کلر در تصفیه آب
کلر در تصفیه آب: مکانیزم اثر، از بین بردن باکتریها، محاسبه میزان تزریق و طراحی واحد کلرزنی
۱. مکانیزم اثر کلر در ضدعفونی آب
کلر (Cl₂) و مشتقات آن (مانند هیپوکلریت سدیم/کلسیم) با تخریب دیواره سلولی و غشای سیتوپلاسمی باکتریها، ویروسها و سایر پاتوژنها، آنها را غیرفعال میکند.
مراحل اصلی:
۱. نفوذ به سلول: کلر به صورت اسید هیپوکلروز (HOCl) در آب حل میشود و از غشای سلولی عبور میکند.
۲. اکسیداسیون اجزای حیاتی:تخریب پروتئینها، آنزیمها (مثل آنزیمهای تنفسی) و DNA.
اختلال در متابولیسم سلولی و توقف تکثیر.
۳. لیز سلولی: از دست دادن یکپارچگی غشا و نشت مواد سلولی.
۲. میزان اثرگذاری کلر
باکتریها: ۹۹.۹٪ کاهش (۳ log) با دوز ۰.۲–۰.۵ mg/L و زمان تماس ۳۰ دقیقه در pH خنثی.
ویروسها: مقاومتر از باکتریها؛ نیاز به دوز ۰.۵–۱ mg/L و زمان تماس طولانی تر.
کیستها (ژیاردیا و کریپتوسپوریدیوم): کلر مؤثر نیست و نیاز به روشهای ترکیبی (مثل فیلتراسیون) دارد.
عوامل مؤثر در کارایی کلر:
pH آب: اسید هیپوکلروز (HOCl) در pH پایین (۶–۷.۵) غالب است و قدرت ضدعفونی بالاتری دارد.
دما: افزایش دما، سرعت واکنش کلر با پاتوژنها را افزایش میدهد.
مواد آلی (TOC): مواد آلی با کلر واکنش داده و ترکیبات جانبی مضر (DBPs) مانند تریهالومتانها (THMs) ایجاد میکنند.
۳. فرمولهای محاسبه دوز کلر
الف) دوز کلر مورد نیاز (Chlorine Demand)
دوز کلر (mg/L)=کلر مورد نیاز برای ضدعفونی+کلر مصرفی برای اکسیداسیون مواد آلی
مثال:
اگر TOC = ۳ mg/L و نیاز به ۰.۵ mg/L کلر آزاد برای ضدعفونی باشد:
ب) زمان تماس (Ct Value)
Ct=غلظت کلر باقیمانده (mg/L)×زمان تماس (دقیقه)
Ct برای ۹۹٪ کاهش باکتریها: ۱۵–۳۰ mg·min/L.
Ct برای ویروسها: ۳۰–۶۰ mg·min/L.
۴. طراحی واحد کلرزنی
اجزای اصلی سیستم کلرزنی:
۱. منبع کلر:
کلر گازی (Cl₂): پرکاربرد در تصفیهخانههای بزرگ (نیاز به سیستم ایمنی پیشرفته).
هیپوکلریت سدیم (NaOCl): محلول مایع برای سیستمهای کوچک.
هیپوکلریت کلسیم (Ca(OCl)₂): قرص یا پودر برای کاربردهای روستایی.
۲. سیستم تزریق:
ایجکتور (Venturi): اختلاط کلر گازی با آب.
پمپهای دیافراگمی: تزریق محلول هیپوکلریت.
۳. مخزن تماس (Contact Chamber):
زمان تماس ≥ ۳۰ دقیقه برای اطمینان از ضدعفونی.
طراحی مارپیچی یا بافل برای جلوگیری از جریان کوتاه.
۴. کنترل غلظت کلر باقیمانده:
استفاده از سنسورهای آمپرومتری یا رنگسنجی برای پایش Online.
پارامترهای طراحی:
دبی آب (Q): تعیین ظرفیت سیستم تزریق.
غلظت کلر مورد نیاز: بر اساس کیفیت آب و استانداردهای بهداشتی.
ایمنی: نصب سیستمهای تشخیص نشت کلر و تهویه اضطراری.
۵. مزایا و معایب کلرزنی
مزایا:
هزینه پایین و در دسترس بودن.
اثر باقیمانده (Residual Effect): کلر باقیمانده از آلودگی مجدد در شبکه توزیع جلوگیری میکند.
طیف گسترده ضدعفونی (باکتریها، ویروسها، انگلها).
معایب:
تشکیل ترکیبات جانبی مضر (DBPs) مانند تریهالومتانها (THMs) و هالواستیک اسیدها (HAAs).
سمیت کلر گازی برای انسان و محیط زیست.
مقاومت برخی پاتوژنها (مثل کریپتوسپوریدیوم).
۶. استانداردهای کلرزنی
WHO: حداکثر کلر باقیمانده در آب آشامیدنی ≤ ۵ mg/L.
EPA: حد مجاز THMs ≤ ۰.۰۸ mg/L.
استاندارد ملی ایران (۱۰۵۳): کلر باقیمانده آزاد ≥ ۰.۵ mg/L در انتهای شبکه توزیع.
۷. مثال طراحی
ورودی: دبی آب = ۱۰ m³/hr، کلر مورد نیاز = ۲ mg/L.
محاسبات:
مصرف کلر روزانه = ۱۰×۲×۲۴=۴۸۰ g/day
انتخاب پمپ دیافراگمی با ظرفیت ۵۰۰ g/day.
حجم مخزن تماس m³۱۰×۰.۵=۵m³ (برای زمان تماس ۳۰ دقیقه).
۸. جمع بندی
کلرزنی به عنوان روشی مقرون بهصرفه و موثر در ضدعفونی آب، نقشی کلیدی در تأمین آب آشامیدنی سالم ایفا میکند. طراحی سیستم باید بر اساس کیفیت آب ورودی، دبی و مقررات بهداشتی انجام شود. کنترل دقیق غلظت کلر باقیمانده و ترکیبات جانبی، همراه با رعایت ایمنی، از الزامات اصلی است. در مواردی که تشکیل DBPs نگران کننده است، استفاده از روش های ترکیبی (مثل کلرآمیناسیون یا UV) توصیه میشود.
واحد کلرزنی
2- حداقل ابعاد اتاق استقرار سیلندرهای آماده مصرف 5* 3* 3 (طول، عرض، ارتفاع) متر باشد تا فضای کافی برای اپراتور جهت انجام تعمیرات یا تعویض سیلندر موجود باشد.
3- پی ستون های استقرار سیلندرهای گاز، داری استحکام کافی باشد.
4- دیوارهای جانبی اتاق استقرار سیلندرهای گاز و اتاق کلرزنی حداقل به ضخامت 40 سانتیمتر و مجهز به یک لایه عایق حرارتی با ضخامت حداقل 5/2 سانتیمتر گردد.
5- سقف اتاق استقرار سیلندرهای آمادهی مصرف و اتاق کلرزنی بهصورت شیبدار اجرا شود تا آب باران و برف در آبرو، به راحتی تخلیه گردد، هدف از این امر آن است که هیچگونه رطوبتی بر روی کپسول های گازکلر اثر گذار نباشد.
6- سقف اتاق های استقرار سیلندرهای گاز کلرزنی باید دارای عایق حرارتی باشد.
7- در سقف اتاق استقرار سیلندرهای گاز آمادهی مصرف، شبکه افشانک آب(روش سقفی) مناسب تعبیه شود تا در مواقع اضطراری(نشت گاز)، به منظور شستشوی گاز عمل نماید.
مدیریت کلرزنی آب آشامیدنی
با هدف انهدام عاملهای میکروبی بیماریزا، کنترل میکروارگانیسمهای مزاحم، ممانعت از رشد مجدد میکروبی در شبکههای آبرسانی و حذف یا تقلیل رنگ، طعم و بوی آب به انجام میرسد. نیل به موفقیت در این امر، تمهیدهای ویژهای از حوضهی آبریز تا مصرفکننده را طلب میکند و نخستین شرط تحقق آن، پیشبینی تمهیدهای مدیریتی و فنی برای ممانعت و یا تقلیل ورود آلایندهها به منابع آب است.
در رویکردهای نوین مدیریت کیفیت آب نیز، حفاظت منابع آب، به کارگیری فرآیندهای مناسب و حفاظت از آب تولید شده در مراحل ذخیرهسازی و توزیع و سرانجام گندزدایی آب، به عنوان راهبردهای نیل به سلامت آب آشامیدنی اعلام و برای کنترل کیفیت آب در منابع تأمین، شاخصهای کدورت، رشد جلبکها، رنگ، هدایت الکتریکی و رخدادهای هواشناسی، در تصفیهخانهها، شاخصهای غلظت و زمان تماس عامل گندزدا، pH، کدورت و رنگ و در شبکهی توزیع، شاخصهای کلر باقیمانده، کدورت، اشریشیاکلیگرماپای، شمارش جمعیت میکروبی(HPC) و فشار آب توصیه شده است.
به دلیل مزایای متعدد کلرزنی در تحقق سلامت میکروبی آب، سازمان جهانی بهداشت به صراحت اعلام کرده است که”پیامدهای بهداشتی ناشی از فرآوردههای جانبی کلرزنی، در مقایسه با عدم کفایت انجام آن، بسیار جزیی است و کلرزنی آب بدون توجه به کنترل فرآوردههای جانبی حاصل از آن باید انجام شود”. مطالعههای اپیدمیولوژی محققان نیز نشان میدهد که احتمال ابتلا به سرطان ناشی از فرآوردههای جانبی کلرزنی در استخرهای شنا 25 و در آب آشامیدنی، 6 در میلیون است.
در کلرزنی فاضلاب نیز هر چند به اعتقاد سازمان جهانی بهداشت، کلرزنی پساب فاضلابها به دلایل متعدد دشوار بوده و دستیابی به کیفیتی از پساب کلرینه شده که همواره شاخصهای بهداشتی را تأمین کند، به تقریب ناممکن و غیراقتصادی است، اما با این حال، در شرایط خاص، موفقیت در کلرزنی پساب فاضلاب را منوط به نیل به شاخصهای BOD کمتر از 20 و به ترجیح کمتر از 10، COD کمتر از 40 و TSS کمتر از 10 میلیگرم بر لیتر دانسته است.
مزایا و معایب کلر در آب آشامیدنی
کلرزنی امروزه به عنوان متداولترین روش گندزدایی آب آشامیدنی در دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. اما استفاده از کلر علیرغم اینکه مزایا و فواید بسیاری به همراه دارد، دارای معایب و مضراتی نیز هست. به همین دلیل متخصصان ضمن توصیه روشهای جایگزین کلرزنی، تاکید دارند که کلر باقیمانده در آب شهری، در نقطه مصرف و درست قبل از نوشیدن، از آب حذف شود.
در این مقاله سعی می کنیم علاوه بر توجه به مزایای فرآیند کلرزنی، به مضرات آن نیز اشاره کنیم.
کلرزنی
كلر ابتدا در سال 1908 در شیكاگو به یك سیستم آب همگانی افزوده شد و در از بین بردن بسیاری انواع بیماری های منتقل شده آبی مثل وبا و تب تیفوئید قابل استفاده بود. پیش از كلرزدن بسیاری شهرهای عمده دارای آمار مرگ و میر 1 در 1000 نفر به تنهایی از تیفوئید بودند. كلر برای گندزدایی كردن آب شهرداری به مدت بیش از 80 سال استفاده شده و دارای اثرات مثبت بر بهداشت همگانی بوده است.
هرچند كه كلرزنی یكی از متداولترین روشهای شیمیایی گندزادایی است ، اما ازن زنی در فرانسه ، آلمان ، كانادا و شوروی سابق معمول است. در كشورهای اروپایی از دی اكسید كلر برای ضدعفونی كردن استفاده میشود. به طور كلی ماده ضد عفونی كننده شیمیایی ممكن است به دو صورت زیر عمل كند :
1. اكسیداسیون و یا پاره كردن دیواره سلول و نهایتا تجزیه میكروارگانیزم
2. نفوذ به داخل سلول و اختلال در فعالیت سلولی
اتاق کلرزنی
ابعاد اتاق كلرزني 5*4*3 (طول، عرض، ارتفاع) باشد تا فضاي كافي براي اپراتور جهت انجام تعميرات يا تعويض سيلندر موجود باشد.
ديوارهاي اتاقهاي كلرزني از نوع آجري با ملاط ماسه و سيمان باشد و كف اتاق از بتن بوده و ديوارها از مواد ضد آتش ساخته شود.
پي ستونهاي اتاقهاي كلرزني استحكام كافي داشته باشد(حداقل70 سانتي متر تا سطح زمين )
سقف اتاقهاي كلرزني از نوع سبك و از تيرهاي I شكل بوده و از پوشش مناسب ( ايزوگام) يا آزبست باشد.
شيب سقف به نحوي باشد كه آب باران و برف در زهكش تخليه گردد شيب مناسب 5/2 درصد است هدف آن است كه هيچگونه رطوبتي بر روي كپسولها اثرگذار نباشد.
ساختمان كلرزني داراي 3 اتاق جداگانه( اتاق كلريناتور، اتاق سيلندرها، اتاق اپراتور)باشد.
زهكش مناسب در كف اتاقهاي كلرزني براي تخليه آب در نظر گرفته شود.
درهاي اتاق كلريناتور و سيلندرهاي گاز كلر بطرف بيرون باز شوند و ضمناً يك در اضطراري اضافي نيز منظور شود.
پنجره هاي اتاقهاي كلرزني به اندازه كافي وسعت داشته باشند تا در صورت لزوم با گشودن پنجره ها هواي اتاق كاملاً تخليه گردد.
تجهبزات اتاقهاي كلرزني
1- سيستم تخليه هوا در فاصله 10 سانتي متري از كف اتاق تعبيه گردد تا قدرت تخليه هواي اتاق را در زمان 4-1 دقيقه داشته باشد.
2- سيستم گرمايش و سرمايش اتاقها با فاصله مناسب( حداقل50 سانتي متر) از سيلندرها و كلرزنها قرار گيرد و حداقل بطور فصلي سرويس كامل اينگونه تأسيسات انجام شود.
3- وجود يك دتكتور ( هشدار دهنده ) در اتاقهاي كلرزني الزامي است.
4- جرثقيل سقفي از نوع هيدروليكي headroom 100 چهار حالته باشد تيري كه جرثقيل بر روي آن نصب ميگردد به نحوي باشد كه اتاق سيلندرهاي در مدار بهره برداري و انبار سيلندرها را پوشش دهد.
5- بازوهاي جرثقيل بايد حدود 5/4 متر باشد اتصال جرثقيل به كمربند سيلندرها بايد بطور اتوماتيك طراحي شود.
کلرزنی
متداولترين روش ضد عفوني آب ها ، کلر زني يا کلريناسيون مي باشد. ترکيبات مختلفي از کلر وجود دارد که هر کدام در شرايط مشخصي مي توانند براي ضد عفوني آب استفاده شوند . از جمله اين ترکيبات مي توان به سديم هيپوکلريت - کلسيم هيپوکلريت - دي اکسيد کلر و کلر آمين که از واکنش گاز کلر با آمونياک حاصل مي شود اشاره کرد.
قدرت ضدعفوني کندگي کلرو آمين ها نسبت به هيپوکارين اسيد کمتر است بنابراين براي به دست آوردن يک ضد عفوني مطلوب با اين مواد بيشتر و زمان بالاتري از اين ترکيبات نياز است.
مديريت كلرزني آب آشاميدني
گندزدايي آب آشاميدني با هدف انهدام عاملهاي ميكروبي بيماريزا، كنترل ميكروارگانيسمهاي مزاحم، ممانعت از رشد مجدد ميكروبي در شبكههاي آبرساني و حذف يا تقليل رنگ، طعم و بوي آب به انجام ميرسد. نيل به موفقيت در اين امر، تمهيدهاي ويژهاي از حوضهي آبريز تا مصرفكننده را طلب ميكند و نخستين شرط تحقق آن، پيشبيني تمهيدهاي مديريتي و فني براي ممانعت و يا تقليل ورود آلايندهها به منابع آب است. در رويكردهاي نوين مديريت كيفيت آب نيز، حفاظت منابع آب، به كارگيري فرآيندهاي مناسب و حفاظت از آب توليد شده در مراحل ذخيرهسازي و توزيع و سرانجام گندزدايي آب، به عنوان راهبردهاي نيل به سلامت آب آشاميدني اعلام و براي كنترل كيفيت آب در منابع تأمين، شاخصهاي كدورت، رشد جلبكها، رنگ، هدايت الكتريكي و رخدادهاي هواشناسي، در تصفيهخانهها، شاخصهاي غلظت و زمان تماس عامل گندزدا، pH، كدورت و رنگ و در شبكهي توزيع، شاخصهاي كلر باقيمانده، كدورت، اشريشياكليگرماپاي، شمارش جمعيت ميكروبي(HPC) و فشار آب توصيه شده است.
به دليل مزاياي متعدد كلرزني در تحقق سلامت ميكروبي آب، سازمان جهاني بهداشت به صراحت اعلام كرده است كه”پيامدهاي بهداشتي ناشي از فرآوردههاي جانبي كلرزني، در مقايسه با عدم كفايت انجام آن، بسيار جزيي است و كلرزني آب بدون توجه به كنترل فرآوردههاي جانبي حاصل از آن بايد انجام شود”. مطالعههاي اپيدميولوژي محققان نيز نشان ميدهد كه احتمال ابتلا به سرطان ناشي از فرآوردههاي جانبي كلرزني در استخرهاي شنا 25 و در آب آشاميدني، 6 در ميليون است.
در كلرزني فاضلاب نيز هر چند به اعتقاد سازمان جهاني بهداشت، كلرزني پساب فاضلابها به دلايل متعدد دشوار بوده و دستيابي به كيفيتي از پساب كلرينه شده كه همواره شاخصهاي بهداشتي را تأمين كند، به تقريب ناممكن و غيراقتصادي است، اما با اين حال، در شرايط خاص، موفقيت در كلرزني پساب فاضلاب را منوط به نيل به شاخصهاي BOD كمتر از 20 و به ترجيح كمتر از 10، COD كمتر از 40 و TSS كمتر از 10 ميليگرم بر ليتر دانسته است.
نگاه اجمالی
برای اینکه آبی قابل استفاده باشد، علاوه بر حذف انواع آلایندهها از آب و خارج کردن یونها و مواد رسوبی و کلوئیدی ، باید برای مصارف خانگی و بهداشتی ، عاری از باکتریها و ویروسهای مضر باشد. برای پاک کردن آب از اینگونه آلودگیها معمولاً به یک اکسید کننده قویتر از نیاز داریم.
فرآیند حذف باکتریها و ویروسها از آب توسط یک اکسید کننده را گندزدایی مینامند. برای اینکار معمولا از ازن یا ترکیبات کلردار استفاده میشود.
استفاده از ازن در گندزدایی آب
برای انجام عمل گندزدایی ، هوای غنی شده از ازن را از درون آب عبور میدهند. حدود 10 دقیقه تماس کافیست تا ازن بر روی آلودگی تاثیر کرده و آنها را از بین ببرد. از آنجا که طول عمر مولکولهای ازن کوتاه است، هیچگونه حفاظت زمینهای برای محافظت آب از آلوده شدن در آینده وجود ندارد. یکی دیگر از اشکالات این روش ، عمر کوتاه است که نمیتوان آن را ذخیره کرد و یا از مکانی به مکان دیگر حمل کرد. باید آن را در محل استفاده بوسیله فرآیندی نسبتا گران شامل تخلیه الکتریکی در هوای خشک تولید کرد.
استفاده از ترکیبات کلردار برای گندزدایی آب
متداولترین عامل تصفیه آب که در اکثر کشورهای پیشرفته استفاده میشود، استفاده از اسید هیپوکلرو است. این ترکیب کووالانسی و خنثی با عبور از درون غشاء موجودات ذرهبینی آنها را میکشد. هم مانند ازن پایداری کمتری دارد و نمیتوان آن را ذخیره کرد.
در مراکز بزرگ تصفیه آب ، هیپوکلرواسید را با حل کردن گاز کلر در آب در PH متوسط تولید میکنند. بنابراین محلول رقیق کلر در آب ، دارای مقدار کمی است و چنانچه محیط واکنش زیاد باشد، اسید هیپوکلرو به یون هیپوکلریت که خاصیت گندزدایی کمتری دارد، تبدیل میشود.
روش جلوگیری از ایجاد یون هیپوکلریت
در استخرهای شنا ، معمولاً برای تولید هیپوکلرو اسید از نمک کلسیمهیپوکلریت یا محلول آبی سدیمهیپوکلریت استفاده میشود. با انجام واکنش اسید - باز بیشتر درون آب ، یون هیپوکلریت به اسید هیپوکلرو تبدیل میشود. برای جلوگیری از تجزیه اسید ، باید PH محیط به دقت کنترل شود تا بیش از اندازه قلیایی نباشد، چون برای جلوگیری از خوردگی مواد ساختمانی استخر در محیط اسیدی ، معمولاً PH را بالاتر از 7 نگه میدارند. حفظ PH قلیایی ، همچنین مانع از تبدیل آمونیاک حل شده به کلر آمینها ، مخصوصا (که باعث تحریک چشم است) ، میشود.
کلر موجود در آب استخرها خطر ابتلا به آسم و آلرژی را تشدید میکند
نتایج یک تحقیق جدید در دانشگاه لووین بروکسل نشان می دهد که شنا کردن در استخرهایی که با کلر ضدعفونی میشوند کودکان را در معرض ابتلا به آسم و انواع آلرژیها قرار میدهد.
به گزارش خبرنگار سایت پزشکان بدون مرز ، در این تحقیق نشان داده شد: کودکان و نوجوانانی که بیش از ۱۰۰۰ ساعت در این استخرها چه به شکل سرپوشیده و چه به صورت باز شنا میکنند بیش از هشت برابر در معرض ابتلا به آسم هستند. در حالی که شنا کردن در استخرهایی که با روش مس ـ نقره ضد عفونی شدهاند، این خطر را در پی ندارد.
محققان در بلژیک اطلاعات ۱۹۰هزار نوجوان ۱۳تا ۱۴ساله را در ۲۱کشور تجزیه و تحلیل کردند. از این نوجوانان خواسته شده بود مشکلات تنفسی، تب یونجه و اگزما حساسیتی خود را شرح دهند.
محققان در این مطالعه متوجه فراوانی آسم و خس خس کردن سینه در شهرهای کوچک و بزرگی شدند که تراکم استخرهای سرپوشیده در آنها زیاد است . بطوری که میزان آسم و خس خس کردن سینه به ترتیب به ازای افزایش هر واحد استخر سرپوشیده ۲/۷۳تا ۳/۳۹درصد افزایش مییابد. در این مطالعه دیده شد شیوع این مشکلات در غرب اروپا بیشتر از شرق اروپا است که خود نشاندهنده شمار بیشتر استخرها در بخش غربی این قاره است.
آلفرد برنارد پروفسور سم شناسی، استاد بهداشت عمومی و رییس تحقیقاتی دانشگاه کاتولیک لووین در بروکسل، پایتخت بلژیک تصریح کرد: وجود کلر در آب استخر تاثیر بسیار مهمی روی درصد بروز بیماریهای آلرژیک در گروه تحت مطالعه داشته است.