محاسبات میزان تزریق کلر جهت ضدعفونی آب

استفاده از سیستم های تزریق کلر جهت ضدعفونی و یا اکسیداسیون آب، یکی از متداولترین روش هایی است که در کاربردهای خانگی و صنعتی در مصارف مختلفی مانند ضدعفونی آب مصرفی، ضدعفونی آب استخر و حذف آهن و منگنز مورد توجه زیادی قرار دارد.

انتخاب صحیح اجزای مناسب سیستم تزریق از جمله پمپ تزریق، مخزن آماده سازی محلول کلر و همچنین بهره برداری قابل قبول این سیستم ها، نیازمند محاسبه دقیق پارامترهای این سیستم است.   

در این مقاله، به محاسبات لازم جهت انتخاب و بهره برداری مناسب سیستم های تزریق کلر با جزئیات کافی پرداخته می شود. مهمترین بخش های این مقاله به شرح زیر می باشند:

- محاسبه میزان کلر ترکیب شده

- محاسبه پارامتر Ct

- محاسبه مقدار کلر مورد نیاز جهت تزریق به آب

- محاسبه میزان پودر کلر مورد نیاز

- محاسبه میزان تزریق محلول کلر

محاسبه میزان کلر ترکیب شده

کلر ترکیب شده، مقدار کلری است که صرف اکسیداسیون و ترکیب با میکروارگانسیم های موجود در آب و ضدعفونی آب می شود. کلر ترکیب شده عملاً خاصیت ضدعفونی کنندگی بسیار پایینی دارد. مقدار کلر ترکیب شده با فرمول زیر محاسبه می شود:

Combined Chlorine (mg/lit) = Actual Chlorine Dose (mg/lit) – Residual Chlorine (mg/lit)

فرمول شماره (1)

Combined Chlorine = کلر ترکیب شده (میلی گرم / لیتر)

Actual Chlorine Dose = کلر تزریق شده واقعی (میلی گرم / لیتر)

Residual Chlorine = کلر باقیمانده (میلی گرم / لیتر)

مقدار کلر باقیمانده در آب، میزان کلرآزادی است که 30 دقیقه پس از تزریق کلر به آب وجود داشته و قابل اندازه گیری است. کلر آزاد هنوز واکنشی با مواد خارجی نداشته و در صورت ورود میکروارگانیسم ها به آب می تواند با آنها ترکیب شده و آنها را از بین ببرد. کلر آزاد کاملاً خاصیت ضدعفونی کنندگی داشته و میزان آن در آب یک پارامتر بسیار مهم برای سنجش اثربخشی ضدعفونی به شمار می رود.

به عنوان مثال، اگر مقدار واقعی تزریق کلر به آب 2 mg/lit بوده و میزان کلر باقیمانده در آب پس از 30 دقیقه 1 mg/lit باشد، فرمول ذکر شده نشان می دهد که مقدار کلر ترکیب شده آب 1 mg/lit می باشد.

Combined Chlorine (mg/lit) = 2 mg/lit – 1 mg/lit = 1 mg/lit

از مقدار کلر ترکیب شده، می توان برای محاسبه میزان تزریق مورد نیاز کلر که در بخش های آتی به آن پرداخته می شود، استفاده نمود.

محاسبه پارامتر Ct

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

مقدار پارامتر Ct با فرمول زیر محاسبه می شود:

Ct (min.mg/lit) = Residual Chlorine (mg/lit) * Contact Time (min)

فرمول شماره (2)

Residual Chlorine = کلر باقیمانده (میلی گرم / لیتر)

Contact Time = مدت زمان تماس کلر با آب (دقیقه)

همانطور که قبلاْ اشاره شد، کلر باقیمانده آب می بایست 30 دقیقه پس از کلر اندازه گیری شود.

مدت زمان تماس کلر با آب می تواند در مخزن و یا سیستم لوله کشی بوده و لازم است تا به درستی اندازه گیری و در این فرمول مورد استفاده قرار گیرد.

به عنوان مثال، اگر زمان تماس کلر با آب در مخزن 60 دقیقه بوده و میزان غلظت کلر باقیمانده یا آزاد در آب 0.6 میلی گرم بر لیتر یا ppm باشد، مقدار Ct با توجه به فرمول بیان شده، به شکل زیر محاسبه می شود:

 Ct (min.mg/lit) = 0.6 (mg/lit) * 60 (min) = 36 min.mg/lit

طبق توصیه سازمان جهانی بهداشت (WHO)، جهت حصول اطمینان از ضدعفونی مناسب، مقدار پارامتر Ct حداقل می بایست 15 min.mg/lit در pH کمتر از 8 باشد.

یعنی با توجه به فرمول فوق، مقدار Ct مناسب به عنوان مثال برای زمانی است که میزان کلر باقیمانده 0.5 ppm و مدت زمان تماس آب با کلر 30 دقیقه در pH کمتر از 8 باشد. (30 min * 0.5 mg/lit = 15 min.mg/lit)

برای محاسبه مدت زمان تماس کلر با آب در مخزن ذخیره، می توان از فرمول زیر استفاده کرد:

Detention Time (min) = Storage Volume (m³) / Maximum Outflow Rate (m³/min)

فرمول شماره (3)

Detention Time = مدت زمان ماند آب در مخزن ذخیره (دقیقه)

Storage Volume = حجم مخزن (متر مکعب)

Maximum Outflow Rate = حداکثر دبی آب خروجی از مخزن (متر مکعب / دقیقه)

به عنوان مثال، زمان ماند آب در یک مخزن با ظرفیت 2000  لیتر و حداکثر دبی آب خروجی از مخزن 50 لیتر بر دقیقه، با فرمول فوق به روش زیر محاسبه می شود:

Detention Time (min) = 2 (m³) / 0.05 (m³/min) = 40 min

محاسبه مقدار کلر مورد نیاز جهت تزریق به آب

مقدار کلر مورد نیاز برای ضدعفونی آب از رابطه زیر محاسبه می شود:

Required Chlorine Dose (mg/lit) = Combined Chlorine (mg/lit) + Desired Residual Chlorine (mg/lit)

فرمول شماره (4)

Required Chlorine Dose = کلر مورد نیاز جهت تزریق (میلی گرم / لیتر)

Combined Chlorine = کلر ترکیب شده (میلی گرم / لیتر) – بر اساس فرمول شماره (1)

Desired Residual Chlorine = کلر باقیمانده مد نظر (میلی گرم / لیتر)

کلر باقیمانده مد نظر، مقداری از کلر است که پس از ترکیب کلر ترکیب شده با میکروارگانیسم ها و سایر آلاینده ها می بایست بصورت آزاد جهت حصول اطمینان از ضدعفونی کامل در آب وجود داشته باشد.

به عنوان مثال، اگر مقدار کلر ترکیب شده 2 mg/lit بوده و بخواهیم مقدار 1 mg/lit کلر آزاد هم در آب بصورت باقیمانده وجود داشته باشد، کل مقدار کلری که می بایست به آب تزریق شود، با توجه به فرمول فوق بصورت زیر محاسبه خواهد شد:

Required Chlorine Dose (mg/lit) = 2 mg/lit + 1 mg/lit = 3 mg/lit

لازم به ذکر است که مقدار کلر آزاد باقیمانده در آب بسته به کیفیت و نوع مصرف آب متفاوت است. اما بصورت کلی برای آب آشامیدنی بازه 0.2 - 0.5 mg/lit و برای استخرهای شنا 1.0 – 3.0 mg/lit کلر آزاد باقیمانده، مقادیر مناسبی به شمار می روند.

محاسبه میزان پودر کلر مورد نیاز جهت تهیه محلول کلر

در این بخش به نکات و محاسبات مرتبط با تهیه محلول کلر با استفاده از پودر کلر و نحوه تزریق آن به آب جهت ضدعفونی پرداخته می شود.

پودر کلر پیش از استفاده و تزریق، می بایست ابتدا در آب حل شود. مقدار پودر کلر مورد نیاز جهت تهیه محلول کلر به عوامل مختلفی از جمله پارامترهای زیر بستگی دارد:

- نوع و قدرت پودر کلر مورد استفاده: به عنوان مثال، پودر کلرهای بی رنگ کننده یا آهک کلرینه (Bleaching Chlorine Powder) دارای حدودأ 35٪ کلر فعال هستند. در صورتیکه، این مقدار در کلرهای هیپوکلریت کلسیم (High Test Hupochlorite) معمولاْ به حدود 70٪ کلر فعال می رسد.

- غلظت در نظر گرفته شده برای محلول کلر: منظور از غلظت محلول کلر، میزان کلر فعال موجود در محلول کلر است که با درصد بیان می شود. به طور کلی، تأثیر میزان غلظت محلول کلر بر میزان تزریق را به صورت زیر بیان نمود:

• هر چه غلظت محلول کلر بیشتر (مثلاْ 5٪) باشد، تزریق مقدار کمتری از محلول برای ضدعفونی نیاز است.
• بر عکس، برای حصول اطمینان از تزریق کلر کافی در حالتی که غلظت محلول کلر کمتر (مثلاْ 1٪) است، مقدار تزریق باید بیشتر (در این مثال نسبت به بالا 5 برابر) باشد.

میزان غلظت محلول تهیه شده از پودر کلر معمولاً بین 1٪ تا 5٪  بوده و بسته به شرایط در این بازه می تواند تغییر کند.

پودر کلر معمولاْ دارای مقداری ناخالصی است که در آب بصورت نامحلول است. این ناخالصی ها پس از حل شدن پودر کلر در آب، در ظرف محلول کلر ته نشین می شود. این ناخالصی ها ممکن است باعث بروز مشکلاتی در سیستم تزریق از جمله در ساختار خود پمپ تزریق و گرفتگی در آنها شوند. برای پیشگیری از این مشکل، می بایست محلول کلر پس از مخلوط شدن و پیش از استفاده و یا انتقال به مخزن تزریق (در سیستم های دوبلکس دارای دو مخزن) مدتی (مثلاً 24 ساعت) ساکن بماند تا این ناخالصی ها کاملاً ته نشین شوند.

از آنجائیکه حل کردن مقدار زیاد پودر کلر در ظرف تهیه محلول باعث می شود تا رسوب ناشی از ناخالصی های کلر نیز به همان نسبت افزایش یابد، لذا در افزایش غلظت محلول کلر محدودیت وجود دارد. با توجه به دلیل اشاره شده، غلظت محلول کلر می بایست زیر 5 ٪ (معمولاً 1٪-2٪) در نظر گرفته شود.

در صورتیکه بنا به دلایلی (مانند کم بودن ظرفیت پمپ تزریق) الزام بر تهیه محلول کلر با غلظت بالای 5٪ باشد، همانطور که اشاره شد باید حتماْ 24 ساعت پس از اختلاط به محلول زمان داده شود تا ناخالصی ها بصورت کامل ته نشین شده و سپس محلول تمیز و بدون ناخالصی را به مخزن دیگری برای تزریق منتقل نمود.

در ادامه مقاله، به محاسبات مربوط به پودر کلر مورد نیاز و میزان تزریق آن پرداخته خواهد شد.

محاسبه وزن پودر کلر مورد نیاز

وزن پودر لازم جهت تهیه محلول کلر، از فرمول زیر محاسبه می شود:

Chlorine Weight (g) = 1000 * Volume of Chlorine Liquid Required (lit) * Desired Chlorine Liquid Concentration (%) / Active Chlorine Concentration in Chlorine Powder

فرمول شماره (5)

Chlorine Weight = وزن پودر کلر مورد نیاز (گرم)

Volume of Chlorine Liquid Required = حجم محلول کلر مورد نیاز (لیتر)

Desired Chlorine Liquid Concentration = غلظت محلول کلر مد نظر (درصد)

Active Chlorine Concentration in Chlorine Powder = خلوص پودر کلر (درصد)

حجم محلول کلر بسته به عوامل مختلفی از جمله میزان مصرف روزانه کلر و امکان ذخیره سازی روزانه آن دارد. غلظت محلول کلر نیز همانطور که اشاره شد، بین 1٪ تا 5٪ در نظر گرفته می شود. درصد خلوص پودر کلر هم با توجه به نوع آن و شرایط نگهداری متفاوت است که در بخش های قبلی مقاله به آن اشاره شده است. بصورت کلی می توان گفت که پودر کلرهای بی رنگ کننده یا آهک کلرینه (Bleaching Chlorine Powder) دارای حدودأ 35٪ کلر فعال هستند. در صورتیکه، این مقدار در کلرهای هیپوکلریت کلسیم (High Test Hupochlorite) معمولاْ به حدود 70٪ کلر فعال می رسد. البته درصد خلوص پودرهای کلر بسته به نوع آنها پس از گذشت هر 40 روز بین 5٪ تا حتی 18٪ ممکن است افت داشته باشد.

به عنوان مثال، می خواهیم بدانیم برای تهیه 200 لیتر محلول کلر با غلظت 2٪، چه مقدار پودر کلر هیپوکلریت کلسیم با خلوص70٪ احتیاج است؟ وزن پودر کلر مورد نیاز با توجه به فرمول فوق به روش زیر محاسبه می شود:

Chlorine Weight (g) = 1000 * 200 (lit) * 2 (%) / 70 (%) = 5,714 g

محاسبه میزان تزریق محلول کلر

منظور از این شاخص، مقداری از محلول کلر است که می بایست در یک بازه زمانی مشخص به آب اضافه شود تا میزان کلر موجود در آب به حد مشخصی برسد. میزان تزریق کلر با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:

Chlorine Dose Rate (lit/hr) = Required Chlorine Dose (mg/lit) * Flow Rate (m3/hr) / Chlorine Liquid Concentration (%) * 10

فرمول شماره (6)

Chlorine Dose Rate = میزان تزریق محلول کلر (لیتر بر ساعت)

Required Chlorine Dose = کلر مورد نیاز جهت تزریق (میلی گرم / لیتر) – بر اساس فرمول شماره (4)

Flow Rate = دبی جریان آب (متر مکعب بر ساعت)

Chlorine Liquid Concentration = غلظت محلول کلر (درصد)

منظور از دبی جریان آب (Flow Rate) در فرمول فوق، دبی عبوری آب از خط اصلی است که قرار است کلر به آن تزریق شود. دبی عبوری جریان اصلی، پارامتر مهمی است که تغییرات آن می بایست پایش و تأثیرات آن بر میزان تزریق محلول کلر در نظر گرفته شود.

به عنوان مثال، اگر میزان کلر مورد نیاز در یک سیستم تزریق 3 mg/lit با محلول کلر 1٪ غلظت و جریان عبوری آب 20 m3/hr باشد، میزان تزریق محلول کلر بر اساس فرمول فوق به روش زیر قابل محاسبه خواهد بود:

Chlorine Dose Rate (lit/hr) = 3 (mg/lit) * 20 (m3/hr) / 1 (%) * 10 = 6 lit/hr

محاسبه کلر تزریق شده واقعی

ممکن است در مواردی با دانستن مقدار تزریق کلر توسط پمپ تزریق با واحد لیتر بر ساعت، بخواهیم بدانیم چند میلی گرم کلر بصورت واقعی به آب اضافه شده است. برای به دست آوردن این مقدار می توان از فرمول زیر استفاده نمود:

Actual Chlorine Dose (mg/lit) = Chlorine Dose Rate (lit/hr) * Chlorine Liquid Concentration (%) * 10 / Flow Rate (m3/hr)

فرمول شماره (7)

Actual Chlorine Dose = کلر تزریق شده واقعی (میلی گرم / لیتر)

Chlorine Dose Rate = میزان تزریق محلول کلر توسط پمپ تزریق (لیتر بر ساعت)

Chlorine Liquid Concentration = غلظت محلول کلر (درصد)

Flow Rate = دبی جریان آب (متر مکعب بر ساعت)

به عنوان مثال، در یک سیستم تزریق کلر در تصفیه خانه از محلول کلر با 2٪ غلظت و پمپ تزریق با ظرفیت 6 لیتر بر ساعت استفاده شده و دبی آب عبوری نیز 100 متر مکعب بر ساعت می باشد. مقدار واقعی کلر تزریق شده به آب با توجه به فرمول بالا از روش زیر محاسبه می شود:

Actual Chlorine Dose (mg/lit) = 6 (lit/hr) * 2 (%) * 10 / 100 (m3/hr) = 1.2 mg/lit