بکارگیری اشعه UV در استراتژی های گندزدایی آب شهری

چکیده

بکارگیری پرتو فرابنفش در فرایند پالایش آب و تصفیه فاضلاب روشی شناخته شده برای جایگزینی مواد شیمیایی گندزدا از قبیل کلر میباشد. پرتو فرابنفش عمل ضد عفونی  را به طور موثر و بدون تولید ترکیبات مشکل زای جانبی ناشی از گندزداهای شیمیایی از قبیل کلر انجام میدهد.

مناسب ترین زمان برای بازبینی استراتژی کلی فرایند گندزدایی در تصفیه خانه ها و شبکه توزیع آب شهری، زمان نوسازی تاسیسات موجود تصفیه آب آشامیدنی و یا در خلال طراحی تاسیسات جدید می باشد. گندزدایی مقدماتی و ثانویه شبکه توزیع آب‌‌،‌‌ هر دو بایستی در قالب یک استراتژی کلی گندزدایی گنجانده شوند. در این مقاله مقایسه ای بین گندزداهای شیمیایی وUV  به عمل آمده و تاثیرات انتخاب هر یک تشریح گردیده است.

پردازش یک استراتژی موفق  گندزدایی نیازمند درک یکپارچه کلیه عوامل زیر است‌ :

     1.  هدف از گندزدایی و میزان مجاز میکروب باقیمانده پس از ضدعفونی

      2. بیولوژی مرتبط با فرایند تصفیه آب و شبکه توزیع

      3. تاثیر عملکرد واحد گندزدایی مقدماتی و کیفیت آب بر روی عملکرد سیستم گندزدایی ثانویه

      4. ملاحظات مکانیسمی، مقایسه محاسن و معایب و انتخاب محل برای استقرار سیستم گندزدا

1) ضرورت بررسی استراتژی های جدید برای گندزدایی گندزدایی آب یک وسیله شناخته شده برای حفاظت جوامع از میکرواورگانیزم های بیماری زای آبزی به شمار می رود. با این وجود، در حال حاضر حتی در جوامع پیشرفته نیز استراتژیهای  گندزدایی کامل نیستند. در خلال سالهای 1988-1981 تعداد 248مورد شیوع بیماریهای ناشی از آب آشامیدنی در ایالات متحده آمریکا گزارش شده است. 45% موارد آلودگی در سیستم های تامین آب شهری، 34% در سیستم های تامین آب برون شهری، 11% در منابع تامین آب خصوصی و 10%  در آب تسهیلات ورزشی- تفریحی مشاهده شده اند[2].   44% از بیماریهای شایع شده توسط پاتوژنهای موجود در آب مربوط به استفاده از آبهای زیرزمینی آلوده، 26% مربوط به استفاده از آبهای سطحی آلوده و 13%  مربوط به آلودگی شبکه توزیع از محل اتصالات ویا هنگام تعمیرات بوده است.  با وجود اینکه گندزدایی شیمیایی بوسیله کلر روشی کاملا عمومیت یافته به شمار    می رود، با توجه به تجربیات علمی فزاینده در مورد مصون شدن میکروبها در مقابل گندزداهای شیمیایی و بالا رفتن آگاهی وحساسیت مردم در مورد سلامتی، ایمنی، هزینه ومحیط زیست، نیاز به یافتن فرایندهای پیشرفته تصفیه آب با بکارگیری روش های گندزدایی غیرشیمیایی و حذف کامل گندزداهای شیمیایی ماندگار ازشبکه های توزیع بیش از پیش ضروری گردیده است.   2)  گند زدایی با UV گندزدایی با UV به عنوان یک روش مطمئن برای  جایگزینی مواد شیمیایی  بطور روزافزون بکارمی رود. دستگاه های UV می توانند برای دامنه وسیعی از کاربردها طراحی شوند. با در نظر گرفتن کیفیت آب و هدف از گندزدایی،  پرتو فرابنفش با موفقیت کامل برای طیف وسیع کاربردی زیر مورد استفاده قرار گرفته است:       1. آب شرب ( شهرها، شهرک ها، برج ها، کارخانجات، منازل و غیره ) از منابع آب سطحی و یا زیرزمینی       2. آبهای فرایندی و تولیدی صنعتی شامل :        الف) صنایع غذایی، نوشابه سازی و آبمعدنی          ب) آبهای سیستم های خنک کننده و تهویه مطبوع         ج ) تاسیسات پرورش ماهی و میگو، و غیره      3.  فاضلاب های شهری، پس از تصفیه مرحله دوم  یا سوم (بازیافت) دلایل اصلی انتخاب گندزدایی به روش UV عبارتند از:     -  تاثیر گذاری (در مقایسه با کلر، UV می تواند با دوز مصرف نسبتا پایینی  طیف وسیعی از میکروبها، باکتری ها ویروسها را نابود کند.)     -  حداقل ریسک برای سلامتی ( ترکیبات جانبی بسیار کم و قابل اغماض است.)     -  به جا نگذاشتن باقیمانده که با مواد آلی موجود در آب ایجاد واکنش نموده و در نتیجه رنگ، عطر و طعم درمحصولات غذایی را تغییر دهد.)     -  ایمنی مصرف کنندگان، مسئولان و جامعه (عدم حمل و نگهداری و کار با مواد شیمیایی سمی)        -  سادگی و هزینه پایین در کاربری و نگهداری (دستگاههای   UV نسبت به دستگاههای مولد اوزن و دی اکسید کلر از پیچیدگی بسیار کمتری بر خوردارند.)      - عدم نیاز به مخازن بزرگ تماس (ضد عفونی با UV در ظرف چند ثانیه کامل می شود در حالیکه سایر روشهای گندزدایی به 10 تا 60 دقیقه زمان نیاز دارند)     -  هزینه پایین سرمایه گذاری دستگاههای UV (در طراحی تاسیسات جدید، ضدعفونی با UV کمترین هزینه سرمایه گذاری را دارد.‌) 3) گندزدایی آبهای سطحی نور UV در دوز متعارف با مولکولها واکنش شیمیایی نشان نمیدهد. درحالیکه مواد گندزدای شیمیایی با اکسیداسیون بعضی ملکولها بستر تغذیه منا سبی برای رشد میکروبی ایجاد میکنند. مقدار پرتو UV مورد استفاده در گندزدایی، در مقایسه با مقداری که در تکنیکهای پیشرفته اکسیداسیون با UV  بکار میرود، بسیار پایین است. از این رو میتوان میزان دوز UV را بدون اینکه منجر به جذب UV در آب شود تا میزان زیادی  بالا برد. عدم حساسیت مواد شیمیایی آب نسبت به تغییرات دوز UV مزیت این شیوه بخصوص در گندزدایی آبهای سطحی می باشد. زیرا به خاطر کیفیت پایین این آبها در مقایسه با آبهای زیرزمینی معمولا گندزدایی بیشتری لازم است. کلر در دوز  بالا می تواند کیست های ژیاردیا را ازبین ببرد ولی بروی کریپتوسپوریدیوم، حتی در دوزهای بالا، تاثیر نمی گذارد. پروتوزوا در آبهای سطحی بیشتر یافت می شود و برای از بین بردن آن به مقادیر بیشتری از گندزداهای شیمیایی نیاز است که مجددا به تشکیل ترکیبات جانبی مضر بیشتری می انجامد. مواردی که وجود کیستهای پروتوزوا خطر شناخته شده ویا بالقوه باشد، عملی ترین   راه حل مقابله با آن استفاده از فیلتر مناسب در تصفیه خانه های شهری و منازل است. یک سیستم خانگی مناسب میتواند شامل یک پیش فیلتر برای خارج کردن رسوبات و ذرات درشت تر، یک فیلتر با منفذ های 5 میکرون مطلق برای خارج کردن ژیاردیا، و در نهایت یک فیلتر با منفذهای 3 میکرون مطلق برای خارج کردن کریپتوسپوریدیوم باشد. اگر فیلترها پس از تعویض و قبل از دورانداخته شدن به مدت طولانی در داخل مواد سفید کننده قرار گیرند، پروتوزوا درگیر در منافذ فیلتر از بین میرود. در تصفیه خانه های شهری، عموما فیلترهای شنی و یا  چند لایه بکار میرود. همچنین می توان از روش های نوین تصفیه با سیستم ازن زنی استفاده نمود. در این صورت باید مواد آلی تجزیه شده توسط ازن پس از ازن زنی بوسیله فیلتر فعال بیولوژیکی ویا کربن فعال جذب شده و سپس باکتریهای حاصل از این فرایند بیولوژیک نابود شوند.UV برای گندزدایی نهایی این سیستم بسیار مناسب می باشد. 4)  مقایسه روش های ضدعفونی پرتو فرابنفش هیچگونه باقیمانده ضد عفونی کننده وارد شبکه توزیع نمیکند همین مساله این  تصور اشتباه را ایجاد کرده که هرگاه امکان شکل گیری لایه های زیستی وجود دارد، باید به جای اشعه ماوراء بنفش از کلر استفاده شود. (به عنوان مثال بر روی سطوح دستگاهها و یا در داخل لوله های خطوط توزیع) اکنون از مدارک علمی انتشار یافته کاملا روشن است که اگر آب حاوی مواد غذایی برای رشد میکروبی باشد (بخصوص کربن آلی قابل جذب AOC ) وجود کلر آزاد باقیمانده به مقدار 1 PPM در خطوط توزیع شهری به هیچ وجه تضمین کننده این مسئله نیست که لایه های زیستی در سطوح لوله شکل نگیرند ودر نتیجه کالیفرم مدفوعی در شیرهای مصرف آب دیده نشود[5]. در واقع کلر ماده ای بسیار فعال و واکنشی است: واکنش با مولکول ها و میکروبهای واقع در سطح خارجی بیوفیلم ها کلر باقیمانده را بسرعت مصرف مینماید. نتیجتا، کلر نمی تواند در عمق بیوفیلم نفوذ کرده و فعالیت میکروبهای موجود در سطوح عمیق تر را از بین ببرد.  کلرآمین بدلیل آنکه نسبت به کلر واکنش کند تری از خود نشان میدهد در از بین بردن بیوفیلم ها و کنترل میکروبی در خطوط توزیع بهتر عمل میکند[4]. از آنجاییکه کلرامین برای ضد عفونی اولیه بخصوص در دوزهای متعارف مناسب نمی باشد و بعضی از ویروسها نسبت به آن مقاوم می باشند، یک استراتژی مطلوب جهت ضد عفونی میتواند استفاده از اشعه ماورای بنفش به عنوان گندزدای اولیه و سپس استفاده از کلرامین با تاثیر ضد عفونی ماندگار ثانویه جهت جلوگیری از رشد میکروبی در محیط های حاوی AOC در خطوط توزیع باشد. با این وجود این روش یک مشکل اساسی دارد: اگرچه کلرامین، نسبت به کلر آزاد، تری هالومتانهای بمراتب کمتری تولید میکند ولی باعث ایجاد مولکولهای پیچیده تر و سنگین تری میگردد. با توجه به این مطلب این روش را میتوان “دومین بهترین استراتژی ضد عفونی آب” محسوب کرد. 5) بهترین استراتژی ضدعفونی بهترین استراتژی ضد عفونی روشی است که هیچ نوع ترکیبات آلی جانبی ایجاد نکند و با کارایی بالا باکتریها و ویروسها را از بین برده و پرتوزوا را تصفیه نماید و همچنین به مواد شیمیایی باقیمانده در خطوط توزیع شبکه نیاز نداشته باشد. هیچ شیوه ضد عفونی به تنهایی نمیتواند کلیه این اهداف را برآورده نماید لیکن طراحی فرایندی که اجزاء آن در کنار یکدیگر موفق به دستیابی به این اهداف گردند امکان پذیر است[1]. یک چنین فرایندی شامل اجزاء زیر میباشد:  1.  پیش تصفیه آب بانضمام حذف ذرات آلی تا حد دستیابی به کیفیت مطلوب توسط فیلتراسیون  2. حذف مواد محلول آلی غذایی توسط فیلترهای بیولوژیکی فعال، شنی وکربن فعال  3. ضد عفونی با دوز صحیح توسط  UV بمنظور از بین بردن باکتریها و ویروسهایی که از فیلتر ها عبور میکنند 4.     انتقال آب پالایش شده به شبکه توزیع مجهز به سیستم تعمیر و نگهداری  بدون استفاده از مواد شیمیایی باقیمانده[6] این شیوه ای است که امروزه در اروپا بکار میرود و سیستمی است که از طرف بعضی محافل تخصصی بعنوان روند تکاملی در تصفیه آب شناخته شده است. امروزه در بعضی شهر های بزرگ اروپا و برخی شهر های کوچک در ایالات متحده از هیچ نوع  ماده ضد عفونی کننده باقیمانده در آبهای آشامیدنی استفاده نمی کنند.   کیفیت آب در این شهر ها بسیار خوب است و شمارش میکروبی پایین تر از حد مجاز میباشد (به عنوان مثال کمتر از 500 کلنی در هر میلی لیتر) 6)  نحوه عملکرد UV اصول گندزدایی با پرتو فرابنفش در مقالات متعددی منتشر شده است. بطور خلاصه میتوان گفت که لامپهای کم فشار جیوه ای با راندمان بالا و یا لامپ های پر فشار جیوه ای با راندمان کم تر  ولی  شدت تابش بیشتر ، در اسید نوکلئیک (مولکولهای حاوی اطلاعات ژنتیکی) میکروبها تغییرات فتو شیمیایی ایجاد میکند. این تغییرات مانع تکثیر سلولی و تولید مثل آنها میگردد. مقدار تخریب ایجاد شده توسط پرتو فرابنفش و در نتیجه میزان تاثیر فرایند ضد عفونی با شدت نور و مدت زمان مجاورت با تابش متناسب میباشد. از این نظر، دوزUV  برابر است با حاصل ضرب مقدار متوسط شدت تابش پرتو UV در طول موج 254 نانومتر در داخل محفظه دستگاه UV (بر حسب mW/cm2 ) در مدت زمان عبور آب از داخل دستگاه ( بر حسب ثانیه). دوز UV بر اساس ژول برمتر مربع ( J/m2) و یا میلی وات ثانیه بر سانتیمتر مربع  (mW.s/cm2)محاسبه میشود. دوز متداول پرتو افشانی UV برای ضد عفونی آب شرب بر اساس کیفیت آب و هدف ضد عفونی مورد نظر بین 400 و 1200 ژول بر متر مربع (40 تا 120 میلی وات ثانیه بر سانتیمتر مربع)  قرار دارد. 7) عوامل موثر در تعیین دوز UV بکارگیری موثر لامپ های UV برای کاربرد های مختلف شامل ضدعفونی آب آشامیدنی، آب فرایندی و فاضلاب، نیاز به آگاهی از عوامل تعیین کننده دوز UV دارد. این عوامل شامل موارد زیر میباشند: 1. میزان آلودگی میکروبی آب ورودی 2. فرایند تصفیه قبل از ضد عفونی با UV. فرایند تصفیه در مورد عوامل کیفی آب مانند مقدار و اندازه مواد جامد، کدورت، شفافیت برای نور UV و غیره و همچنین مشخصات میکربی آب عامل تعیین کننده میباشد. 3. قوانین و استانداردهای  تعیین کننده میزان مجاز میکروب باقیمانده پس از ضد عفونی بر حسب مورد کاربرد. 4. عوامل بیولوژیکی مربوط به حساسیت میکروبها در مقابل نور UV 5. عوامل فیزیکی: 1-5-  عوامل تعیین کننده شدت تابش متوسط UV در داخل دستگاه : -  طراحی محفظه دستگاه -  قدرت و تعداد لامپها -  شفافیت آب در طول موج UV  2-5- حصول اطمینان از اینکه شدت تابش متوسط UV در داخل دستگاه به میکروبهای داخل آب رسیده است یا خیر :  - وضعیت استقرار میکروبها (شناور بصورت آزاد و یا داخل ذرات معلق، طیف اندازه ذرات معلق و ترکیب ذرات) -   نحوه رفتار هیدرولیکی مایع در هنگام عبور از داخل محفظه UV و میزان تلاطم - دبی مراجع  1.   Cairns W.L. (1995)Ultraviolet Technology  for Water Supply Treatment. Convention Paper, 20th Annual Convention and Exhibition, Water Quality Association.  2.   Craun G.F. (1991) Causes of waterborne outbreaks in the United States. In Proceedings of the AWWA Water Quality Technology Conference – Advances in Water Analysis and Treatment. Part I, p. 149-152. American Water Works Association, Denver, CO.   3.   Kruithof  J.C. & van der Leer R.C. (1990) Practical experiences with UV- disinfection in the Netherlands. In Proceedings of the AWWA Seminar on Emerging Technologies in Practice. P. 177-190, American Water Works Association, Denver, CO.   4.   Neden D.G., Jones R.J., Smith J.R., Kirmeyer G.J. & Foust G.W. (1992) Comparing chlorination and chloramination for controlling bacterial regrowth. Journal AWWA 84, 80-88.   5.   Rice E.W. Scarpino P.V., Reasoner D.J., Logsdon G.S. & Wild D.K. (1991) Correlation of coliform growth response with other  water quality parameters. Journal AWWA 83, 98-102. 6)شبکه توزیع آب شهر زوریخ بدون نیاز به تزریق کلر نهائی -  بهرام مظفر زنگنه (1378) مجله آب و محیط زیست، شماره 35، صفحه 24-28. × کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، مدیر عامل شرکت مهندسی پیلاب – فناوری های زیست محیطی