات جانبی گندزدایی Disinfection Byproducts یا DBPs است. وقتی کلر با مواد آلی طبیعی یا برخی ترکیبات آلی صنعتی در فاضلاب واکنش می دهد، ممکن است انواعی از مواد شیمیایی کلردار در آب تولید شوند که ماندگار هستند. از مهم ترین این مواد می توان به تری هالومتان ها (THMs) مانند کلروفرم و برمودیکلرومتان، و اسیدهای هالو استیک (HAAs) اشاره کرد. این ترکیبات در آب شرب به دلیل اثرات سرطان زایی و سایر عوارض بهداشتی بالقوه، تحت مقررات قرار دارند. در زمینه فاضلاب صنعتی، خطر آن است که کلرزنی در حضور مقدار زیاد مواد آلی پیش ساز، محصولات جانبی سمی در پساب ایجاد کند. برای مثال، کلرزنی آبی که حاوی فنل است می تواند کلروفنول تولید کند که برخی از انواع آن سمی بوده و بوی دارویی تندی دارند. ترکیبات آلی حاوی گروه های عاملی مانند پیوند دوگانه یا آمین نیز می توانند منجر به تشکیل مواد ناخواسته ای نظیر آلدهیدهای کلردار یا کلرامین های آلی شوند. علاوه بر این، اگر آب خام حاوی یون برم باشد (امری رایج در برخی شورابه های صنعتی)، کلر می تواند با آن واکنش داده و محصولات برم دار تولید کند که اغلب حتی از همتایان کلردار خود خطرناک تر هستند. محصولات جانبی گندزدایی از جنبه ای نقطه ضعف کلرزنی به شمار می روند زیرا مزیت حذف یک آلاینده را با معرفی آلاینده جدید دیگری خنثی می کنند. بنابراین، درک و کنترل تشکیل DBPها بخش ضروری از هر راهبرد کلرزنی است.

کلرزنی در مقایسه با روش های تصفیه جایگزین: نمایی کلی

اگرچه کلرزنی یک فن آوری برجسته برای کاهش ترکیبات سمی و آلی در فاضلاب است، اما تنها رویکرد موجود نیست. صنایع با توجه به نیازها و محدودیت های خاص خود اغلب کلر را در برابر روش های دیگر تصفیه می سنجند. جدول زیر، مقایسه ای کلی بین کلرزنی و چند روش جایگزین یا مکمل رایج در تصفیه فاضلاب صنعتی ارائه می دهد. این جدول نشان می دهد هر روش چگونه کار می کند، اصلی ترین آلاینده های هدف آن چیست و مزایا و محدودیت های آن در عمل کدامند. چنین مقایسه ای تأکید می کند که با وجود کاربرد وسیع کلرزنی، این روش بخشی از مجموعه گسترده تری از فناوری های کنترل آلودگی است و بهترین نتایج اغلب زمانی به دست می آید که چندین روش برای رفع مؤثر انواع مختلف آلاینده ها با هم ترکیب شوند.