کلر چیست؟
کلر (Cl2) شناخته شده ترین و پرکاربردترین ضدعفونی کننده در تصفیه آب و فاضلاب است که به طور گسترده برای غیرفعال سازی میکروارگانیسم‌ها به کار گرفته می‌شود. در واقع کلر با تخریب غشای سلولی میکروارگانیسم‌ها باعث تخریب و غیرفعال سازی آن‌ها میگردد. به طوری که هنگامی که غشای سلولی ضعیف می‌شود، کلر به داخل سلول وارد و تنفس سلولی و فعالیت DNA را مختل می‌کند. کلر با توجه به این که عنصر بسیار فعالی است، عمدتا در ترکیبات حضور دارد. این ماده به وفور در سراسر جهان یافت می‌شود، از این رو نسبتا ارزان قیمت می‌باشد. از کلر در کاربردهای مختلف مانند غیرفعال سازی پاتوژن‌ها در تصفیه آب آشامیدنی، آب استخرها و پساب‌ها استفاده می‌شود.
کلر زنی چیست؟
کلر زنی یا کلریناسیون یکی از مرسوم‌ترین روش‌های ضدعفونی آب است. این روش که بیش از یک قرن پیش برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت، همچنان در سراسر جهان محبوب است. کلر زنی در واقع یک فرایند ضدعفونی شیمیایی است که در آن از انواع مختلف کلر و یا ترکیبات حاوی کلر برای اکسیداسیون استفاده می‌شود. در اکثر موارد کلریناسیون یک روش گند زدایی خوب می‌باشد زیرا با هزینه نسبتا کم می‌تواند بسیاری از آلاینده‌ها را از بین ببرد. همچنین راه اندازی و انجام این روش در مقایسه با سایر روش‌های گندزدایی بسیار ساده است. در موقعیت‌های اضطراری نیز به کمک کلر زنی میتوان به سرعت بار آلودگی میکروبی موجود در آب را کاهش داد.
تاریخچه کلریناسیون
گاز کلر احتمالا در قرن سیزدهم کشف شده است اما کلر (Cl2) به صورت خالص برای اولین بار در سال 1774 توسط دانشمندی سوئدی به نام Carl Wilhelm Scheele آماده شد. در آن دوره، مردم باور داشتند که بوی آب منجر به انتقال بیماری‌ها می‌شود. در سال 1835 از کلر برای حذف بوی نامطلوب آب استفاده می‌کردند اما از سال 1890 به بعد کلر را به عنوان یک ابزار ضدعفونی موثر و برای کاهش بیماری‌های قابل انتقال از آب به کار گرفتند. ضدعفونی با کلر در انگلستان شروع شد، سپس در سال‌های 1908 و 1917 به ترتیب آمریکا و کانادا نیز شروع به استفاده از این روش کردند. امروزه کلر زنی، معروف ترین و مرسوم‌ترین روش ضدعفونی آب در سراسر دنیا است.
زمان مناسب کلرزنی در تصفیه آب
فرایند کلر زنی را میتوان در هر زمان و یا هر نقطه از فرایند تصفیه آب انجام داد و زمان خاصی برای این کار وجود ندارد. افزودن کلر در هر مرحله، بخشی از آلودگی‌ها را کنترل می‌کند. از کلر عمدتا در دو مرحله پیش کلر زنی و ضدعفونی استفاده می‌کنند.
پیش کلر زنی مرحله ای است که در آن زمانی که آب وارد تصفیه خانه می‌شود، کلر را به آن اضافه می‌کنند. در این مرحله، عمدتا کلر مستقیما به آب تصفیه نشده افزوده می‌شود. هدف از این کار حذف جلبک‌ها و سایر گیاهان آبزی جهت عدم ایجاد مشکل در مراحل تصفیه آب می‌باشد. پیش کلر زنی منجر به حذف طعم و بوی نامطلوب آب و کنترل رشد بیولوژیکی در سیستم‌های تصفیه آب می‌شود. همچنین افزودن کلر، منجر به اکسید شدن هرگونه آهن، منگنز و یا هیدروژن سولفیت موجود در آب نیز میگردد.
ضدعفونی کردن با کلر نیز در دو مرحله می‌تواند انجام شود: پیش از فیلتراسیون و بعد از ته نشینی و یا در آخرین مرحله تصفیه. گندزدایی با کلر در مرحله قبل از فیلتراسیون به کنترل رشد بیولوژیکی، حذف آهن و منگنز، حذف طعم و بوی نامطلوب آب و کنترل رشد جلبک‌ها کمک می‌کند. ضدعفونی با کلر در آخرین مرحله تصفیه نیز مرحله‌ای است که در اکثر تصفیه خانه‌های آب وجود دارد. هدف اصلی این کار نیز گندزدایی آب و افزودن کلر باقی مانده در آب قبل از ورود به سیستم لوله کشی است.
کاربردهای کلر
مهم‌ترین کاربرد کلر در تصفیه آب و فاضلاب گندزدایی و ضدعفونی سازی آب است؛ اما باید توجه داشت که کلر علاوه بر ضدعفونی مزایا وکاربردهای دیگری نیز دارد. از مهم‌ترین آن‌ها میتوان به حضور کلر باقی مانده در آب اشاره کرد. سایر روش‌های ضدعفونی آب مانند ازن زنی و UV مقادیر باقی مانده ندارد. با توجه به این که آب پیش از رسیدن به دست مصرف کننده وارد شبکه توزیع می‌شود و ممکن است این شبکه دارای آلودگی‌های میکروبی باشد، حضور کلر باقی مانده در آب ضروری است تا بتوان از سالم بودن آب اطمینان حاصل کرد. همچنین از کاربردهای دیگر کلر میتوان به حذف طعم و بوی نامطلوب آب، اکسید کردن آهن و منگنز، حذف رنگ موجود در آب، تخریب هیدروژن سولفید و کمک به سایر فرایندهای تصفیه مانند ته نشینی و فیلتراسیون نیز اشاره کرد.
انواع کلر
منظور از فرایند کلریناسیون افزودن کلر به آب است، اما الزامی ندارد که حتما کلر خالص به آب افزوده شود. برای کلر زنی میتوان از ترکیبات دارای کلر استفاده کرد. با توجه به pH مورد نیاز و شرایط انبارداری موجود، ترکیبات مختلف کلردار را میتوان به کار برد. سه نوع از مهم‌ترین ترکیبات کلردار در تصفیه آب و فاضلاب شامل کلر گازی، سدیم هیپوکلریت و کلسیم هیپوکلریت هستند.
گاز کلر
کلر گازی به رنگ زرد مایل به سبز، بسیار سمی و از هوا سنگین‌تر است، در نتیجه در صورتی که از محفظه خود بیرون بیاید، به سمت زمین حرکت می‌کند. سمیت بالای گاز کلر آن را به یک ضدعفونی کننده خوب تبدیل کرده است اما باید توجه داشت که علاوه بر میکروارگانیسم‌ها برای انسان‌ها نیز سمی است و باید در حمل و نقل آن توجه بسیاری شود. گاز کلر باعث تحریک و سوزش پوست، چشم و دستگاه تنفسی می‌شود و قرار گرفتن در غلظت‌های بالای این گاز مشکلات جدی برای سلامتی انسان ایجاد می‌کند و حتی منجر به مرگ نیز می‌شود. البته باید به این نکته توجه داشت که گاز کلر هنگامی که به آب وارد می‌شود به یون‌های هیپوکلرو اسید و هیپوکلریت تبدیل می‌شود؛ در نتیجه خواص سمی آن از بین می‌رود و آب ضدعفونی شده با کلر گازی برای انسان سمی نیست.
گاز کلر عمدتا به صورت کلر مایع که به رنگ کهربایی است، به فروش می‌رسد. کلر مایع در صورتی که از محفظه‌اش خارج شود، به سرعت به حالت گازی تبدیل می‌شود. کلر گازی، ارزان ترین فرم کلر است، از این رو در گندزدایی آب و فاضلاب به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به کیفیت آب، برای گندزدایی به مقادیر مختلفی کلر گاری نیاز می‌باشد اما به طور کلی غلطت مرسوم کلر گازی برای تصفیه آب 1 تا 16 میلی‌گرم بر لیتر است.
هنگامی که گاز کلر (Cl2) به آب (H2O) افزوده شود، به سرعت هیدرولیز و به هیپوکلرواسید (HOCL) تبدیل میگردد و سپس این ماده (اسید هیپوکلرو) به یون‌های هیپوکلریت (-OCL) و هیدروژن (+H) تجزیه می‌شود:
Cl2+ H2O →HOCl→ H++OCl-
با توجه به تولید یون‌های هیدروژن، آب اسیدی تر می‌شود (pH آب کاهش می‌یابد). میزان تجزیه هیپوکلرو اسید به pH اولیه آب بستگی دارد. در صورتی که pH کمتر از 6.5 باشد، هیچگونه تجزیه‌ای رخ نمی‌دهد و اسید هیپوکلرو غالب باقی می‌ماند. در pH بالای 8.5 تجزیه کامل مشاهده و یون‌های هیپوکلریت غالب می‌شوند. در pH بین 6.5 تا 8.5 نیز هردو یون هیپوکلرو اسید و هیپوکلریت در آب وجود دارند. این دو یون به عنوان کلر آزاد شناخته می‌شوند. خاصیت گندزدایی اسید هیپوکلرو بیشتر است، از این رو pH کمتر برای ضدعفونی توصیه می‌شود.
کلسیم هیپوکلریت
کلسیم هیپوکلریت (Ca(OCl)2) از نمک‌های کلسیم هیپوکلرو اسید ساخته شده است. این ماده از حل کردن گاز کلر (Cl2) در یک محلول کلسیم اکسید (CaO) و سدیم هیدروکسید (NaOH) ایجاد می‌شود. کلسیم هیپوکلریت جامدی سفید رنگ و بسیار خورنده است که به صورت قرص و یا پودری در بازار موجود می‌باشد. این ماده بسیار پایدار است و در صورتی که به درستی بسته بندی شود، میتوان آن را در مقادیر زیاد خریداری و انبار کرد. البته باید توجه داشت که کلسیم هیپوکلریت بسیار خورنده است و در هنگام استفاده از آن باید دقت زیادی کرد. این ماده را باید در محلی خشک و به دور از مواد آلی نگه داری کرد. از نگه داری هیپوکلریت کلسیم در کنار چوب، لباس یا سوخت باید خودداری گردد زیرا ترکیب این ماده و مواد آلی، گرمای مورد نیاز برای انفجار را می‌تواند تامین کند. همچنین از ورود رطوبت نیز باید جلوگیری کرد زیرا پودرها یا قرص‌های این ماده با جذب رطوبت به سرعت به کلر گازی تبدیل می‌شوند که بسیار سمی است. لازم به ذکر است که هیپوکلریت کلسیم بوی بسیار قوی و تندی دارد، درنتیجه در هنگام انبارداری باید به این نکته نیز توجه شود.
در هنگام گندزدایی آب، به مقادیر کمتری از کلسیم هیپوکلریت در مقایسه با گاز کلر نیاز می باشد؛ به طوری که برای ضدعفونی موثر با گاز کلر به طور معمول به غلظت 1 تا 16 میلی‌گرم بر لیتر نیاز است، درحالی که غلظت موردنیاز کلسیم هیپوکلریت 0.5 تا 5 میلی‌گرم بر لیتر می‌باشد. با افزودن کلسیم هیپوکلریت به آب، یون‌های کلسیم و هیپوکلریت ایجاد می‌شوند:
Ca(OCl)2→Ca2++2OCl-
برخلاف کلر گازی که منجر به کاهش pH می‌شود، کلسیم هیپوکلریت، pH آب را افزایش می‌دهد (باعث می‌شود آب کمتر اسیدی شود). هرچند غلظت هیپوکلرواسید و هیپوکلریت همچنان به pH آب وابسته است. بنابراین با کاهش pH آب، هیپوکلرو اسید همچنان در آب وجود خواهد داشت. در نتیجه کلر گازی و کلسیم هیپوکلریت، هردو یک نوع کلر باقی مانده ایجاد می‌کنند. این ماده زمانی تولید می‌شود که گاز کلر در یک محلول سدیم هیدروکسید حل شود.
سدیم هیپوکلریت
سدیم هیپوکلریت (NaOCl) که از نمک‌های سدیم هیپوکلرو اسید ساخته شده و یک ترکیب کلردار است؛ در ضدعفونی آب و فاضلاب کاربرد دارد.هیپوکلریت در فرم مایع و به صورت شفاف و به رنگ زرد کم رنگ می‌باشد. این ماده بسیار خورنده است و حتما باید در یک محل خنک، تاریک و خشک نگهداری شود. هیپوکلریت سدیم به صورت طبیعی و خود به خودی تجزیه می‌شود، بنابراین آن را نمی‌توان بیش از یک ماه انبارداری کرد. در بین تمامی فرم‌های مختلف کلر، این ماده حمل و نقل راحت‌تری دارد.
مقدار سدیم هیپوکلریت مورد نیاز برای گندزدایی، بسیار کمتر از دو فرم دیگر کلر (گاز کلر و کلسیم هیپوکلریت) است، به طوری که غلظت 0.2 تا 2 میلی‌گرم NaOCl بر لیتر آب برای گندزدایی کفایت می‌کند. همانند کلسیم هیپوکلریت، سدیم هیپوکلریت نیز در آب یون هیپوکلریت تولید می‌کند، با این تفاوت که به جای یون‌های کلسیم، یون‌های سدیم ایجاد می‌شوند. همچنین هیپوکلریت سدیم به دلیل تولید یون‌های هیپوکلریت منجر به افزایش pH آب می‌شود. برای دستیابی به هیپوکلرو اسید که موثرترین گندزدا می‌باشد، نیاز است که pH آب را کاهش داد.
NaOCl→Na++OCl-
پارامترهای موثر بر راندمان گندزایی با کلر
فرایند ضدعفونی سازی آب و فاضلاب با کلر یا کلریناسیون به عوامل مختلفی بستگی دارد که عبارتند از:
• غلظت کلر
• زمان تماس
• دما
• pH
• نوع و تعداد میکروارگانیسم‌های موجود در آب
• مواد آلی موجود در آب
• کدورت آب
از بین پارامترهای ذکر شده، غلظت کلر و زمان تماس (زمانی که کلر اجازه دارد تا با ناخالصی‌های موجود در آب واکنش دهد) از اهمیت بالایی برخوردارند. کلر برای این که بتواند به خوبی میکروارگانیسم‌های موجود در آب را غیرفعال کند به زمان نیاز دارد. هرچه کلر زمان بیشتری در معرض میکروارگانیسم‌ها باشد، اثرگذاری‌اش بیشتر می‌شود و راندمان فرایند کلریناسیون نیز افزایش می‌یابد. زمان تماس، فاصله بین زمانی است که کلر برای اولین بار به آب اضافه می‌شود تا موقعی که مورد مصرف قرار می‌گیرد. غلظت کلر نیز مشابه زمان تماس با راندمان کلرزنی رابطه مستقیم دارد، به طوری که هرچه غلظت کلر افزایش یابد، تاثیر فرایند گندزدایی نیز بیشتر می‌شود زیرا کلر بیشتری برای ضدعفونی سازی میکروارگانیسم‌ها در دسترس است.
از سوی دیگر رابطه بین زمان تماس و غلظت کلر غیر مستقیم است، به طوری که برای یک سطح مشخص گندزدایی، هرچه غلظت کلر افزایش یابد، به زمان تماس کمتری نیاز است و بالعکس. از این رو مفهمومی به نام CT ایجاد شده است که مطابق آن برای دستیابی به یک سطح مشخص ضدعفونی (D) میتوان CT را محاسبه کرد که در آن C بیانگر غلظت کلر و T نشان دهنده زمان تماس است و فرمول آن به صورت زیر می‌باشد:
D=C×T
این فرمول بیانگر این است برای دسترسی به یک سطح گندزدایی مشخص، هرچه زمان تماس را کاهش دهیم، به غلظت کلر بیشتری نیازمندیم و بالعکس. البته باید توجه داشت همانگونه که قبلا ذکر شد، پارامترهای دیگری نیز مانند نوع و تعداد میکروارگانیسم‌ها، دما، pH و کدورت آب نیز بر میزان ضدعفونی سازی اثرگذارند. برای مثال در دمای کمتر، کدورت بیشتر و یا pH های بالاتر به مقدار CT بیشتری نیاز است، در حالی که در کدورت کمتر، دمای بالاتر و pH کمتر میتوان CT کمتری را به کار گرفت.
تاثیر کلر بر سلامتی انسان‌ها
کلر همانگونه که برای میکروارگانیسم‌ها سمی است، برای انسان‌ها نیز سمی می باشد. کلر منجر به تحریک و سوزش چشم‌ها و سیستم تنفسی می‌شود. گاز کلر باید با دقت زیاد حمل شود، زیرا تاثیرات شدیدی بر سلامتی انسان دارد و حتی در غلظت‌های کمی مانند 1000ppm نیز می تواند کشنده باشد. هرچند با توجه به این که گاز کلر ارزان قیمت ترین فرم کلر است، در بسیاری از موارد بدون توجه به مشکلات آن بر سلامتی انسان، از گاز کلر استفاده می‌کنند.
مقدار کلر موجود در آب تصفیه شده معمولا بسیار کم است، درنتیجه مصرف آن به طور مستقیم مشکلی را برای سلامتی ایجاد نمی‌کند. عمده نگرانی‌ها در استفاده از کلر، ریسک ابتلا به سرطان در اثر استفاده طولانی مدت از آب حاوی کلر، می‌باشد و این نیز عمدتا به علت حضور تری‌هالومتان‌ها و دیگر محصولات جانبی فرایند کلر زنی است. با این وجود، مرکز آزمایشگاهی کنترل بیماری‌ها و بهداشت کانادا معتقد است که مزایای استفاده از آب کلر دار در کنترل بیماری‌های عفونی بیشتر از خطرات درازمدت کلرزنی می‌باشد و توقف کلرزنی در حال حاضر قابل توجیه نیست. با این حال در برخی کشورهای اروپایی ضدعفونی با کلر متوقف شده است.
ترکیبات جانبی تولید شده از کلر زنی
انواع مختلفی از محصولات جانبی، می‌تواند در طول فرایند گندزدایی با کلر ایجاد شوند. محصولات جانبی تولید شده در اثر واکنش ترکیبات غیرآلی و کلر، بی ضرر هستند و با فیلتراسیون، به آسانی میتوان آن‌ها را حذف کرد. سایر محصولات جانبی نظیر کلروآمین‌ها نیز برای فرایند گندزدایی مفید می‌باشند زیرا دارای خاصیت ضدعفونی سازی هستند. با این وجود برخی ترکیبات غیر مطلوب و ناخواسته نیز در اثر واکنش کلر و ترکیبات آلی ایجاد می‌شوند. تری هالومتان‌ها (THMs) و هالواستیک اسیدها (HAAs) مهم ترین و خطرناک ترین ترکیبات ناخواسته هستند که منجر به نگرانی شده‌اند. THMs و HAAs از واکنش کلر و مواد آلی مانند هیومیک اسیدها و فولیک اسیدها (که هر دو از تخریب مواد آلی تولید می‌شوند) ایجاد می‌شوند. تری هالومتان‌ها سرطان‌زا هستند و می‌توانند منجر به سرطان‌های مختلف در انسان‌ها شوند. در حال حاضر، بیشترین نگرانی‌ها در مورد تری هالومتانی به نام کلروفرم است که به آن تری کلرومتان نیز می‌گویند. از دیگر محصولات جانبی تولید شده در فرایند کلرزنی میتوان به تری کلرو استیک اسید، دی کلرو استیک اسید، هالواستونیتریل و کلروفنول اشاره کرد.