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

تامين آب آشاميدني سالم :
آب سالم بايد زلال‘ خنك ‘ بي رنگ ‘ بي بو‘ بدون مزه خاص و عاري از عوامل بيماريزا و سمي باشد .
آبهاي سطحي يا زير زميني اغلب حاوي ناخالصي هايي بوده و يا مشخصات نامطلوب دارند.
روشهايي با نام تصفيه مقدماتي‘ براي كاهش ناخالصي ها و يا تغيير مشخصات نامطلوب آب قبل از رسيدن به تصفيه خانه وجود دارد كه شامل فرايند هاي هوادي ‘ انعقاد‘ ته نشيني‘ صاف كردن و ... مي باشد . و در نهايت مرحله گندزدايي است كه در اين مرحله عوامل ميكروبي بيماريزا و مضر با روشهاي مختلف گندزدايي از بين مي روند.
در گذشته عمل تصفيه آب تنها به منظور بهبود خواص ظاهري و طعم آب انجام مي شد . اما امروزه استاندارد هاي جديدي در مورد كيفيت آب آشاميدني چه از نظر راديولوژيكي و چه از نظر بيولوژيكي بدنبال ساخت و توسعه ابزارهاي دقيقتر سنجش كمي و كيفي مواد وضع شده است.

روشهاي مختلف گندزدايي:
گندزدايي آب فرايندي است كه طي آن ميكروارگانيسم هاي بيماريزاي موجود در آب غير فعال مي گردند .
يك گندزداي خوب بايد به سرعت عمل كرده و در دز مصرفي براي غير فعال كردن ميكروارگانيسم ها‘ براي انسان و ساير جانوران بي اثر باشد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

معمولا از اشعه ماورای بنفش جهت میکروب زدایی بهتر آب در کنار روشهای دیگر مانند کلرزنی و اسمزمعکوس استفاده می کنند.

اين اشعه داراي طول موج 250 تا 270 نانومتر است. براي توليد انرژي Ultra Violet ray ( UV ) با زدن قوس الكتريكي، لامپ حاوي بخار جيوه را باردار مي كنند این عمل موجب تولید انرژی شده و  اشعه فرابنفش منتشر مي شود.

اين اشعه با تاثير بر روي پروتوپلاسم و آنزيم سلولها سبب نابودي آنها مي گردد. اين اشعه قادر است فرم فعال باكتري، ويروس، تك ياخته و اسپور را غير فعال و از تکثیر آنها جلوگیری كند. بسياري از ميكروارگانيزمهاي بيماري زا عمر كوتاهي دارند و در صورت عقيم و غير فعال شدن ، از بين مي روند.

براي بهره برداري از تکنولوژی ماورای بنفش در تصفیه آب ، لامپ  را يا در خارج از آبی كه قرار است تصفيه شود، قرار می دهند، يا اينكه آن را در درون آب  معلق مي كنند. اگر قرار باشد اين لامپ ها درون آب معلق شوند ، آنها را درون لوله هاي كوارتزي موسوم به Sleeve  قرار مي دهند تا سرد نشوند. اگر آب حدود سه ثانیه در معرض این اشعه قرار بگیرد، ضدعفونی می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

موارد بکارگیری روش ضدعفونی با اشعه uv
سه مورد اصلی استفاده از روش ضدعفونی با اشعه uv وجود دارد:

ضدعفونی مایعات
ضدعفونی فضاها
ضدعفونی سطوح اجسام
ضدعفونی مایعات
روش ضدعفونی با اشعه uv می‌تواند برای آب آشامیدنی ، آبهای فرایندی و فاضلاب یعنی تمامی مواردی که آب بدون آلودگی یا با آلودگی کاهش یافته مورد نظر است، استفاده شود. امروزه کلرزنی بیش از هر روش دیگری برای ضدعفونی کردن آب ، مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی متاسفانه کلر "هالوفرم" هایی نظیر کلروفرم ایجاد می‌کند که احتمال تاثیر سرطان زایی آنها شناخته شده است. این امر باعث گردید که محققان به طور جدی در صدد جایگزینی و یا محدودکردن به کارگیری این ماده شیمیایی برآیند. تنها روش شناخته شده امروزی که هیچ تغییری در خواص شیمیایی و فیزیکی آب ایجاد نکرده و ماده ای به آب اضافه نمی‌نماید، ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش است.

موارد کاربرد اشعه uv برای ضدعفونی مایعات :

صنایع غذایی
آبهای فرایندی و آب آشامیدنی
پرورش ماهی ، میگو ، دام و طیور
فاضلابهای شهری و صنعتی
صنایع آرایشی و بهداشتی ، شیمیایی ، دارویی و الکترونیک (آب فوق العاده تمیز)
استخرهای شنا ، آب‌نماها و جکوزیها
سیستمهای آب خنک کننده مدار بسته و سیستمهای تهویه مطبوع
ضدعفونی فضاها و سطوح

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

نگاه کلی
انسان از قرنها پیش اعتقاد داشت که نور خورشید می‌تواند از اشاعه عفونتها جلوگیری کند در سال 1877 دو محقق انگلیسی به نامهای دانز و بلونت دریافتند که تکثیر میکروارگانیسمها زمانی که تحت تابش نورآفتاب قرار می‌گیرد متوقف می‌گردد. تحقیقات بعدی نشان داد که عامل این پدیده طیف غیر قابل رؤیت اشعه خورشید با طول موج 254 نانومتر است. در پی این کشف ، امکان طراحی و ساخت دستگاههای مولد اشعه باکتری کش میسر گردید. امروزه این نوع اشعه که باعث جلوگیری از فعالیت باکتریها می‌گردد به عنوان اشعه ماورای بنفش"UV" شناخته شده است. تحقیقات جدید در مورد تاثیر این پرتو بر روی میکروارگانیسمها منتج به ساخت سیستمهای جدید ضدعفونی برای مایعات ، هوا و همچنین سطح اجسام گردید. بدین ترتیب ، ضدعفونی بدون استفاده از مواد شیمیایی و یه به کارگیری حرارتهای بالات میسر شد و ضدعفونی در مواردی که قبلا مشکل و یا غیر ممکن بود نیز امکان پذیر گردید. امروزه ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش ، نه فقط به عنوان یک روش با ارزش و موثر شناخته شده، بلکه در خیلی از موارد به عنوان مکمل سایر روشهای ضدعفونی بکار گرفته می‌شود.
مکانیسم ضدعفونی با اشعه ماورای بنفش
برخلاف اغلب ضدعفونی کننده‌ها، تشعشع اشعه ماورای بنفش ، میکروارگانیسمها را به وسیله اثر متقابل شیمیایی غیر فعال نمی‌کند بلکه آنها را به وسیله جذب نور توسط خودشان غیر فعال می نماید که باعث واکنش فتوشیمیایی می‌شود. اشعه مذکور ، مواد مولکولی ضروری برای عامل سلولی را تغییر می دهد. چون اشعه uv در دیواره سلول میکروارگانیسمها نفوذ می‌کند، اسیدهای نوکلئیک و دیگر مواد سلولی حیاتی به وسیله آن اثر، تحت تاثیر قرار می‌گیرند. در نتیجه ، سلولهایی که در معرض این اشعه قرار گرفته اند ضدمه دیده و یا نابود می‌شوند. مدارک کافی وجود دارد که اگر انرژی uv به مقدار کافی به ارگانیسمها تابیده شود، اشعه uv می تواند آب را به اندازه‌ای که نیاز است ضدعفونی کند. برای از بین بردن میکروارگانیسمهای کوچک مانند باکتریها و ویروسها مقداری اشعه uv لازم است اما برای از بین بردن و غیر فعال کردن پروتوزآ مانند ژیاردیا و کریپتواسپوریدیوم انرژی uv مورد نیاز ، چندین برابر انرژی لازم برای غیر فعال کردن باکتریها و ویروسها خواهد بود. در نتیجه اشعه uv برای ضدعفونی کردن و یا برای آبهای زیرزمینی که در آنها ژیاردیا و کریپتواسپوریدیوم وجود ندارد موثر است.
محدوده طول موج اشعه uv برای ضدعفونی
انرژی موجی اشعه uv در محدوده طول موج اشعه الکترومغناطیسیnm) 100-400) بین اشعه ایکس و طیف نور مرئی است. منطقه بهینه برای میکروب‌کشی توسط اشعه uv در محدوده nm) 245-285) است. ضدعفونی توسط اشعه uv، هم به وسیله لامپهای با فشار کم که حداکثر انرژی خروجی آنها در طول موج 7. 253 است و هم با لامپهای فشار متوسط که انرژی آنها در طول موجnm) 180-370) است و یا لامپهایی که انرژی آنها در دیگر طول موج ها با شدتهای زیاد نوسانی منتشر می‌شود، انجام می‌گیرد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مناسب ترين زمان براي بازبيني استراتژي كلي فرايند گندزدايي در تصفيه خانه ها و شبكه توزيع آب شهري، زمان نوسازي تاسيسات موجود تصفيه آب آشاميدني و يا در خلال طراحي تاسيسات جديد مي باشد. گندزدايي مقدماتي و ثانويه شبكه توزيع آب‌‌،‌‌ هر دو بايستي در قالب يك استراتژي كلي گندزدايي گنجانده شوند. در اين مقاله مقايسه اي بين گندزداهاي شيميايي وUV  به عمل آمده و تاثيرات انتخاب هر يك تشريح گرديده است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقايسه بين ClO2 و روش UV/H2O2 و براي ضدعفوني آب آشاميدني
در تصفيه خانه آب آشاميدني سيني ( sinni) واقع در جنوب ايتاليا كه وابسته به شركت آب و فاضلاب EAAP ميباشد، بمدت يكسال يك پروژه تحقيقاتي براي ضدعفوني 140 مترمكعب در ساعت آب تصفيه نشده با استفاده از پرتو فرابنفش و پراكسيد هيدروژن بمنظور جايگزيني دي اكسيد كلر بعمل آمده است. اين دو روش در شرايط عادي، يعني آب پاك و تقريبا عاري از آلودگي و همچنين در شرايط حاد رودخانه گل آلود و كدر و بسيار آلوده مقايسه گرديده اند. اين آزمايشات ثابت نمودند كه تركيب پرتو فرابنفش و پراكسيد هيدروژن در كليه شرايط يك روش ضدعفوني كاملاّ رضايت بخش با قابليت جلوگيري از تشكيل تركيبات جانبي و رشد مجدد باكتري ها ميباشد. معرفي پروژه استفاده از كلر و مشتقات آن ( Cl2, HOCl, ClO2) مدتهاست كه به عنوان روش موثر بهداشتي و فني براي ضدعفوني آب آشاميدني شناخته شده ميباشد و انتظار ميرود كه بكارگيري آنها براي كاهش بيماريهاي ناشي آب آلوده مانند اسهال، وبا، حصبه و بيماريهاي انگلي كه هنوز سالانه نزديك به يك ميليارد انسان را مبتلا مي نمايند و باعث مرگ حدود 10 ميليون نفر آنها– اكثرا در ممالك در حال توسعه ميگردند، در سالهاي آينده نيز افزايش يابد [1]. با اين وجود، پس از كشف اين موضوع كه مواد آلي موجود در آبهاي سطحي ميتوانند با كلر و مشتقات آن ايجاد تري هالومتانها (THM) ، كلرات و ساير تركيبات جانبي مضر و سمي (DBP)[1] را بنمايند [2] ، موجب ايجاد نگراني در سطح جهان شد و متعاقبا تلاش در جهت حذف و يا جلوگيري از ايجاد DBP بوسيله روش هاي جايگزين كلر مانند ازن، پرتو فرابنفش، پراكسيد هيدروژن و يا تركيبي از اين روش ها آغاز گرديد. در اين مقوله، در دو دهه گذشته كتب و مقالات فراواني منتشر گرديده است كه همگي حاكي از آنندكه براي رسيدن به راه حل پايدار براي جايگزيني كلر، تحقيقات و كسب تجربيات عملي بيشتري مورد نياز ميباشد و اينكه هيچ يك از روش هاي جديد ضدعفوني قادر به جلوگيري كامل از ايجاد DBP نبوده و نتايج مطلوب حاصل از پروژه هاي تحقيقاتي مختلف بعلت اينكه اكثرا بصورت آزمايشگاهي و در شرايط خاص صورت گرفته اند، بدليل گستردگي طيف كيفيتي آب و مشخصات تصفيه خانه ها معتبر نبوده و قابل تعميم نمي باشد

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

موارد کاربرد UV:
1. ضد عفوني آب هاي آشاميدني
2. ضد عفوني پساب هاي سيستم هاي تصفيه
3. اکسيداسيون پيشرفته پسابهاي صنعتي

 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب