مرجع تخصصی آب و فاضلاب

فرابنفش در تصفیه آب: مکانیزم اثر، از بین بردن باکتریها، محاسنه میزان تزریق و طراحی واحد

۱. مکانیزم اثر فرابنفش (UV)

• نوع UV مؤثر: پرتوهای UV-C (طول موج ۲۰۰–۲۸۰ نانومتر، بهویژه ۲۵۴ نانومتر) دارای خاصیت گندزدایی هستند.

• تأثیر بر میکروارگانیسمها: UV-C باعث ایجاد تیمین دایمر در DNA/RNA میکروبها میشود. این آسیب از تکثیر و عملکرد میکروارگانیسمها جلوگیری میکند و آنها را غیرفعال میسازد (غیر کشنده اما غیرفعال کننده).

۲. از بین بردن باکتری ها و عوامل بیماریزا

• دوز مؤثر (UV Dose):
  دوز UV بر حسب mJ/cm² محاسبه میشود و به عوامل زیر وابسته است:

  • شدت پرتو (Intensity): بر حسب mW/cm².

  • زمان تماس (Exposure Time): مدت تابش پرتو به آب.

  • شفافیت آب (UV Transmittance): آب های کدر یا حاوی ذرات، پرتو UV را جذب یا پراکنده میکنند و کارایی را کاهش میدهند.

  • نوع پاتوژن:

    • باکتری ها (مانند E. coli): ۳۰–۴۰ mJ/cm².

    • ویروس ها (مانند هپاتیت A): ۵۰–۱۰۰ mJ/cm².

    • کیست ها (مانند ژیاردیا): ۱۰–۲۰ mJ/cm².

۳. محاسبه دوز تزریق UV

• فرمول پایه:

  دوز (mJ/cm²)=شدت (mW/cm²)×زمان تماس (ثانیه)

• تأثیر شفافیت آب:
  دوز مؤثر با ضریب UVT (UV Transmittance) اصلاح میشود. برای مثال، اگر UVT آب ۸۰٪ باشد، شدت پرتو مؤثر ۸۰٪ مقدار اسمی است.

• روش طراحی استاندارد:
  استانداردهای EPA یا WHO دوزهای حداقلی را تعیین میکنند (مثلاً ۴۰ mJ/cm² برای باکتری ها).

• مثال محاسباتی:
  اگر شدت لامپ ۱۰۰ mW/cm²، زمان تماس ۱۰ ثانیه، و UVT آب ۹۰٪ باشد:

  دوز مؤثر=۱۰۰×۰.۹×۱۰=۹۰۰ mJ/cm².

۴. طراحی واحد فرابنفش

• پارامترهای کلیدی:

  • دبی آب (Flow Rate): تعیین کننده ابعاد محفظه و تعداد لامپ ها.

  • نوع لامپ:

    • لامپ کم فشار (LP): تابش تک طول موج (۲۵۴ نانومتر)، مصرف انرژی پایین.

    • لامپ پرفشار (MP): طیف گسترده تر، شدت بالاتر، مناسب برای دبی های بالا.

  • چیدمان لامپها: محفظه های استوانهای با لامپ های موازی برای پوشش یکنواخت.

  • پوشش کوارتز: محافظ لامپ ها از رسوب و خوردگی.

• پیش تصفیه آب:

  • فیلتراسیون (حذف ذرات > ۵ میکرون) برای جلوگیری از سایه اندازی روی میکروب ها.

  • نرمکنندگی آب برای کاهش رسوب کلسیم روی پوشش کوارتز.

• سیستم های مانیتورینگ:

  • سنسورهای UV برای سنجش شدت پرتو.

  • سیستم های هشدار برای خرابی لامپ یا کاهش دوز.

• ملاحظات ایمنی:

  • محفظه های کاملاً بسته با قفل ایمنی برای جلوگیری از تماس مستقیم با پرتو UV.

۵. چالشها و راهکارها

• کدورت آب: کاهش UVT → نیاز به پیش فیلتراسیون.

• رسوب روی لامپ ها: تمیزکردن دورهای پوشش کوارتز با اسید یا مواد شوینده.

• تأیید عملکرد: استفاده از بیودوزیمتری (مانند استفاده از باکتریهای شاخص مانند MS2 فاژ) برای اطمینان از دوز مؤثر.

۶. جمع بندی

سیستم های UV بهعنوان روشی فیزیکی و بدون مواد شیمیایی، برای گندزدایی آب کاربرد گستردهای دارند. طراحی مناسب نیازمند محاسبه دقیق دوز، پیش تصفیه آب، و انتخاب لامپ ها و محفظه های متناسب با دبی و کیفیت آب است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

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:

  دوز کلر کل=۰.۵+(۱.۲×۳)=۴.۱ mg/L

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.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب