بكارگیری پرتو فرابنفش در فرایند پالایش آب و تصفیه فاضلاب روشی شناخته شده برای جایگزینی مواد شیمیایی گندزدا از قبیل كلر میباشد. پرتو فرابنفش عمل ضد عفونی را به طور موثر و بدون تولید تركیبات مشكل زای جانبی ناشی از گندزداهای شیمیایی از قبیل كلر انجام میدهد.
مناسب ترین زمان برای بازبینی استراتژی كلی فرایند گندزدایی در تصفیه خانه ها و شبكه توزیع آب شهری، زمان نوسازی تاسیسات موجود تصفیه آب آشامیدنی و یا در خلال طراحی تاسیسات جدید می باشد. گندزدایی مقدماتی و ثانویه شبكه توزیع آب، هر دو بایستی در قالب یك استراتژی كلی گندزدایی گنجانده شوند. در این مقاله مقایسه ای بین گندزداهای شیمیایی وUV به عمل آمده و تاثیرات انتخاب هر یك تشریح گردیده است.
پردازش یك استراتژی موفق گندزدایی نیازمند درك یكپارچه كلیه عوامل زیر است :
1. هدف از گندزدایی و میزان مجاز میكروب باقیمانده پس از ضدعفونی
2. بیولوژی مرتبط با فرایند تصفیه آب و شبكه توزیع
3. تاثیر عملكرد واحد گندزدایی مقدماتی و كیفیت آب بر روی عملكرد سیستم گندزدایی ثانویه
4. ملاحظات مكانیسمی، مقایسه محاسن و معایب و انتخاب محل برای استقرار سیستم گندزدا
1) ضرورت بررسی استراتژی های جدید برای گندزدایی
گندزدایی آب یك وسیله شناخته شده برای حفاظت جوامع از میكرواورگانیزم های بیماری زای آبزی به شمار می رود. با این وجود، در حال حاضر حتی در جوامع پیشرفته نیز استراتژیهای گندزدایی كامل نیستند. در خلال سالهای 1988-1981 تعداد 248مورد شیوع بیماریهای ناشی از آب آشامیدنی در ایالات متحده آمریكا 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 شبكه توزیع از محل اتصالات ویا هنگام تعمیرات بوده است.
با وجود اینكه گندزدایی شیمیایی بوسیله كلر روشی كاملا عمومیت یافته به شمار می رود، با توجه به تجربیات علمی فزاینده در مورد مصون شدن میكروبها 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 بكارگیری روش های گندزدایی غیرشیمیایی و حذف كامل گندزداهای شیمیایی ماندگار ازشبكه های توزیع بیش از پیش ضروری گردیده است.
2) گند زدایی با UV
گندزدایی با UV به عنوان یك روش مطمئن برای جایگزینی مواد شیمیایی بطور روزافزون بكارمی رود. دستگاه های UV می توانند برای دامنه وسیعی از كاربردها طراحی شوند. با در نظر گرفتن كیفیت آب و هدف از گندزدایی، پرتو فرابنفش با موفقیت كامل برای طیف وسیع كاربردی زیر مورد استفاده قرار گرفته است:
1. آب شرب ( شهرها، شهرك ها، برج ها، كارخانجات، 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 خنك كننده 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 كلر، UV می تواند با دوز مصرف نسبتا پایینی طیف وسیعی از میكروبها، باكتری ها ویروسها را نابود كند.)
- حداقل ریسك برای سلامتی ( تركیبات جانبی بسیار كم و قابل اغماض است.)
- به جا نگذاشتن باقیمانده كه با مواد آلی موجود در آب ایجاد واكنش نموده و در نتیجه رنگ، عطر و طعم درمحصولات غذایی را تغییر دهد.)
- ایمنی مصرف كنندگان، مسئولان و جامعه (عدم حمل و نگهداری و كار با مواد شیمیایی سمی)
- سادگی و هزینه پایین در كاربری و نگهداری (دستگاههای UV نسبت به دستگاههای مولد اوزن و دی اكسید كلر از پیچیدگی بسیار كمتری بر خوردارند.)
- عدم نیاز به مخازن بزرگ تماس (ضد عفونی با UV در ظرف چند ثانیه كامل می شود در حالیكه سایر روشهای گندزدایی به 10 تا 60 دقیقه زمان نیاز دارند)
- هزینه پایین سرمایه گذاری دستگاههای UV (در طراحی تاسیسات جدید، ضدعفونی با UV كمترین هزینه سرمایه گذاری را دارد.)
3) گندزدایی آبهای سطحی
نور UV در دوز متعارف با مولكولها واكنش شیمیایی نشان نمیدهد. درحالیكه مواد گندزدای شیمیایی با اكسیداسیون بعضی ملكولها بستر تغذیه منا سبی برای رشد میكروبی ایجاد میكنند. مقدار پرتو UV مورد استفاده در گندزدایی، در مقایسه با مقداری كه در تكنیكهای پیشرفته اكسیداسیون با UV بكار میرود، بسیار پایین است. از این رو میتوان میزان دوز UV را بدون اینكه 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 كیفیت پایین این آبها در مقایسه با آبهای زیرزمینی معمولا گندزدایی بیشتری لازم است.
كلر در دوز بالا می تواند كیست های ژیاردیا را ازبین ببرد ولی بروی كریپتوسپوریدیوم، 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 كه مجددا به تشكیل تركیبات جانبی مضر بیشتری می انجامد.
مواردی كه وجود كیستهای 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. یك سیستم خانگی مناسب میتواند شامل یك پیش فیلتر برای خارج كردن رسوبات و ذرات درشت تر، یك فیلتر با منفذ های 5 میكرون مطلق برای خارج كردن ژیاردیا، و در نهایت یك فیلتر با منفذهای 3 میكرون مطلق برای خارج كردن كریپتوسپوریدیوم باشد. اگر فیلترها پس از تعویض و قبل از دورانداخته شدن به مدت طولانی در داخل مواد سفید كننده قرار گیرند، پروتوزوا درگیر در منافذ فیلتر از بین میرود. در تصفیه خانه های شهری، عموما فیلترهای شنی و یا چند لایه بكار 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 بیولوژیكی ویا كربن فعال جذب شده و سپس باكتریهای حاصل از این فرایند بیولوژیك نابود شوند.UV برای گندزدایی نهایی این سیستم بسیار مناسب می باشد.
4) مقایسه روش های ضدعفونی
پرتو فرابنفش هیچگونه باقیمانده ضد عفونی كننده وارد شبكه توزیع نمیكند همین مساله این تصور اشتباه را ایجاد كرده كه هرگاه امكان شكل گیری لایه های زیستی وجود دارد، باید به جای اشعه ماوراء بنفش از كلر استفاده شود. (به عنوان مثال بر روی سطوح دستگاهها و یا در داخل لوله های خطوط توزیع)
اكنون از مدارك علمی انتشار یافته كاملا روشن است كه اگر آب حاوی مواد غذایی برای رشد میكروبی باشد (بخصوص كربن آلی قابل جذب AOC ) وجود كلر آزاد باقیمانده به مقدار 1 PPM در خطوط توزیع شهری به هیچ وجه تضمین كننده این مسئله نیست كه لایه های زیستی در سطوح لوله شكل نگیرند ودر نتیجه كالیفرم مدفوعی در شیرهای مصرف آب دیده نشود[5].
در واقع كلر ماده ای بسیار فعال و واكنشی است: واكنش با مولكول ها و میكروبهای واقع در سطح خارجی بیوفیلم ها كلر باقیمانده را بسرعت مصرف مینماید. نتیجتا، كلر نمی تواند در عمق بیوفیلم نفوذ كرده و فعالیت میكروبهای موجود در سطوح عمیق تر را از بین ببرد.
كلرآمین بدلیل آنكه نسبت به كلر واكنش كند تری از خود نشان میدهد در از بین بردن بیوفیلم ها و كنترل میكروبی در خطوط توزیع بهتر عمل میكند[4].
از آنجاییكه كلرامین برای ضد عفونی اولیه بخصوص در دوزهای متعارف مناسب نمی باشد و بعضی از ویروسها نسبت به آن مقاوم می باشند، یك استراتژی مطلوب جهت ضد عفونی میتواند استفاده از اشعه ماورای بنفش به عنوان گندزدای اولیه و سپس استفاده از كلرامین با تاثیر ضد عفونی ماندگار ثانویه جهت جلوگیری از رشد میكروبی در محیط های حاوی AOC در خطوط توزیع باشد.
با این وجود این روش یك مشكل اساسی دارد: اگرچه كلرامین، نسبت به كلر آزاد، تری هالومتانهای بمراتب كمتری تولید میكند ولی باعث ایجاد مولكولهای پیچیده تر و سنگین تری میگردد. با توجه به این مطلب این روش را میتوان “دومین بهترین استراتژی ضد عفونی آب” محسوب كرد.
5) بهترین استراتژی ضدعفونی
بهترین استراتژی ضد عفونی روشی است كه هیچ نوع تركیبات آلی جانبی ایجاد نكند و با كارایی بالا باكتریها و ویروسها را از بین برده و پرتوزوا را تصفیه نماید و همچنین به مواد شیمیایی باقیمانده در خطوط توزیع شبكه نیاز نداشته باشد.
هیچ شیوه ضد عفونی به تنهایی نمیتواند كلیه این اهداف را برآورده نماید لیكن طراحی فرایندی كه اجزاء آن در كنار یكدیگر موفق به دستیابی به این اهداف گردند امكان پذیر است[1]. یك چنین فرایندی شامل اجزاء زیر میباشد:
1. پیش تصفیه آب بانضمام حذف ذرات آلی تا حد دستیابی به كیفیت مطلوب توسط فیلتراسیون
2. حذف مواد محلول آلی غذایی توسط فیلترهای بیولوژیكی فعال، شنی وكربن فعال
3. ضد عفونی با دوز صحیح توسط UV بمنظور از بین بردن باكتریها و ویروسهایی كه از فیلتر ها عبور میكنند
4. انتقال آب پالایش شده به شبكه توزیع مجهز به سیستم تعمیر و نگهداری بدون استفاده از مواد شیمیایی باقیمانده[6]
این شیوه ای است كه امروزه در اروپا بكار میرود و سیستمی است كه از طرف بعضی محافل تخصصی بعنوان روند تكاملی در تصفیه آب شناخته شده است.
امروزه در بعضی شهر های بزرگ اروپا و برخی شهر های كوچك در ایالات متحده از هیچ نوع ماده ضد عفونی كننده باقیمانده در آبهای آشامیدنی استفاده نمی كنند.
كیفیت آب در این شهر ها بسیار خوب است و شمارش میكروبی پایین تر از حد مجاز میباشد (به عنوان مثال كمتر از 500 كلنی در هر میلی لیتر)
6) نحوه عملكرد UV
اصول گندزدایی با پرتو فرابنفش در مقالات متعددی منتشر شده است. بطور خلاصه میتوان گفت كه لامپهای كم فشار جیوه ای با راندمان بالا و یا لامپ های پر فشار جیوه ای با راندمان كم تر ولی شدت تابش بیشتر ، در اسید نوكلئیك (مولكولهای حاوی اطلاعات ژنتیكی) میكروبها تغییرات فتو شیمیایی ایجاد میكند. این تغییرات مانع تكثیر 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 كیفیت 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
بكارگیری موثر لامپ های UV برای كاربرد های مختلف شامل ضدعفونی آب آشامیدنی، آب فرایندی و فاضلاب، نیاز به آگاهی از عوامل تعیین كننده دوز UV دارد. این عوامل شامل موارد زیر میباشند:
1. میزان آلودگی میكروبی آب ورودی
2. فرایند تصفیه قبل از ضد عفونی با UV. فرایند تصفیه در مورد عوامل كیفی آب مانند مقدار و اندازه مواد جامد، كدورت، شفافیت برای نور UV و غیره و همچنین مشخصات میكربی آب عامل تعیین كننده میباشد.
3. قوانین و استانداردهای تعیین كننده میزان مجاز میكروب باقیمانده پس از ضد عفونی بر حسب مورد كاربرد.
4. عوامل بیولوژیكی مربوط به حساسیت میكروبها در مقابل نور UV
5. عوامل فیزیكی:
1-5- عوامل تعیین كننده شدت تابش متوسط UV