مقايسه بين ClO₂  و روش UV/H₂O₂ و براي ضدعفوني آب آشاميدني

بهرام مظفر زنگنه (مدير عامل شركت پيلاب)

چكيده

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 [3،4]. اين موضوع بخصوص در مورد ازن صادق است كه در دهه 1980 به عنوان ماده ضدعفوني كننده يي كه THM ايجاد نمي كند شناخته شد و از اين رو به موفقيت چشم گيري بخصوص در اروپا ( فرانسه، سويس و انگلستان) دست يافت، ولي ناگهان در مدت زمان كوتاهي معلوم گرديد كه اين عنصر باعث ازدياد توليد سم ژنتيكي (geno-toxic) برومات ميگردد [5،6].

در كتب و مقالات اخير مجموعه پرتو فرابنفش و پراكسيد هيدروژن مكررا به عنوان يك روش ضدعفوني مناسب پيشنهاد گرديده است. در اين روش از تاثير ضدعفوني پرتو فرابنفش كه گزارش ميشود هيچگونه تغييري در خواص فيزيكي و شيميايي آب نداده و DBP ايجاد نمي كند به همراه يك ماده ضدعفوني ماندگار  مانند پراكسيد هيدروژن بمنظور جلوگيري از آلودگي هاي بعدي استفاده ميشود [7-14].

EAAP[2]. كه يكي از بزرگترين سازمانهاي آب اروپا ميباشد و همه نوع خدمات مرتبط با آب مصرفي به بيش از 200 منطقه در جنوب ايتاليا عرضه ميكند ( جدول 1 )، در پي يافتن راه حلي براي جايگزيني مواد ضدعفوني با پايه كلر در تصفيه خانه هاي خود ميباشد.

بدين منظور در سال 1992 با استفاده از روش تركيبي H2O2 / UV دو ايستگاه نمونه (pilot plant) ، يكي براي جايگزيني HOCL در تصفيه خانه فاضلاب Trani  و ايستگاه ديگر براي جايگزيني ClO2 در تصفيه خانه آب آشاميدني Sinni  راه اندازي گرديد. اين مقاله نتايج تحقيقات در تصفيه خانه Sinni را پس از گذشت يكسال ارائه ميدهد.

جدول 1: ارقام اصلي شركت EAAP

جدول 2: مشخصات آب رودخانه Sinni

ابزار و روش ها

در يكي از تصفيه خانه هاي  EAAP حدود 400 هزار مترمكعب در روز ( 16500 m3/h ) آب آشاميدني از رودخانه Sinni  كه آب نسبتا تميز و زلالي دارد (جدول 2) تامين ميگردد .

روش ضدعفوني UV / H2O2  بمنظور جايگزيني ClO2  در مرحله پيش از تصفيه آزمايش گرديد. علت انتخاب اين بود كه با ضدعفوني آب خام رودخانه قبل از فرايند تصفيه امكان بررسي ميزان كارآيي سيستم ضدعفوني در محلي كه غلظت زياد  TOC احتمال ايجاد DBP    را بالا برده و همچنين ميزان كدورت آب و مقدار باكتري موجود در آب بالا ميباشد، شرائط مساعدي براي مقايسه عملكرد اين دو روش ايجاد گردد.

در تصفيه خانه Sinni  ضدعفوني با تزريق مستقيم ClO2 كه در in situ   از NaClO2    و  HCl   توليد ميگردد، تامين ميشود. در اين فرايند مقدار يك ميليگرم در ليتر  ClO2 به آب اضافه ميشود تا پس از 1 ساعت زمان تماس، مقدار mg/l 0.2  كلر باقيمانده در آب حاصل گردد. در پروژه پايلوت مقدار m3/h  140  آب خام از ورودي اين تصفيه خانه منشعب گرديد تا بروش UV / H2O2  ضدعفوني شود. بدين منظور حدود mg/l  15 پراكسيد هيدروژن به غلظت 35% مستقيما و بدون منبع تماس ، قبل از دستگاه ضدعفوني UV  به داخل آب تزريق ميگرديد.دستگاه فرابنفش از 4 واحد موازي حاوي جمعا 74 لامپ جيوه كم فشار تشكيل ميگرديد كه با ايجاد اشعه در طول موج 253.7 نانومتر، شدتي به ميزان 30 ميلي وات بر سانتيمتر مربع نور فرابنفش ايجاد مينمودند.

هيدروليك دستگاه امكان توزيع آب بين 2 و يا 4 واحد را ايجاد مي نمود و بدين ترتيب امكان تابش پرتو فرابنفش در دو دوز J/m2 250 و  J/m2 500  فراهم گرديد.

نمونه برداري آب بطور همزمان در نقاط 1 ( آب خام تصفيه نشده )، 2 ( پس از ضدعفوني با ClO2) و 3 ( پس از ضدعفوني با UV / H2O2 ) صورت ميگرفت.

علاوه بر اين، بمنظور مطالعه باكتريواستاتيك آب ضدعفوني شده با UV / H2O2 ، در طول كانال روباز 300 متري نيز نمونه برداري صورت ميگرفت. همچنين، براي كنترل تاثير نور بر فعال سازي مجدد باكتري ها ( photoreactivation effect ) ،  آب از كانال مزبور جمع آوري گرديده و بمدت 3 روز در يك منبع سرباز نگهداري ميگرديد تا ميزان باقيمانده H2O2  و همچنين تغييرات ميكربي در طي زمان بررسي گردد.

نمونه هاي آب علاوه بر آزمايشات متداول فيزيكي-شيميايي و بيولوژيكي ( كدورت، pH ، هدايت الكتريكي، ميزان قليايي بودن، DO ، TOC   COD, ، BOD ، TDS ، ClO2 ، كلر آزاد و تركيب شده، مقدار H2O2  و تمامي انواع متداول يونها )، مطابق با روش هاي استاندارد [15]  تحت آزمايشات ميكربي زير قرار ميگرفت:

        ·           شمارش كل ميكربي (TMC)  در 20 و 37 درجه سانتيگراد

        ·           كل كليفرم و كليفرمهاي مدفوعي

        ·           استرپتوكوكوس فكاليس

        ·           كلستريديوم پرفرينژنس

        ·           پزودوموناس آئروژينوس

علاوه بر اين بمنظور بررسي ايجاد  DBP در هر دو روش ضدعفوني آزمايش هاي زير بعمل ميامد:

        ·           كلريت، كلرات و برومات

        ·  CHCl3, CCl3-CH3, CCl4, CH2Cl-CH2Cl, CHCl2Br, CHClBr2, CHBr3  كه جمعا TH  ( كل هالوفرمها) ناميده ميشود

        ·           PAH

        ·           آترازين

        ·           تست Ames

در پائيز 1992،  پس از نصب دستگاه UV  و انجام لوله كشي هاي لازم، تحقيقات بر روي سيستم UV / H2O2   آغاز گرديد.. بمنظور بررسي شرايط مختلف در طول سال كه بر اثر تغييرات آب و هوا و تخليه هاي موسمي فاضلاب هاي صنعتي در رودخانه ايجاد ميگرديد، برنامه تحقيقاتي 5 روزه در 4 مقطع زماني تنظيم گرديد. در هر مقطع، براي 5 روز پي در پي 140 m3/h   آب رودخانه پس از تزريق مستقيم 15  mg/l  پرااكسيد هيدروژن،  از دستگاه UV   عبور داده ميشد. روز اول براي رسيدن به وضعيت ثابت و تعادل سيستم در نظر گرفته شده بود. در روز هاي دوم تا چهارم بمدت 3 روز نمونه برداري سيستماتيك صورت ميگرفت. در حاليكه آزمايشات دوره دوم در هواي باراني كه بطور ناگهاني كدورت آب رودخانه را تا ميزان 200NTU  و آلودگي TMC را تا 2500 CFU/ml  بالا برد، در طول مدت 4 دوره ديگر آب رودخانه زلال و پاك بود. در مدت بررسي پارامترهاي بهره برداري تصفيه خانه ثابت نگهداشته شد و كلا ميتوان گفت كه  ميانگين نمونه برداري ها بصورت رضايت بخشي معرف نتايج كل هر دوره آزمايشات ميباشند.

نتايج تحقيقات

نمودار1 ازدياد آلودگي ميكربي را در رابطه با ميزان كدورت آب رودخانه نشان ميدهد. بطور غير منتظره أي مشاهده گرديد كه در فصول باراني كه ميزان كدورت افزايش يافته است، بصورت محسوسي مقدار كليفرم هاي مدفوعي  نيز زياد گرديده است. اين نتايج بيانگر آن است كه انشعابات ورودي رودخانه بشدت به فضولات آنتروپيك و زوتكنيك آلوده ميباشد.

اين شرايط امكان مقايسه دو روش ضدعفوني را – نه فقط در وضعيت عادي كه آب رودخانه زلال بوده و آلودگي جزئي دارد، بلكه در شرائط حاد تر كه به محدوده كارآيي روش ها نزديك ميشود، ايجاد ميكند.

 نتايج نشان دادند كه استرپتوكوكوس مدفوعي در روش UV / H2O2 در كليه شرايط بكلي از بين ميرود. اين در حاليست كه پس از ضدعفوني با دي اكسيد كلر، در شرايط حاد تا ميزان 50 CFU/100 ml    استرپتوكوكوس مدفوعي باقي مي ماند. نمودارهاي 2 الي 7، وضعيت آلودگي آب خروجي پس از ضدعفوني با ClO2   و UV / H2O2  با دوز هاي 250 و 500 J/m2  را در رابطه با ميزان آلودگي آب خام ورودي براي شاخص هاي مختلف ميكربي ارائه ميدهند.

بطور كلي ميتوان نتيجه گيري كرد كه تحت شرايط عادي، دوز 250 J/m2  پرتو فرابنفش به اندازه دي اكسيد كلر موثر ميباشد. اين در حاليست كه در شرايط حاد و كدورت هاي بالا، دوز 500 J/m2  UV  راه حل ارجح را  در تقليل كليه شاخص هاي ميكربي به نسبت 2 log   ميسر ميكند. اين امر بويژه در مورد كل كليفرم ها، كليفرم هاي مدفوعي، استرپتوكوكوس و كلستريديوم كه  قوانين كشور ايتاليا مقدار مجاز آنها در آب آشاميدني را صفر CFU/100 ml  تعيين كرده است، حائز اهميت ميباشد. همچنين شمارش كل ميكربي (TMC)  در حرارتهاي 20 و 37 درجه سانتيگراد، پس از ضدعفوني H2O2   پايين تر از حد مجاز تعيين شده در استاندارد ها (100 و 10 CFU/100ml  ) قرار دارد.

در كنار روش ضدعفوني UV بعنوان شيوه موثر و فوري حذف باكتريولوژيك ولي فاقد تاثير ماندگار در آب،   نقش  H2O2  در اين تجربيات ايجاد اطمينان از تداوم وضعيت ضدعفوني و پايداري آن در مقابل پديده شناخته شده photoreactivation  كه معمولا در آب ضدعفوني شده با UV  مشاهده ميشود، ميباشد. بمنظور بررسي عملكرد اين سيستم، مقدار H2O2   باقيمانده در آب ضدعفوني شده با UV  ، در مسير كانال روباز بررسي گرديد (نمودار 8).

علاوه بر اين مقداري از آب ضدعفوني شده بروش UV / H2O2 بمدت 3 روز در يك مخزن سرباز ذخيره گرديده و مقدار باقيمانده H2O2  و رشد باكتري در تابع زمان بررسي شد ( نمودار 9).

نتايج هر دو اندازه گيري نشان ميدهد كه در شرايط مورد بررسي ، اضافه نمودن H2O2  به آب ضدعفوني توسط UV، تداوم موثر ضدعفوني را ضمانت مي نمايد. اين نتيجه، بهمراه سيستم تصفيه فيزيكي-شيميايي تصفيه خانه Sinni  كه وجود مقادير بسيار كم مواد آلي را در آب تضمين مي نمايد، امكان رشد مجدد باكتري ها را پس از ضدعفوني با  UV  از بين ميبرد  [16].

از همه مهمتر، مواد آسيب دهنده كلريت، كلرات و كل هالوفرمها كه پس از ضدعفوني با ClO2   شكل ميگيرند. در ضدعفوني با شيوه UV / H2O2  ايجاد نگرديدند (نمودارهاي 10 و 11). لازم به ذكر است كه در هيچ يك از دو شيوه ضدعفوني تشكيل  برومات، آترازين، PAH  و Ames  مشاهده نگرديد.

در پايان، بر اساس مصرف مواد شيميايي و انرژي استفاده شده در اين پروژه، پيش بيني هاي اقتصادي زير براي طرح پياده سازي روش UV / H2O2  در مقياس كامل براي تصفيه خانه Sinni  بعمل آمد:

پيش بيني ميشود كه هزينه H2O2  با تعيين مقدار مصرف بهينه و تعيين نقطه تزريق براي حصول بهترين نتيجه، كاهش يابد. در مقايسه با هزينهClO2    (6.5 دلار براي هر 1000 متر مكعب) و كل هزينه هاي عملياتي تصفيه خانه ( 100 دلار براي هر 1000 متر مكعب)، 5 تا 10 درصد ازدياد هزينه توليد براي حذف DBP از آب آشاميدني بوسيله روش ضدعفوني UV / H2O2  بنظر كاملا قابل توجيه ميباشد.

جمع بندي نتايج

در شرايط پايلوت با دبي140  m3/h آب خام تصفيه نشده، روش ضدعفوني با UV / H2O2  يك راه حل با ارزش براي جايگزيني ClO2  كه در حال حاضر در تصفيه خانه آب آشاميدني Sinni  استفاده ميشود را ارائه ميدهد. در شرايط عادي، يعني زماني كه آب ورودي نسبتا زلال و پاك باشد، هر دو روش نتايج قابل قبول و رضايت بخش ارائه دادند. در حاليكه در وضعيتي كه آب ورودي آلوده است، روش ضدعفوني با UV / H2O2  عملكرد بهتري را نشان داد. در اين روش، با تزريق پراكسيد هيدروژن به آب ضدعفوني شده توسط پرتو فرابنفش، از تكثير مجدد باكتري ها جلوگيري گرديد. از همه مهمتر اينكه با روش ضدعفونيUV / H2O2 ، از تشكيل مواد مضر و سمي DBP  كه دي اكسيد كلر ايجاد ميكند، مانند كلرات و كليه هالوفرم ها، جلوگيري گرديد.

در حال حاضر ادامه اين پروژه تحقيقاتي بمنظور تاييد نتايج اوليه با توجه مخصوص براي جستجوي DBP هاي ديگر و همچنين تعيين وضعيت بهينه سيستم UV / H2O2 از نظر دوز و محل استقرار، تحت اجرا ميباشد.

منابع

[1]           Shuval, HI-Technological solutions for dry human waste handling in metropolitan areas, 1993

[2]           Rook, JJ- Formation of haloforms during chlorination of natural waters, 1974

[3]           Hazen&Sawyer- Disinfection Alternatives for Safe Drinking Water, 1992

[4]           Najm,IN..- Effect of particle size and background natural organics on the adsorbtion efficiency of PAC, 1990

[5]           McCann,B- Ozone unfriendly, 1993

[6]           Krasner,SW..- Impact of water quality and operational parameters on the formation and control of bromate during ozonation, 1993

[7]           Bosch,A- Comparative resistance of bacteriophages active against bacteriodesfragilis t. Inactivation by chlorination or ultraviolet radiation, 1989

[8]           Maarschalkerweed,J- Ultraviolet disinfection in municipal wastewater treatment plants, 1990

[9]           Sundstorm, DW,..- Purification and disinfection of water by ultraviolet light and hydrogen peroxide, 1990

[10]        Dingman,JD- The effectiveness of UV/H2O2 disinfection, 1990

[11]        Mechsner,K- UV disinfection short term inactivation and revival, 1991

[12]        Nicole,I,..- Evaluation of reaction rate constants of OH radicals with organic compounds in diluted aqueous solutions using UV / H2O2 process, 1991

[13]        Shinriki,N,..- Inactivation of pathogenic and indicator microorganisms by UV light, Ozone and Ozone/UV treatment, 1991

[14]        von Sonntag,C,..- UV radiation and/or oxidants in water pollution control, 1993

[15]        American Public Health Association- Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 1991

[16]        Hengesbach,B,..- UV disinfection of drinking water, 1993