اصول ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر

استفاده از کلر برای ضدعفونی آب آشامیدنی، از متداولترین و قدیمی ترین روش ها برای این منظور به شمار می رود. کلر به دلیل خاصیت اکسید کنندگی بالا، توانایی زیادی برای ترکیب با سایر مواد از جمله میکرو ارگانیسم ها داشته و به این ترتیب باعث از بین رفتن آنها می شود. اما روش استفاده از کلر و مقدار مجاز آن و بسیاری از موارد دیگر از مهمترین سوالاتی است که در این خصوص همواره مطرح می شود.

در این مقاله تلاش شده است تا با نگاهی جامع و تخصصی به اصول ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر به این سوالات پاسخ داده شود. سرفصل های اصلی این مقاله عبارتند از:

- هدف از کلرزنی

- انواع و ویژگی های کلر

- اصول کلرزنی آب آشامیدنی

- ترکیب های مختلف کلر در آب

- عوامل تأثیر گذار روی اثربخشی ضدعفونی آب با کلر

- مقدار کلر مجاز در آب آشامیدنی

جهت آگاهی از سرفصل های فوق و بسیاری از اطلاعات و نمودارهای مفید دیگر، مطالعه ادامه این مقاله را از دست ندهید.

هدف از کلرزنی

میکروارگانیسم ها موجودات زنده میکروسکوپی هستند که در نقاط مختلف زمین از جمله آب وجود داشته و زندگی می کنند. میکروارگانیسم ها هم بصورت طبیعی ممکن است در منابع آبی یافت شوند و هم به دلیل مداخلات انسانی مانند ورود فاضلاب انسانی و حیوانی به این منابع راه یابند.

برخی از انواع میکروارگانیسم ها ممکن است برای سلامتی انسان ضرر داشته باشند که اصطلاحاً به این گروه میکروارگانیسم ها، "بیماریزا" (Pathogen) گفته می شود. مصرف آب حاوی این نوع میکروارگانیسم ها بدون انجام عملیات تصفیه مناسب می تواند منجر به مشکلات و بیماری هایی مانند اسهال و موارد دیگر شود.

میکروارگانیسم های بیماریزا معمولاً به سه دسته کلی زیر قابل تقسیم هستند:

- باکتری ها (Bacteria): مانند "اشرشیا کلیفرم (E. coli)" و "وبا"

- ویروس ها (Viruses): مانند "هپاتیت A" و "فلج"

- انگل ها (Protozoa): مانند "کریپتوسپوریدیوم" و "ژیاردیا"

کلر یک ماده ضدعفونی کننده قوی است که می تواند باعث از بین رفتن و یا غیر فعال کردن میکروارگانیسم های بیماریزای فوق شود. فرآیند کلرزنی، به معنی اضافه کردن کلر به آب آشامیدنی جهت از بین بردن و یا غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها از جمله میکروارگانیسم های بیماریزا است. هرچند، کلر یک ماده ضدعفونی کننده قوی است، اما قادر به از بین بردن تمامی میکروارگانیسم های بیماریزا نمی باشد.

بصورت کلی می توان گفت که کلر در برابر باکتری ها بیشتری اثربخشی را دارد. اما در برابر برخی انواع ویروس ها کم تر اثربخش بوده و در برابر برخی از انواع انگل ها نیز اثربخشی بسیار ناچیزی دارد. میران اثربخشی کلر در برابر سه دسته اصلی میکروارگانیسم ها را می توان در قالب شکل زیر نشان داد:

انگل ها ممکن است با تشکیل پوسته هایی مانند کیست (cyst) و یا تخمک (oocyst) مدت زیادی بتوانند در محیط پایدار بمانند. به همین دلیل این موجودات در برابر کلر پایداری زیادی از خود نشان می دهند. بنابراین در خصوص ضدعفونی آب های حاوی این انگل ها مانند انگل "کریپتوسپوریدیوم" می بایست توجه ویژه ای داشته و از سایر روش های ضدعفونی مانند استفاده از دستگاه ضدعفونی کننده اشعه ماوراء بنفش (UV) استفاده نمود.

انواع و ویژگی های کلر

کلر در سه نوع جامد (پودر)، مایع و گاز وجود دارد. ویژگی های شیمیایی مهم کلر می توان به موارد زیر اشاره نمود:

- کلر از نظر شیمیایی ماده ای بسیار فعال و واکنش گرا است و به همین دلیل سریعاً با مواد آلی، میکروارگانیسم ها، فلزات، لوله و اتصالات واکنش نشان داده و با آنها ترکیب می شود.

- کلر مایع، بسیار فرار است. یعنی اگر کلر مایع در معرض هوا قرار گیرد، به سرعت از فاز مایع خارج شده و وارد هوا می شود.

- کلر دارای طعم و بوی قوی و خاصی است که در صورت استنشاق و یا مصرف آب آشامیدنی حاوی کلر بالا براحتی قابل تشخیص است.

- کلر یک ماده با خورندگی بالا است. به همین دلیل می تواند باعث ایجاد ناراحتی و سوزش در بافت های بدن انسان مانند پوست و چشم شده و همینطور موجب خورده شدن تجهیزات و لوله های فلزی شود. بنابراین نگهداری، حمل و استفاده از کلر می بایست در نهایت احتیاط انجام شود.

- کلر پس از انجام عملیات ضدعفونی در آب تا مدتی ماندگاری دارد. لذا قابلیت ضدعفونی نگه داشتن آب تا مدتی حتی در صورت ورود میکروارگانیسم های آلوده ثانویه در مخزن و خطوط انتقال را دارد.

یکی از مهمترین ویژگی هایی که در انواع مختلف کلر وجود دارد، میزان "خلوص" (Concentration) آن است که بر حسب درصد (%) بیان می شود. خلوص گاز کلر حدود 100% است. اما پودر و کلر مایع به دلیل وجود مواد دیگر در ترکیب آنها (مانند کلسیم، سدیم و یا آب) از خلوص کمتری برخوردار هستند.

مشخصات و ویژگی های انواع کلر را می تواند در جدول زیر مشاهده نمائید:

با توجه به ماندگاری و قدرت بالا و همچنین هزینه های پایین حمل و نگهداری، معمولاً پودر کلر (با فرمول شیمیایی هیئوکلریت کلسیم) یک گزینه مناسب برای سیستم های کلرزنی در حجم پایین مورد استفاده قرار می گیرد.

هرچند امکان اضافه کردن مستقیم پودر کلر به آب وجود دارد، اما توصیه می شود تا پودر کلر ابتدا در مقداری از آب بصورت محلول درآمده و سپس به آب تزریق شود.

در جاهائیکه نیاز به تهیه دائمی محلول کلر در حجم بالا وجود دارد، هم به دلیل نیاز به نیروی انسانی و هم ملاحظات ایمنی در زمان حمل و تهیه محلول، معمولاً بجای آن از کلر مایع استفاده می شود.

کلر گازی تنها در سیستم های ضدعفونی با حجم بالا ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از کلرزن گازی چند محدودیت مهم دارد:

- هزینه بالای تجهیزات تزریق کلر گازی

- نیاز به تخصص اپراتور

- ملاحطات ایمنی (از همه مهمتر)

با توجه به دلایل فوق، برای سیستم های کلرزنی کوچک و متوسط ترجیحاً از کلر جامد و یا کلر مایع استفاده شده و کلرزن گازی تنها در سیستم های ضدعفونی و تصفیه خانه های بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.

اصول کلرزنی آب آشامیدنی

مقدار کلر

منظور از مقدار کلر (chlorine dose)، میزان کلر اضافه شده و یا غلظت کلر موجود در آب است. مقدار کلر موجود در آب با واحد میلی گرم بر لیتر (mg/lit) بیان می شود. به عنوان مثال، منظور از غلظت کلر 1 میلی گرم در لیتر به این معناست که در هر لیتر آب، 1 میلی گرم کلر وجود دارد.

ترکیب های مختلف کلر در آب

زمانی که کلر به آب اضافه می شود، ترکیب های مختلفی از کلر در آب به وجود می آید. این ترکیب ها را می توان بصورت خلاصه در شکل زیر مشاهده نمود:

همانطور که قبلاً اشاره شد، کلر یک ماده شیمیایی بسیار قوی است و تمایل زیادی برای ترکیب شدن با سایر مواد دارد. بنابراین، کلر به سرعت با مواد آلی و غیر آلی موجود در آب از جمله میکروارگانیسم ها و مواد فلزی ترکیب می شود. میزان کلر موجود در آب پس از ترکیب شدن با این مواد کاهش می یابد. به مقدار کلری که پس از تزریق، با مواد آلی و غیرآلی موجود در آب ترکیب می شود، "کلر مصرف شده" (Chlorine Demand) گفته می شود.

پس از مصرف اولیه بخشی از کلر (کلر مصرف شده)، مقداری کلر بصورت ترکیب نشده در آب باقی ماند که به آن "کلر کل" (Total Chlorine) گفته می شود.

کلر کل، خود به دو بخش اصلی تقسیم می شود:

- کلر ترکیب شده (Combined Chlorine): این بخش از کلر ضمن ترکیب کلر با مواد آلی و ترکیبات نیتروژن از جمله آمونیاک ایجاد می شود که خاصیت ضدعفونی کنندگی ضعیفی دارد.

- کلر آزاد (Residual Chlorine): بخشی از کلر که بصورت ترکیب نشده در آب باقی می ماند، آمادگی ترکیب با میکروارگانیسم ها را داشته و مهمترین بخش کلر برای ضدعفونی آب به شمار می رود. کلر آزاد کاملاً خاصیت ضدعفونی کنندگی داشته و میزان آن در آب یک پارامتر بسیار مهم برای سنجش اثربخشی ضدعفونی به شمار می رود.

مقدار کلر آزاد مجاز در آب آشامیدنی

وجود مقدار کافی "کلر آزاد" در آب نشاندهنده دو موضوع مهم است:

- مقدار کلر تزریق شده اولیه کافی بوده و می توان اطمینان داشت که آب بصورت کامل ضدعفونی شده است.

- در صورت ورود مجدد آلودگی و میکروارگانیسم های بیماریزا، با وجود کلر آزاد تا حدی از آب محافظت می شود.

وجود میزان کافی کلر آزاد در آب, عامل مهمی برای پیشگیری از آلودگی مجدد آب توسط میکروارگانیسم ها به شمار می رود. طبق نظر سازمان بهداشت جهانی (WHO)، حداقل میزان مجاز کلر آزاد در آب در نقطه مصرف 0.2 mg/lit و حداکثر آن 5 mg/lit تعیین شده است. البته با توجه به اینکه میزان بالای کلر ممکن است از نظر طعم و بو برای مصرف کننده کمی ناخوشایند باشد، توصیه شده است که مقدار تزریق کلر در حدی تنظیم شود که نهایتاً کلر آزاد در نقطه مصرف در بازه 0.2 – 0.5 mg/lit قرار داشته باشد.

البته همانطور که گفته شد، مقدار پیشنهادی فوق برای نقطه مصرف است. لذا در نقطه تزریق با توجه به مصرف کلر در مسیر انتقال و مخازن جهت ضدعفونی، مقدار کلر آزاد در بالادست نقطه مصرف باید بالاتر باشد تا از وجود حداقل 0.2 mg/lit کلر آزاد در زمان مصرف اطمینان وجود داشته باشد.

رابطه میزان کلر مورد نیاز و آلودگی آب

بصورت کلی، هر چه آب کثیف تر و آلوده تر باشد، حاوی مواد آلی و معدنی بیشتری بوده و طبعاً نیاز به مصرف کلر بالاتری دارد. این رابطه را می توان به صورت شماتیک در شکل زیر مشاهده نمود:

کلر مورد نیاز جهت ضدعفونی آب با تغییر کیفیت آب، تغییر خواهد کرد. تغییرات کیفیت آب می تواند به دلایل مختلفی از جمله موارد زیر اتفاق بیفتد:

- تغییرات فصلی در منبع آب (مانند رشد جلبک ها در تابستان و افزایش کدورت آب در زمان های بارندگی)

- تغییرات شدید آب و هوایی و زیست محیطی (مانند طوفان، سیل، زمین لرزه و آتش سوزی)

- عملکرد نامناسب بخشی از سیستم های تصفیه آب (مانند فرآیندهای شفاف سازی و فیلتراسیون در تصفیه خانه ها)

بنابراین بررسی کیفیت آب پیش از اضافه نمودن کلر، از اهمیت بالایی برخوردار بوده و می تواند موجب تغییر مقدار تزریق کلر در آب شود. 

مفهوم Ct در ضدعفونی

کلر برای از بین بردن کامل میکروارگانیسم ها در فرآیند ضدعفونی آب آشامیدنی نیاز به زمان دارد که اصطلاحاً به آن "زمان تماس" (Contact Time) گفته می شود. زمان تماس، میزان کلر آزاد و سایر پارامترهای لازم، تعیین کننده اثربخشی ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر هستند که مجموعاً در قالب مفهومی به نام Ct بیان می شود.

مفهوم Ct در واقع حاصلضرب غلظت کلر (C) در مدت زمان تماس کلر با آب (t) است و با واحد min.mg/Lit بیان می شود. مقدار مجاز Ct برای ضدعفونی کامل آب آشامیدنی به سه پارامتر مهم زیر بستگی دارد:

- میزان کلر موجود در آب

- دمای آب

- مقدار pH آب

بطور کلی، تأثیر عوامل مختلف بر اثربخشی ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:

تأثیر مقدار کلر: هر چه میزان کلر موجود در آب بیشتر باشد، مدت زمان تماس لازم برای اثربخشی ضدعفونی کلر کمتر خواهد بود.

تأثیر دمای آب: بصورت کلی، واکنش های شیمیایی در دمای بالا سریعتر اتفاق می افتند. فرآیند ضدعفونی کلر هم از این قاعده مستثنا نیست. در صورت پایین بودن دمای آب، باید مقدار کلر و یا زمان تماس را افزایش داد.

تأثیر pH آب: ضدعفونی با کلر در محیط اسیدی اثربخشی بیشتری دارد. برای ضدعفونی مناسب آب با کلر، مقدار pH آب نمی بایست بالاتر از 8 باشد. در pH بالای 8، اثربخشی کلر کاهش پیدا کرده و نیاز به مقدار بیشتر کلر و یا زمان تماس طولانی تر خواهد بود. بهترین بازه pH برای ضدعفونی آب با کلر، محدوده 6.5 تا 8.5 می باشد.

تأثیر کدورت آب: کدورت (Turbidity) ناشی از وجود مقادیر زیاد مواد آلی و معدنی در آب است. کدورت باعث به وجود آمدن رنگ کدر یا مات در آب می شود. بالا بودن کدورت آب مستقیماً بر روی کاهش اثربخشی ضدعفونی کلر تأثیرگذار است. در این حالت، کلر بجای ضدعفونی و از بین بردن میکروارگانیسم ها، بیشتر شروع به ترکیب با مواد آلی و معدنی محلول در آب می شود. لذا طبق توصیه سازمان جهانی بهداشت، کدورت آب در زمان کلرزنی می بایست ترجیحاً کمتر از 1 NTU  و نهایتاً زیر 5 NTU باشد. در صورت بالاتر بودن کدورت آب از 5 NTU، مقدار کلر و زمان تماس حتماً باید بیشتر در نظر گرفته شود.

تأثیر مجموعه عوامل فوق بر اثربخشی ضدعفونی آب با کلر را میتوانید بصورت شماتیک در شکل زیر ملاحظه کنید:

علاوه بر عوامل فوق و همانطور که در ابتدای این مقاله توضیح داده شد، نوع میکروارگانیسم هم تأثیر زیادی بر روی موفق بودن فرآیند ضدعفونی آب دارد. از بین بردن برخی انواع ویروس ها و انگل ها (مانند ژیاردیا) نسبت به باکتری های عادی نسبت به نیاز به کلر و زمان تماس بیشتری دارد. در مورد برخی از انواع خاص انگل ها (مانند کریپتوسپوریدیوم) به قدری نیاز به کلر و زمان تماس بالایی خواهد بود که عملاً استفاده از کلر برای از بین بردن آنها توجیه پیدا نمی کند.

تعریف Ct و مقادیر توصیه شده آن، برای از بین بردن انگل ژیاردیا در نظر گرفته است که در این مقدار عمده باکتری ها و ویروس ها در این مقدار Ct از بین می روند.

مقدار مناسب Ct جهت ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر

طبق توصیه سازمان بهداشت جهانی (WHO) مقدار Ct جهت حصول اطمینان از اثربخشی ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر حداقل باید 15 min.mg/Lit در pH کمتر از 8 باشد.

به عنوان مثال، در pH کمتر از 8 و در حالتی که مقدار کلر آزاد بالای 0.5 ppm باشد، حداقل زمان تماس آب با کلر می بایست 30 دقیقه باشد. طبعاً با افزایش مقدار کلر نسبت به حالت  فوق، زمان تماس مورد نیاز کاهش خواهد یافت و بالعکس.

جمعبندی

برای اثربخش بودن ضدعفونی آب آشامیدنی با کلر حتماً موارد زیر می بایست مد نظر قرار داده شود:

- کدورت آب: ترجیحاً کمتر از 1 NTU و نهایتاً کمتر از 5 NTU

در آب با کدورت بالای 5 NTU مقدار کلر و زمان تماس می بایست افزایش قابل توجهی داشته باشد.

- pH آب: کمتر از 8

در آب با pH بالای 8، مقدار کلر و زمان تماس می بایست افزایش قابل توجهی داشته باشد.

- زمان تماس: حداقل 30 دقیقه برای حالتی که pH آب زیر 8 و مقدار کلر بیشتر از 0.5 mg/Lit است.

- مقدار کلر آزاد در آب آشامیدنی در نقطه مصرف می بایست حداقل 0.2 mg/Lit و ترجیحاً کمتر از 0.5 ppm باشد.

- مقدار کلر آزاد در نقطه مصرف نباید از 5 ppm بیشتر باشد.