مقدمه

فرایند گندزدایی یک مرحله کلیدی در تصفیه ی آب است. معمولا در تصفیه خانه های آب این مرحله درست قبل یا بعد از صاف سازی انجام می شود. پیش گندزدایی با استفاده از دی اکسید کلر و ازن نیز با بررسی دقیق پتانسیل تشکیل کلریت، کلرات و برومات می تواند انجام شود.

چندین فناوری اصلی گندزدایی برای تصفیه خانه های آب ارزیابی شده و وجود دارد. در این فن آوری ها از کلر و کلرامین ها، ازن، دی اکسید کلر، پرمنگنات پتاسیم و تابش UV برای گندزدایی استفاده می شود.

کلرزنی

کلر ماده ی شیمیایی است که غالبا در گندزدایی آب آشامیدنی استفاده می شود. اولین مورد کاربرد کلر در تصفیه ی آب آشامیدنی با هدف کنترل طعم و بو در دهه ی 1830 بود. در آن زمان تصور بر این بود که بیماری ها به وسیله ی بوها منتقل می شوند. این تصور نادرست منجر به کلرزنی آب حتی قبل از شناخته شدن فرایند گندزدایی شد.

در حال حاضر کلر به عنوان گندزدای اصلی در تصفیه ی آب آشامیدنی استفاده می شود. سایر موارد کاربرد کلر کنترل طعم و بو، کنترل جلبک ها، آمایش مواد بستر صافی، حذف آهن و منگنز، حذف سولفید هیدروژن و حذف رنگ است.

کلر به شکل های مختلف از جمله کلر عنصری (گاز یا مایع)، ترکیبات جامد هیپوکلریت کلسیم یا سدیم و دی اکسید کلر گازی موجود است.

شیمی کلر

کلر آزاد باقی مانده

خواص زیاد کلر این ماده را به عنوان یک گندزدای ایده آل مطرح می کند. کلر در آب بسیار محلول بوده، لذا کاربرد آن آسان است، به آسانی اندازه گیری و کنترل می شود، باقی مانده ی پایدار دارد و در مقایسه با سایر گندزداها نسبتا ارزان است. وقتی گاز کلر در آب حل می شود، باقی مانده ی پایدار دارد و در مقایسه با سایر گندزداها نسبتا ارزان است. وقتی گاز کلر در آب حل می شود، طبق معادله ی زیر هیدرولیز شده و تشکیل اسید هیپوکلرو می دهد.

Cl2+H2O→HOCl+H++Cl–

HOCl یک اسید ضعیف است که طبق معادله ی زیر واپاشی کرده و به یون هیپوکلریت تبدیل می شود.

HOCl→A++OCL–

لذا مجموع HOCl و OCl– کلر آزاد باقی مانده نامیده می شود.

غلظت های نسبی HOCl و OCl– با pH، دمای آب و غلظت کلر موجود در محلول تغییر می کند.

HOCl اکسید کننده ی بسیار قوی تری نسبت به OCl– است. HOCl در pH زیر 6 و OCl– در pH بالای 7.5، ترکیب غالب است. لذا قدرت گندزدایی کلر با افزایش pH کاهش می یابد. در pH حدود 9، کلر آزاد باقی مانده به دلیل بالا بودن غلظت یون هیپوکلریت قدرت گندزدایی کمی دارد.

کلر آزاد به شکل نمک های هیپوکلریت (هیپوکلریت کلسیم و سدیم) نیز به آب اضافه می شوند. واکنش های واپاشی هیپوکلریت های کلسیم و منیزیم در معادلات زیر نشان داده شده است.

Ca(OCl)2+2H2O→2HOCl+Ca2++2OH–

NaOCl+H2O→HOCl+Na++OH–

همان گونه که از این واکنش ها بر می آید، گاز کلر pH آب را می کاهد، در صورتی که هیپوکلریت ها pH را بالا می برند. لذا، در یک مقدار مساوی کلر اضافه شده به آ ب دارای ظرفیت بافری کم، کارایی گندزدایی بالاتری با استفاده از گاز کلر نسبت به هیپوکلریت به دست می آید.

عواملی که کارایی گندزدایی کلر و سایر گندزداها را تحت تاثیر قرار می دهند، عبارتند از: 1)نوع و ماهیت گندزدا، 2)غلظت گندزدا، 3)زمان تماس با گندزدا، 4)دما، 5)نوع و غلظت گندزدا و 6) pH آب.

کلرامین زنی

افزودن آمونیاک برای تشکیل کلر ترکیبی باقی مانده در تصفیه ی آب آشامیدنی اولین بار در سال 1917 در ایالات متحده تجربه شد. این کار برای کنترل تشکیل ترکیبات طعم و بوی خاص، رشد جلبک ها و باکتری ها روی دیوارها، سرریزهایواحدهای تصفیه و صافی ها سال ها ادامه یافت. توانایی کلرامین ها برای حفظ گندزدای باقی مانده برای مدت طولانی تر نسبت به کلر آزاد در شبکه ی توزیع نیز به این امر کمک کرده است. اگرچه، تمایل موجود برای افزودن آمونیاک به نگرانی های اخیر در مورد فراورده های جانبی کلرزنی به ویژه تری هالومتان ها (THMs) بر می گردد. کلر ترکیبی (یا کلرامین ها) THMs تولید نمی کنند و لذا ممکن است بسیاری از سیستم های تصفیه کلرامین زنی را جایگزین کلرزنی نمایند.

دی اکسید کلر

سال ها است که از دی اکسید کلر برای سفید کردن آرد، کاغذ و پارچه استفاده می شود. کاربرد این ماده در تصفیه ی آب اساسا به کنترل طعم و بو و حذف آهن و منگنز در سیستم های کوچک تر) محدود می شد. از اواسط دهه ی 1970 به دلیل عدم واکنش با ترکیبات آلی و عدم تولید THMs و نیز کاهش پیش سازهای THMs، مصرف آن برای گندزدایی افزایش یافته است.

خواص دی اکسیدکلر

دی اکسیدکلر یک گاز زرد متمایل به سبز با بوی شدید نامطبوع بوده که از بوی کلر قوی تر است. در صورت استنشاق دی اکسید کلر برای انسان سمی است. بوی آن در غلظت بالای 0.1ppm قابل تشخیص است. یک گاز ناپایدار بوده و در غلظت های بالای 10 درصد حجمی در هوا باعث انفجار می شود. دی اکسید کلر به دلیل ناپایدار بودن همیشه در محل تولید بلافاصله مصرف می شود. برخی از خواص ویژه ی دی اکسید کلر عبارتند از:

• گندزدای قوی تری از کلر است، با وجود این که پتانسیل اکسایش کمتری از کلر دارد.
• وقتی در غیاب کلر آزاد اضافی آماده می شود، THMs یا سایر فراورده ی جانبی آلی کلر دار تولید نمی کند. برخی از روش های تولید دی اکسید کلر شرایط کلر آزاد اضافی ایجاد نموده که باعث تشکیل فراورده های جانبی کلرزنی می شوند.
• اگر کلر آزاد اضافی وجود داشته باشد، اسید هیپوکلرو و ترکیبات برم دار تولید می شود.
• اگر کلر آزاد اضافی وجود داشته باشد، در pH زیر 2 یا بالای 11 به کندی یون های کلریت و کلرات می تواند تشکیل شود.
• دی اکسید کلر با آمونیاک واکنش نمی دهد. بنابراین دوام بیشتری از کلر آزاد باقی مانده دارد.
• دی اکسید کلر می تواند برای پیش اکسیداسیون ترکیبات فنل دار و جدا کردن یون های آهن و منگنز از برخی ترکیبات آلی که نسبت به کلرزنی مقاوم هستند، استفاده شود. کاهش 30 تا 40 درصد پیش سازهای THM توسط دی اکسید کلر گزارش شده است.

ازن زنی

ازن در اروپا به طور گسترده برای گندزدایی و کنترل طعم و بو استفاده شده است. تمایل به استفاده از ازن در ایالات متحده و کانادا در سال های اخیر به علت تشدید نگرانی ها در مورد تشکیل THMs طی کلرزنی آب های آشامیدنی، افزایش یافته است. علاوه بر استفاده از ازن به عنوان گندزدا، پیش ازن زنی نیز با هدف 1)حذف طعم و بو، 2)حذف رنگ، 3)حذف  آهن و منگنز، 4)حذف تشدید شده ی NOM و 5)اکسیداسیون مواد آلی انجام می شود.

ازن یک گاز ناپایدار است، لذا باید در محل مصرف تولید شود. به علاوه، ازن نمی تواند به عنوان گندزدای ثانویه استفاده شود، چون نمی تواند به مدت طولانی در آب باقی بماند. به علت پتانسیل اکسیداسیون بالا، مقدار CTcal ازن کوتاه است. ازن به عنوان یک کمک ریز لخته ساز قبل یا داخل واحد اختلاط تند به آب زده می شود. مطالعات نشان داده است که پیش ازن زنی انعقاد – لخته سازی را ارتقا داده و عملکرد فرایندهای ته نشینی و صاف سازی را بهبود می بخشد.

پرمنگنات پتاسیم

پرمنگنات پتاسیم یک اکسید کننده ی قوی است و به طور گسترده برای کنترل طعم و بو و حذف منگنز استفاده می شود. پرمنگنات پتاسیم یک گندزدای ضعیف است، بنابراین زمان تماس و غلظت مورد نیاز برای گندزدایی بسیار زیاد است. برای مثال، در باقی مانده ی 2 میلی گرم بر لیتر، برای گندزدایی رضایت بخش 24 ساعت زمان لازم است. در نتیجه کاربرد پرمنگنات پتاسیم به عنوان گندزدا به ویژه برای تصفیه ی آب های سطحی با محدودیت مواجه است.

پرتوتابی فرابنفش

اثرات میکروب کشی UV از اواخر قرن نوزدهم کشف و شناخته شده است. حتی در زمان های قدیم از نور خورشید برای پالودن آب استفاده می شد. کاربرد مستقیم این فناوری در تصفیه ی آب به سال 1901 که لامپ های بخار جیوه به بازار عرضه شد، بر میگردد. در حال حاضر، به دلیل بهبود در طراحی لامپ، عدم ایجاد باقی مانده ی شیمیایی سمی، قدرت ویروس کشی عالی، قابلیت اعتماد بالا و سهولت بهره برداری، فن آوری UV به طور گسترده در تصفیه ی فاضلاب استفاده می شود.

مکانیسم اصلی غیر فعال سازی میکروارگانیزم ها توسط نور UV وارد کردن آسیب مستقیم بر اسیدهای نوکلئیک سلول است. وقتی انرژی UV توسط مواد ژنتیکی (DNA) میکروارگانیزم ها جذب می شود، تغییرات ساختمانی در آن ایجاد شده که از تکثیر میکروارگانیزم ها جلوگیری می کند. حداکثر جذب UV در طول موج 250 تا 255 نانومتر است که گستره ی کستره ی طول موج بهینه برای میکروب کشی موثر است. اثر بخشی تابش UV تابع مستقیم مقدار انرژی یا دوزاژ جذب شده توسط ارگانیزم است. دوزاژ حاصل ضرب شدت تابش در زمان تماس ارگانیزم با تابش است.