یکی از روش های مرسوم گندزدایی آب در تصفیه آب و فاضلاب امروزه استفاده از کلر می‌باشد. دلایل زیر باعث کاربردی شدن این ماده‌ی گندزدا در تصفیه‌ی آب‌شده است:
- ارزان بودن
- به جای گذاشتن باقیمانده
- مؤثر در غلظت‌های کم
- در دسترس بودن در سه حالت:
- گاز (گاز کلر)
- مايع (هيپو کلريت سديم)
- جامد (هيپو کلريت کلسيم)
روش کلرزنی
جايگاه ضدعفونی با کلر در تصفيه معمول آب
واکنش کلر در آب:
- HOCl: اسيد هيپو کلرو
- HCl: اسیدکلریدریک
- OCl- : يون هيپو کلرو
با اضافه کردن کلر به آب واکنش های مذکور انجام می‌گیرد. محصول واکنش های بالا هرکدام از محصولات واکنش ها ویژگی خاصی دارد که میزان تولید آن وابسته به شرایط محیطی آب دارد.
ثابت شده است که اثر گندزدايي HOCl بيشتر از خاصيت گندزدایی یون OCl- می‌باشد.
شرايط بهينه واکنش:
- pH پايين (6 ~ 7)
- 20 ~ 25°C
- زمان تماس بيشتر از 30 min
- باقيمانده Cl2 بالا (> 0.5 mg/L)
با توجه به نمودار زیر تأثیر PH در واکنش های ابتدایی مشهود است.
نمودار توزيع گونه های کلر در°C 25
نحوه نگهداری و استفاده کلر در تصفیه‌خانه‌ها:
مخازن کلر به دو شکل می‌باشد:
مخزن 65 کيلو گرمي براي مصارف کم
مخزن 1 تني براي مصارف زياد
نحوه افزودن کلر به آب:
افزودن کلر به آب از طریق کلریناتور انجام می‌گیرد. کلریناتور ها برای کنترل مقدار کلر لازم برای تزریق مورداستفاده قرار می‌گیرد.
پس از کنترل مقدار کلر از بوستر پمپ ها برای انجام عمل تزریق با ایجاد خلأ استفاده می‌شود.
فشار توليدي در پوستر پمپ بايد بيشتر از فشار خط جريان باشد. تا تزريق صورت گيرد.
ميزان دوز کلري که بايد افزوده شود:
کلر موردنیاز براي گندزدايي + کلر باقيمانده
گونه های مختلف کلر:
- کلر مايع
- استفاده از هيپوکلريناتور جهت تزريق کلر مايع
- تزريق کلر مايع (Na(OCl)) به‌صورت رقیق‌شده
- کلر جامد
- اهميت درجه خلوص در کلر جامد (هيپوکلريد کلسيم (Ca(OCl2)))
- توليد Ca(OH2) به هنگام استفاده از کلر جامد که يک نوع باز است، افزايش pH راداریم و بنابراين کلر جامد تأثیرش کمتر از کلر گازي می‌باشد و به همين خاطر در استخر ها براي کاهش pH اسيد استفاده می‌شود.
مواد واکنش پذیر با کلر:
واکنش کلر با مواد معدني:
آمونیاک:
Cl2 + H2O ® HOCl + H+ + Cl-
HOCl « OCl- + H+, pKa = 7.6
منودیکلروآمین
دی کلروآمین
تریکلروآمین
نمودار تئوريک نقطه شکست (Breakpoint)
- کلر علاوه بر گندزدایی برای حذف برخی فلزات سنگین نیز کاربرد دارد.
- حذف آهن:
- آهن 2 ظرفيتي آهن 3 ظرفيتي توليد رسوب
حذف منگنز:
اين واکنش در pH هاي بالا رخ می‌دهد.
از کلر برای حذف گاز H2S نیز استفاده می‌شود.
واکنش کلر با مواد آلی:
براثر واکنش کلر با مواد آلی مواد خطرناک جدیدی تحت عنوان THM تولید می‌شود.
THM ها (تري هالویتان ها) فوق‌العاده سرطان‌زا می‌باشند.
مواد آلی +کلر: (THMs)
- CH3Cl
- CH2Cl2
- CHCl3
- CHBrCl2
- CHBr2Cl
در حالت کلی:
گندزدایی 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.
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.
نقطه تعادل در واکنش تبدیل یون هیپوکلریت به اسید هیپوکلرو باید طوری تنظیم شود که برتری با اسید هیپوکلرو که خاصیت گندزدایی دارد، باشد. برای این منظور ، تنظیم PH آب ضروری است، زیرا در PHهای بین 7 تا 9 تعادل به سمت تولید یون هیپوکلریت جابجا می‌شود. برای تنظیم PH آب از یک اسید مثل سدیم بی‌سولفات یا یک باز مثل کربنات سدیم و یا یک تامپون مثل سدیم بی‌کربنات می‌توان استفاده کرد.
مزیت استفاده از ترکیبات کلردار
در این روشها ، مقداری از کلر بعد از تصفیه آب به صورت حل شده باقی می‌ماند، بطوری که اگر آب پیش از اینکه مصرف شود، از آلودگی‌های بعدی با باکتری یا ویروس محافظت شود.
مضرات کلرزنی آب
مهمترین مانع برای کلرزنی به منظور گندزدایی آب ، تولید مواد کلردار آلی است که جزء آلاینده‌ها هستند و برخی نیز جزء ترکیبات سمی می‌باشند. اگر آب ، حاوی فنل یا ترکیبی از آن باشد، کلر ، جانشین اتمهای حلقه شده ، باعث ایجاد ترکیبات سمی با بو و مزه زننده می‌شود.
شکل دیگر ، تولید تری‌ها‌لومتانها می‌باشد. ترکیب نگران کننده اصلی ، کلروفرم ، می‌باشد که از واکنش هیپوکلرو اسید با ماده آلی حل شده در آب تولید می‌گردد. برخی دانشمندان عقیده دارند که کلروفرم در انسان ، تولید سرطان کبد می‌کند. برای جلوگیری از این خطرات ، برخی از کشورها از ازن یا دی‌اکسید کلر برای گندزدایی استفاده می‌کنند، زیرا این عوامل گندزدا کلروفرم تولید نمی‌کنند یا به میزان ناچیز تولید می‌کنند.
مزایای گندزدایی آب
با توجه به آنچه گفته شد، به هر حال تحت هیچ شرایطی نباید گندزدایی آب را حذف کرد، زیرا ریشه‌کنی واقعی امراض کشنده مثل بیماری وبا و حصبه که عامل اصلی آنها آب است، با استفاده از مواد گندزدا امکانپذیر می‌باشد. در کشورهای فقیر که تصفیه آب در آنها اغلب نامنظم است، هر ساله انسانهای زیادی (مخصوصاً کودکان) بوسیله امراضی که عامل آنها آب آلوده است، جان خود را از دست می‌دهند.
روشهای دیگر گندزدایی
از دیگر روشهای گندزدایی استفاده از نور فرابنفش می‌باشد که با ایجاد رادیکال آزاد باعث از بین رفتن موجودات بیماری‌زای آب می‌شود. روش جدیدتر استفاده از صافیهای نانومتری می‌باشد که مانع از عبور مولکولهای آلی زیستی و دیگر مولکولهای آلی بزرگ می‌شود که اندازه آنها بزرگتر از نانومتر است.
مبانی کلرزنی
برای حصول اطمینان از درستی کلرزنی قواعد زیر بایستی رعایت شود:
1 ـ آب مورد گندزدایی، صاف و بدون کدورت باشد.
2 ـ کلر مورد نیاز آب مشخص گردد، نقطه شکست کلر و کلر باقی مانده آزاد حائز اهمیت است.
3 ـ در هر حال زمان تماس حدود یک ساعت برای ازبین بردن زیستوارک‌های حساس در مقابل کلر منظور گردد.
4 ـ حداقل کلر باقیمانده پس از یک ساعت 0.5 میلی گرم در لیتر پیشنهاد می‌شود. این مقدار در بیماری‌های همه گیر روده تا 1 میلی گرم در لیتر نیز توصیه شده است.
5 ـ مقدار کلر مورد نیاز هر نوع آب برابر خواهد بود با مقدار کلری که به آب اضافه می‌شود تا پس از یک ساعت مقدار 0.5 میلی گرم در لیتر کلر باقی مانده داشته باشد.
روش کلرزنی
با توجه به حجم آب مورد گندزدایی و وسعت پروژه، روش کلرزنی تعیین می‌گردد. کلر ممکن است به یکی از اشکال زیر در دسترس باشد:
الف) گازکلر Cl2
ب) کلرامین NH2 Cl و NHCl2
ج) پرکلرین High Test Hypochlorit) H.T.H)
د) دی اکسید کلر Clo2
کلر اولین ماده انتخابی در گندزدایی آب است زیرا ارزان، موثر و کاربرد آن بسیار ساده است. برای جلوگیری از آثار سمی آن توسط دستگاه کلرزنی به آب اضافه می‌شود. ترکیب آمونیاکی کلر نیز برای گندزدایی آب به کار می‌رود لیکن اثر آن کندتر از اثر کلر است. این امر باعث محدودیت استفاده از آن شده است.
پرکلرین یا H.T.H یا هیپوکلریت پر قدرت، یکی از ترکیبات کلسیم است که 70ـ60 درصد کلر دارد. محلول ساخته شده از H.T.H و ترکیبات دیگر کلردار برای گندزدایی آب بکار می‌رود.
ـ پرکلرین Ca(OCL)2 به صورت پودر یا کریستال ریز در بسته هایی با وزن مشخص تهیه و توزیع می‌گردد.
ـ گرد سفید کلر CaOCL2 که کلر قابل استفاده آن 39ـ33.5% است.
ـ محلول هیپوکلریت سدیم Naocl که دارای 5ـ3 و 16ـ10 درصد وزنی کلر قابل استفاده است.
به هر حال علی رغم ترکیبات جانبی کلر با مواد آلی آب و خطرات احتمالی آن برای سلامت هنوز کلر به عنوان یک ماده شیمیایی گندزدا برای بهسازی آب آشامیدنی مورد استفاده است.
روش کلر زنی مخازن آب
کلرینه کردن آب مخازن: ابتدا حجم مخزن را معین نموده، سپس به ازای هر متر مکعب ( 1000لیتر ) آب از 3 تا 5 گرم پـــــــودرپرکلرین استفاده می شود. کلرینه کردن مخازن به روش هــای دستی و مکانیکی انجام می شود که در روش دستی لازم است حتماً پس از اضافه کردن محلول کلر آب مخزن به هم زده شود. بعد از گذشت نیم ساعت در صورت مناسب بودن نتیجه کلرسنجی آب قابل مصرف است. قابل ذکر است که نتیجه کلرسنجی در کلیه ساعات شبانه روز و در نقاط مختلف شبکه لوله کشی باید در حد مطلوب باشد. حد مطلوب آخرین شیر مصرفی شبکه 0.5 تا 1 PPM (قسمت در میلیون)
طرز تهیه و استفاده از محلول کلر مادر
از ترکیب سه قاشق مرباخوری ( ۱۵ گرم ) از پودر پرکلرین۷۰درصد در یک لیتر آب، کلر مادر بدست می آید که باید در یک بطری تیره رنگ یا پوشیده با کاغذ آلومینیوم نگهداری شود. ۳ تا ۷ قطره از این محلول کلرمادر در یک لیتر آب بمدت ۳۰ دقیقه آنرا بهداشتی و قابل شرب می نماید.
نحوه گندزدایی مخازن تعمیر شده و یا جدیدالاحداث
طبق جدول زیر مقدار کلر مورد لزوم محاسبه می گردد:
|
حجم مخزن به متر مکعب |
درصد خلوص کلر |
کلر مورد مصرف به کیلو گرم |
ساعت ماند کار |
|
100 |
70 |
3/4 |
12 |
|
200 |
70 |
6/8 |
12 |
قبل از گند زدائی، جدار داخلی مخازن با برس سیمی تمیز و شست و شو می گردد و با توجه به حجم مخزن می توان به ازای هر متر مکعب 43 گرم پرکلرین(70 درصد به صورت محلول) آماده نمود. بعد از این مرحله چندین بار با آب مخزن را شستشو می دهیم.
ترکیبات آلی جانبی حاصل از عمل کلرزنی آب آشامیدنی
تشکیل ترکیبات جانبی آلی حاصل از عمل کلرزنی آب آشامیدنی از نظر سلامتی انسان و همچنین ایجاد مشکلات در تاسیسات تصفیه آب از سال 1974 که وجود کلروفرم و سه تری هالومتان (THMs) دیگر گزارش شد، مورد توجه بوده است. تحقیقات وسیعی از آن تاریخ انجام شده است تا فاکتورهایی که در تشکیل این ترکیبات دخالت دارند شناخته شوند و بتوان از طریق تکنیکهای آب آشامیدنی، غلظت آنها را کاهش داد. بعضی از این ترکیبات جانبی با دز زیاد به صورت خوراکی و یا تزریقی در حیوان ایجاد سرطان می کنند و ممکن است در درازمدت اثرات نامطلوبی بر سلامت انسان نیز داشته باشند.
مواد هوموسی که به صورت طبیعی در آبهای سطحی یافت می شوند، مواد پیش سازی هستند که در کلرزنی آب آشامیدنی ترکیبات جانبی ایجاد می کنند که برخی از این ترکیبات مشکوک به ایجاد سرطان می باشند. در اثر واکنش بین کلر و ترکیبات هوموسی بیش از 780 ترکیبات جانبی ایجاد می گردد، که درصد عمده این ترکیبات هالوژنه می باشند. از جمله گروههای شناخته شده ترکیبات جانبی می توان تری هالومتانها (چهار ترکیب) هالواستیک اسیدها (نه ترکیب)، هالواستونیتریلها (چهار ترکیب) را نام برد. چنانچه تعیین مقدار کل این ترکیبات مورد نظر باشد از دستگاه تعیین مقدار کل ترکیبات آلی هالوژنه Total Organic Halogen (TOX) استفاده می شود. و اگر تعیین مقدار کیفی و کمی هر یک از این ترکیبات لازم باشد از دستگاههای گاز کروماتوگرافی (GC) و یا گاز کروماتوگرافی / مس اسپکترومتری (GC/MS) استفاده می شود. در این مقاله ترکیبات اصلی حاصل از عمل کلرزنی آب آشامیدنی، فاکتورهایی که موجب افزایش و یا کاهش این ترکیبات اصلی می شود، تکنیکهایی که در تاسیسات تصفیه خانه می توان بکار برد تا تشکیل این ترکیبات را به حداقل رسانید و روشهای اندازه گیری این ترکیبات مورد بازنگری قرار می گیرد.