تصفیه و ضد عفونی آب و فاضلاب
مقدمه
امروزه حفظ منابع آب ، یعنی حیاتی ترین ماده ای که بشر به آن نیاز دارد بطور فزاینده ای مورد توجه مجامع مختلف بین المللی قرار گرفته است . رشد روزافزون جمعیت و در نتیجه بهره برداری بیش از حد از منابع محدود آب از یک طرف و آلوده شدن آنها بسبب فعالیتهای گوناگون زیستی ، کشاورزی و صنعتی بشر از طرف دیگر همگی دست به دست همدیگر داده و زنگ خطر بحران آب را در سالهای آینده به صدا در آورده است .
بنابراین حفظ کیفیت فیزیکی و شیمیایی و بیولوژیکی منابع آب سرلوحه فعالیت بسیاری از سازمانهایی است که به نحوی با این منابع سرو کار دارند .
این مهم از دو جنبه کلی قابل توجه است :
١- افزایش کیفیت آبی که باید به مصارف گوناگون برسد که تحت تاثیر سه عامل عمده بوده است
- افزایش آلاینده ها در منبع طبیعی آب .
- آزمایشهای کیفی آب و فاضلاب با دقت بالا .
- افزایش سطح استاندارد آب آشامیدنی .
تحولاتی که در چند سال اخیر موجب پیشرفت تکنولوژی تصفیه آب و افزایش کیفیت آب آشامیدنی شده است بشرح ذیل می باشد :
×حذف مرحله کلر زنی در ابتدای تصفیه خانه ( استفاده از کلر فقط در آخرین مرحله تصفیه برای بهره برداری از کلر باقی مانده در شبکه ) .
× استفاده از ازون و پرتودهی فرابنفش در مراحل مختلف تصفیه .
× استفاده بیشتر از سیستم ازون ، بویژه استفاده از اکسیژن برای تغذیه دستگاه و بهره گیری از برق با فرکانس متوسط ،باعث شده تا غلظت ازون بالا رفته و در نتیجه طراحی دستگاههای تولید ازون کوچکتر شود که نهایتا منجر به کاهش سرمایه گذاری اولیه برای تصفیه بروش ازون می گردد.
٢- افزایش کیفیت فاضلاب تصفیه شده گوناگون شهری ، روستایی ، کشاورزی و صنعتی .
پر واضح است که اهمیت این جنبه زیاد بوده و اگر تمام توجه به آن معطوف می شد هیچگاه بشر با بحران کم آبی روبرو نمی شد .
١- فاضلاب چیست ؟
همه جوامع ، هم به صورت جامد و هم به صورت مایع ، فضولات تولید می کنند . بخش مایع این فضولات ، یا فاضلاب ، اساسا همان آب مصرفی جامعه است که در نتیجه کاربردهای مختلف آلوده شده است . از نظر منابع تولید ، فاضلاب را می توان ترکیبی از مایع یا فضولاتی دانست که توسط آب از مناطق مسکونی ،اداری و تاسیسات تجاری و صنعتی حمل شده و بر حسب مورد ، با آبهای زیرزمینی ، آبهای سطحی و سیلابها آمیخته است .
اگر فاضلاب تصفیه نشده انباشته شود ، تجزیه مواد آلی آن ممکن است منجر به تولید مقدار زیادی گازهای بدبو شود . علاوه بر آن ، فاضلاب تصفیه نشده معمولا حاوی میکروارگانیسمهای بیماریزای فراوانی است که در دستگاه گوارش انسان زندگی می کنند و یا در برخی فضولات صنعتی موجودند . فاضلاب ، شامل برخی مواد مغذی نیز هست که می تواند سبب تحریک رشد گیاهان آبزی شود ، و ممکن است ترکیبات سمی نیز داشته باشد ،بنا به این دلایل انتقال سریع و بدون دردسر فاضلاب از منابع تولید ، وسپس تصفیه و دفع آن ، نه فقط مطلوب ، بلکه در جوامع صنعتی ضروری است و جنبه اقتصادی و تولید درآمد نیز دارد .
تصفیه آب و فاضلاب شاخه ای از مهندسی محیط زیست است که اصول بنیادی علوم و مهندسی را در مسائل کنترل آلودگی آب به خدمت می گیرد . هدف نهایی مدیریت فاضلاب حفاظت محیط زیست است به نحوی که با اصول بهداشت عمومی و مسائل اقتصادی ، اجتماعی و سیاسی هماهنگ باشد .
٢- تصفیه فاضلاب
فاضلاب جمع آوری شده چه از مراکز جمعیتی یا کارخانجات نهایتا باید به منابع آب یا خاک باز گردانده شود . در هر مورد باید به این سوال پیچیده پاسخ داد که : برای حفظ محیط زیست ، کدام یک از آلاینده های فاضلاب ، و تا چه حد باید حذف شوند؟ پاسخ به این سوال مستلزم بررسی شرایط و نیازهای محلی ، همراه با کاربرد دانش علمی ، قضاوتهای مهندسی متکی به تجربه و رعایت شرایط و مقررات کشوری می شود .
گرچه جمع آوری آبهای سطحی و زهکشی از زمانهای قدیم شروع شده است ، ولی پیدایش نظریه میکروبی توسط کخ و پاستور در نیمه دوم قرن نوزدهم آغازگر عصر جدیدی در زمینه بهداشت عمومی شد . قبل از آن زمان رابطه آلودگی و بیماری فقط به صورت مبهم شناخته شده و از علم نوپای باکتری شناسی نیز برای تصفیه فاضلاب استفاده نشده بود .
روشهای تصفیه که در آنها کاربرد نیروهای فیزیکی عامل مهمتری است با عنوان عملیات واحد تصفیه شناخته شده اند . روشهای تصفیه که در آن حذف آلاینده ها از طریق واکنشهای شیمیایی و زیست شناسی صورت می گیرد با عنوان فراینده های واحد تصفیه معروف اند
در حال حاضر ، عملیات و فرآیندهای واحد تصفیه در هم ادغام شده و آنچه را که امروزه مراحل اولیه ، و نهایی تصفیه نامیده می شود تشکیل داده اند . در تصفیه اولیه از عملیات فیزیکی تصفیه همچون آشغالگیری و ته نشینی برای جدا کردن مواد شناور و قابل ته نشینی موجود در فاضلاب بهره گرفته می شود . در تصفیه ثانویه از فرآیندهای شیمیایی و زیست شناختی استفاده می شود تا قسمت اعظم مواد آلی از فاضلاب جدا شود . در تصفیه نهایی از واحدهای اضافی عملیات و فرآوری استفاده می شود . تا سایر آلاینده ها مانند نیتروژن و فسفر ، که مقدار آنها در تصفیه ثانویه کاهش چشمگیری پیدا نکرده است ، حذف شوند . روشهای تصفیه زمینی ، که امروزه بیشتر به "سیستمهای طبیعی " معروف شده اند ، مجموعه ای از مکانیسم های تصفیه فیزیکی ،شیمیایی و زیست شناسی را به خدمت گرفته و آب را با کیفیتی مشابه آبی که از تصفیه نهایی فاضلاب حاصل شود تولید می کنند.
در طول ٢٠تا ٣٠ سال گذشته تعداد مراکز صنعتی که فضولات خود را به شبکه های فاضلاب شهری تخلیه می کنند افزایش چشمگیری یافته است . با عنایت به اثرات سمی ناشی از حضور این فضولات ،حتی با غلظت بسیار کم ، در بسیاری از جوامع آمیختن فاضلاب خانگی با فاضلابهای صنعتی ، که به طور کامل یا ناقص تصفیه اولیه شده اند ، مورد ارزیابی مجدد قرارگرفته است . پیش بینی می شود که در آینده این کارخانجات ملزم شوند که این فضولات را ، در محل تولید ، تا سطح بالاتری تصفیه کنند تا بی ضرربودن آنها ،قبل از تخلیه به شبکه های شهری ،تضمین شود . در حال حاضر بر روی اغلب عملیات و فر آیندهای واحد مورد استفاده در تصفیه فاضلاب تحقیقات وسیع و پیوسته ای ، از دیدگاه کاربرد و اجرا ،صورت می گیرد . در نتیجه ، تغییرات فراوان در فرآیندها صورت گرفته و فرآیندها و عملیات جدیدی ابداع و به کار گرفته شده است : به منظور ارتقا شرایط زیست محیطی آبهای سطحی و رودخانه ها رو شهای تصفیه معمول باید بهبود یابد و سیستمهای تصفیه و تکنولوژی نوین دیگری به خدمت گرفته شوند . اگر قرار باشد پیشرفت مهمی در تحلیل و کاربرد فرآیندهای موجود و جدید حاصل شود باید روشهای پیشرفته تری برای شناسایی مشخصه های مورد نظر بکار گرفته شود . گر چه اغلب مواد آلی حاضر در فاضلابهای انسانی را می شود تصفیه کرد ،ولی فاضلاب صنعتی با بهره گیری از فرآیندهای معمول حاضر ، قابل تصفیه نیستند و یا فقط کمی تصفیه می شوند ، به علاوه در بسیاری از موارد ، از آثار دراز مدت زیست محیطی حضور اینگونه مواد اطلاعاتی در دسترس نیست و یا اطلاعات موجود ناچیز است . در بعضی از موارد ممکن است برای حفظ اینگونه آلاینده ها ، قبل از تخلیه به داخل شبکه جمع آوری ، کنترل بیشتر در منبع تولید ضرورت پیدا کند .
٣- روشهای گندزدایی منابع آ ب :
یکی از آلودگیهای بسیار عمده و خطرناک منابع آب ، آلودگی بیولوژیکی است . آب می تواند به انواع میکروارگانیسم ها اعم از انواع باکتریها ،انگلها ، قارچها و ویروسها آلوده شود . آلودگی عمده و شایع آب ، آلودگیهای باکتریایی شامل کلی فرمها ( باکتریهای روده ای ) و انگلی می باشد که به طرق مختلف این باکتریها را از بین می برند.
روشهای گوناگونی برای گندزدایی منابع آب وجود دارد که بطو کلی به دو دسته شیمیایی و فیزیکی تقسیم می شوند . از روشهای رایج شیمیایی ، کلر زنی و استفاده از گاز ازون ، و از روشهای رایج فیزیکی ، حرارت ،فیلتراسیون و پرتو دهی را می توان نام برد.
شرایط یک ضد عفونی کننده ایده آل در جدول شماره ١ ارائه شده است . همانگونه که دیده می شود ، ضد عفونی کننده ایده آل باید طیف گسترده ای از مشخصه های مختلف داشته باشد . گرچه ممکن است چنین ترکیبی وجود نداشته باشد ، در ارزیابی مواد ضد عفونی کننده توصیه شده یا پیشنهاد شده باید شرایط پیشنهادی در جدول ٢ رادر نظر داشت . این نکته نیز مهم است که حمل و کاربرد ماده ضد عفونی کننده بی خطر باشد و بتوان غلظت آن را در آبهای تصفیه شده اندازه گیری کرد . ضدعفونی را اغلب با استفاده از عوامل شیمیایی ،عوامل فیزیکی ، ابزارهای مکانیکی و تابش انجام می دهند.
جدول ١- مقایسه زیست محیطی دستگاه فرابنفش با دستگاه کلرزن
ازون
کلر
فرابنفش
شرح
شیمیایی
شیمیایی
فیزیکی
روش ضدعفونی
٦٠٠ ثانیه
١٢٠٠ ثانیه
٥ ثانیه
زمان عملکرد
دارد
دارد
ندارد
تغییرات در ترکیب آب
ندارد
دارد
ندارد
مواد شیمایی زائد
ندارد
دارد
ندارد
پیدایش ترکیب آلی و اکسید های خطرناک
ندارد
دارد
ندارد
تخریب محیط زیست
ندارد
دارد
ندارد
خطر انفجار و نشت گاز به محیط
قدرت کشتن میکرو ارگانیسم های مختلف
دارد
دارد
دارد
باکتریها
دارد
ندارد
دارد
ویروسها
دارد
دارد
دارد
قارچها
١-٣- گندزدایی به روش کلر
کلر زنی اگر چه بسیار رایج است اما نیاز به تجهیزات متعدد و جاگیر و از همه مهمتر نقل و انتقال و کاربرد گاز خطرناک کلر دارد ایمنی کامل در طراحی سیستمهای ذخیره و نگهداری کلر بایستی رعایت گردد بدلیل آنکه گاز کلر بسیار سمی و خورنده است . در کاربرد کلر به عنوان ضد عفونی کننده رعایت موارد زیر الزامی است .
- کلریناسیون روزمره بایستی نزدیک نقطه کاربرد صورت گیرد .
- ذخیره کلر و تجهیزات کلریناتور بایستی در اتاقهای جداگانه صورت گیرد.
- تهویه بایستی کف اتاق تعبیه گردد بدلیل اینکه گاز کلر سنگینتر از هوا می باشد .
- ذخیره کلر باید جدا از تغذیه کننده های کلر صورت گیرد .
- اتاق کلر یناتور باید از نظر حرارت کنترل گردد. حداقل دمای ٢١ درجه سانتی گراد پیشنهاد می شود .
- از تابش خورشید بطور مستقیم روی سیلندرهای گاز کلر جلوگیری به عمل آید . وهرگز حرارت به طور مستقیم در تماس با سیلندرها نباشد .
کلر گازی است سمی و چنانچه در کاربرد آن رعایت نکات ایمنی نشود ممکن است باعث انفجار و مسمومیت گردد . به علاوه مانند تمام روشهای شیمیایی ماده ای به آب افزوده شده و طعم آن را تغییر می دهد و هزاران ترکیب خطرناک و بعضا سرطان زا پدید می آورد . امروزه مشخص شده که کلر با مواد آلی درون آب ترکیب و واکنش نشان داده و با تشکیل تری هالو متانهای گوناگون (THMS ) چیزی حدود ٨٥٠ ترکیب کارسینوژن ( سرطان زا ) پدید می آورد .
اثرات زیست محیطی ناشی از گاز کلر در منابع آبی بدین صورت است که مقدار بیشتر از ٥/١ میلی گرم در لیتر باعث مرگ و میر آبزیان مخصوصا ماهی می گردد .
بنابراین استفاده از پرتودهی فرابنفش و گاز ازون بطور روز افزون مورد توجه قرار گرفته وجایگزین کلر می شوند .
٢-٣- گندزدایی به روش ازون :
- ازون چیست ؟
ازون گازی است تقریبا بی رنگ با بوی ترش با قدرت اکسیداسیون بالا. مولکول ازون پایدار نبوده و در نتیجه نمی توان آن را انبار یا حمل نمود . این امر باعث می گردد که تولید ازون همواره در محل انجام گیرد . لذا مرحله حمل و انبار مواد شیمیایی در این روش حذف می شود .
بطور کلی دلایل استفاده از گاز ازون به شرح زیر است :
- اکسیداسیون جزیی یا کلی مواد محلول در آب .
- ته نشینی مواد محلول .
- لخته سازی مواد آلی .
- ناپایدار ساختن اجسام کلوئیدی .
- ضد عفونی و از بین بردن باکتریها ، انگلها و قارچها و...
بر خلاف کلر و مواد شیمیایی دیگر ، اکسیداسیون بوسیله ازون ، هیچگونه مواد سمی یا مضر در آب بجای نمیگذارد و نیاز به پالایش مجدد آب ندارد . تجربه نشان داده است که ازون سریعا اجزای محلول در محیط را اکسید می نماید و حاصل این اکسیداسیون تنها اکسید اجزا و اکسیژن می باشد لذا برای استفاده در مواردی که عناصر باقی مانده دیگر ممکن است مشکلات جنبی دیگر بوجود آورند مناسب می باشد . مولکول ازون پایدار نیست و پس از مدت کوتاهی شکسته می شود و تبدیل به مولکول پایدار اکسیژن می گردد .
- منابع تولید ازون
گاز ازون بطور طبیعی در زمان رعد و برق یا بوسیله اشعه U.V. Vacuum موجود در نور خورشید بوجود می آید . اما بطور مصنوعی تولید ازون به دو طریق لامپهای U.V ویا تخلیه الکتریکی صورت می گیرد. تولید ازون در حجم بالا عموما با تخلیه الکتریکی برروی دو قطب انجام می پذیرد که بنام (Silent Electrical Discharge (SED شناخته شده است . تولید کننده های ازون با استفاده از این روش با بهره برداری از الکترودهایی با ولتاژ بالا که به فاصله معین از هم قرار گرفته اند کار می کنند . در دستگاههای جدید تولید ازون ، اکسیژن در بین این فاصله جریان می یابد و با استفاده از تخلیه الکتریکی ازون تولید می شود .
٣-٣- گندزدایی به روش پرتو دهی :
در میان روشهای فیزیکی ، پرتو دهی از دیر باز مورد توجه بوده است . پرتوهای مورد استفاده در این روش به دو دسته پرتو یونیزان ( شامل پرتو ایکس ، گاما ، بتا و آلفا ) و پرتو فرابنفش تقسیم میشوند . پرتو یونیزان به دلایل گوناگون از جمله عدم دسترسی عموم به منابع تولید آنها ( عمدتا ایزوتوپهای رادیو اکتیو ) ، خطر کاربرد آنها توسط عموم مردم در نتیجه نیاز به تخصصهای بالا و همچنین قدرت کم نفوذ برخی از آنها کمتر مورد استفاده قرار می گیرند . اما کابرد پرتو فرابنفش چیزی نزدیک به حدود یک قرن است که مورد توجه قرارگرفته است گندزدایی بوسیله این پرتو را میتوان استفاده از یک روش طبیعی پنداشت چرا که در طبیعت و در نور خورشید نیز گندزدایی بطور طبیعی انجام می شود