بكارگيري تكنولوژي اشعه uv در استراتژي هاي گندزدايي آب شهري

چكيده
بكارگيري پرتو فرابنفش UVدر فرايند پالايش آب و تصفيه فاضلاب روشي شناخته شده براي جايگزيني مواد شيميايي گندزدا از قبيل كلر ميباشد. پرتو فرابنفش عمل ضد عفوني را به طور موثر و بدون توليد تركيبات مشكل زاي جانبي ناشي از گندزداهاي شيميايي از قبيل كلر انجام ميدهد.
مناسب ترين زمان براي بازبيني استراتژي كلي فرايند گندزدايي در تصفيه خانه ها و شبكه توزيع آب شهري، زمان نوسازي تاسيسات موجود تصفيه آب آشاميدني و يا در خلال طراحي تاسيسات جديد مي باشد. گندزدايي مقدماتي و ثانويه شبكه توزيع آب‌‌،‌‌ هر دو بايستي در قالب يك استراتژي كلي گندزدايي گنجانده شوند. در اين مقاله مقايسه اي بين گندزداهاي شيميايي وUV به عمل آمده و تاثيرات انتخاب هر يك تشريح گرديده است.
پردازش يك استراتژي موفق گندزدايي نيازمند درك يكپارچه كليه عوامل زير است‌ :

1. هدف از گندزدايي و ميزان مجاز ميكروب باقيمانده پس از ضدعفوني
2. بيولوژي مرتبط با فرايند تصفيه آب و شبكه توزيع
3. تاثير عملكرد واحد گندزدايي مقدماتي و كيفيت آب بر روي عملكرد سيستم گندزدايي ثانويه
4. ملاحظات مكانيسمي، مقايسه محاسن و معايب و انتخاب محل براي استقرار سيستم گندزدا

1) ضرورت بررسي استراتژي هاي جديد براي گندزدايي
گندزدايي آب يك وسيله شناخته شده براي حفاظت جوامع از ميكرواورگانيزم هاي بيماري زاي آبزي به شمار مي رود. با اين وجود، در حال حاضر حتي در جوامع پيشرفته نيز استراتژيهاي گندزدايي كامل نيستند. در خلال سالهاي 1988-1981 تعداد 248مورد شيوع بيماريهاي ناشي از آب آشاميدني در ايالات متحده آمريكا گزارش شده است. 45% موارد آلودگي در سيستم هاي تامين آب شهري، 34% در سيستم هاي تامين آب برون شهري، 11% در منابع تامين آب خصوصي و 10% در آب تسهيلات ورزشي- تفريحي مشاهده شده اند[2].
44% از بيماريهاي شايع شده توسط پاتوژنهاي موجود در آب مربوط به استفاده از آبهاي زيرزميني آلوده، 26% مربوط به استفاده از آبهاي سطحي آلوده و 13% مربوط به آلودگي شبكه توزيع از محل اتصالات ويا هنگام تعميرات بوده است.
با وجود اينكه گندزدايي شيميايي بوسيله كلر روشي كاملا عموميت يافته به شمار مي رود، با توجه به تجربيات علمي فزاينده در مورد مصون شدن ميكروبها در مقابل گندزداهاي شيميايي و بالا رفتن آگاهي وحساسيت مردم در مورد سلامتي، ايمني، هزينه ومحيط زيست، نياز به يافتن فرايندهاي پيشرفته تصفيه آب با بكارگيري روش هاي گندزدايي غيرشيميايي و حذف كامل گندزداهاي شيميايي ماندگار ازشبكه هاي توزيع بيش از پيش ضروري گرديده است.
2) گند زدايي با UV
گندزدايي با UV به عنوان يك روش مطمئن براي جايگزيني مواد شيميايي بطور روزافزون بكارمي رود. دستگاه هاي UV مي توانند براي دامنه وسيعي از كاربردها طراحي شوند. با در نظر گرفتن كيفيت آب و هدف از گندزدايي، پرتو فرابنفش با موفقيت كامل براي طيف وسيع كاربردي زير مورد استفاده قرار گرفته است:

1. آب شرب ( شهرها، شهرك ها، برج ها، كارخانجات، منازل و غيره ) از منابع آب سطحي و يا زيرزميني
2. آبهاي فرايندي و توليدي صنعتي شامل :
   
   الف) صنايع غذايي، نوشابه سازي و آبمعدني
   ب) آبهاي سيستم هاي خنك كننده و تهويه مطبوع
   ج) تاسيسات پرورش ماهي و ميگو، و غيره
3. فاضلاب هاي شهري، پس از تصفيه مرحله دوم يا سوم (بازيافت)

دلايل اصلي انتخاب گندزدايي به روش UV عبارتند از:

• تاثير گذاري (در مقايسه با كلر، UV مي تواند با دوز مصرف نسبتا پاييني طيف وسيعي از ميكروبها، باكتري ها ويروسها را نابود كند.)
• حداقل ريسك براي سلامتي ( تركيبات جانبي بسيار كم و قابل اغماض است.)
• به جا نگذاشتن باقيمانده كه با مواد آلي موجود در آب ايجاد واكنش نموده و در نتيجه رنگ، عطر و طعم درمحصولات غذايي را تغيير دهد.)
• ايمني مصرف كنندگان، مسئولان و جامعه (عدم حمل و نگهداري و كار با مواد شيميايي سمي)
• سادگي و هزينه پايين در كاربري و نگهداري (دستگاههاي UV نسبت به دستگاههاي مولد اوزن و دي اكسيد كلر از پيچيدگي بسيار كمتري بر خوردارند.)
• عدم نياز به مخازن بزرگ تماس (ضد عفوني با UV در ظرف چند ثانيه كامل مي شود در حاليكه ساير روشهاي گندزدايي به 10 تا 60 دقيقه زمان نياز دارند)
• هزينه پايين سرمايه گذاري (در طراحي تاسيسات جديد، ضدعفوني با UV كمترين هزينه سرمايه گذاري را دارد.‌)

3) گندزدايي آبهاي سطحي
نور UV در دوز متعارف با مولكولها واكنش شيميايي نشان نميدهد. درحاليكه مواد گندزداي شيميايي با اكسيداسيون بعضي ملكولها بستر تغذيه منا سبي براي رشد ميكروبي ايجاد ميكنند. مقدار پرتو UV مورد استفاده در گندزدايي، در مقايسه با مقداري كه در تكنيكهاي پيشرفته اكسيداسيون با UV بكار ميرود، بسيار پايين است. از اين رو ميتوان ميزان دوز UV را بدون اينكه منجر به جذب UV در آب شود تا ميزان زيادي بالا برد. عدم حساسيت مواد شيميايي آب نسبت به تغييرات دوز UV مزيت اين شيوه بخصوص در گندزدايي آبهاي سطحي مي باشد. زيرا به خاطر كيفيت پايين اين آبها در مقايسه با آبهاي زيرزميني معمولا گندزدايي بيشتري لازم است.
كلر در دوز بالا مي تواند كيست هاي ژيارديا را ازبين ببرد ولي بروي كريپتوسپوريديوم، حتي در دوزهاي بالا، تاثير نمي گذارد. پروتوزوا در آبهاي سطحي بيشتر يافت مي شود و براي از بين بردن آن به مقادير بيشتري از گندزداهاي شيميايي نياز است كه مجددا به تشكيل تركيبات جانبي مضر بيشتري مي انجامد.
مواردي كه وجود كيستهاي پروتوزوا خطر شناخته شده ويا بالقوه باشد، عملي ترين راه حل مقابله با آن استفاده از فيلتر مناسب در تصفيه خانه هاي شهري و منازل است. يك سيستم خانگي مناسب ميتواند شامل يك پيش فيلتر براي خارج كردن رسوبات و ذرات درشت تر، يك فيلتر با منفذ هاي 5 ميكرون مطلق براي خارج كردن ژيارديا، و در نهايت يك فيلتر با منفذهاي 3 ميكرون مطلق براي خارج كردن كريپتوسپوريديوم باشد. اگر فيلترها پس از تعويض و قبل از دورانداخته شدن به مدت طولاني در داخل مواد سفيد كننده قرار گيرند، پروتوزوا درگير در منافذ فيلتر از بين ميرود. در تصفيه خانه هاي شهري، عموما فيلترهاي شني و يا چند لايه بكار ميرود. همچنين مي توان از روش هاي نوين تصفيه با سيستم ازن زني استفاده نمود. در اين صورت بايد مواد آلي تجزيه شده توسط ازن پس از ازن زني بوسيله فيلتر فعال بيولوژيكي ويا كربن فعال جذب شده و سپس باكتريهاي حاصل از اين فرايند بيولوژيك نابود شوند.UV براي گندزدايي نهايي اين سيستم بسيار مناسب مي باشد.
4) مقايسه روش هاي ضدعفوني
پرتو فرابنفش هيچگونه باقيمانده ضد عفوني كننده وارد شبكه توزيع نميكند همين مساله اين تصور اشتباه را ايجاد كرده كه هرگاه امكان شكل گيري لايه هاي زيستي وجود دارد، بايد به جاي اشعه ماوراء بنفش از كلر استفاده شود. (به عنوان مثال بر روي سطوح دستگاهها و يا در داخل لوله هاي خطوط توزيع)
اكنون از مدارك علمي انتشار يافته كاملا روشن است كه اگر آب حاوي مواد غذايي براي رشد ميكروبي باشد (بخصوص كربن آلي قابل جذب AOC ) وجود كلر آزاد باقيمانده به مقدار 1 PPM در خطوط توزيع شهري به هيچ وجه تضمين كننده اين مسئله نيست كه لايه هاي زيستي در سطوح لوله شكل نگيرند ودر نتيجه كاليفرم مدفوعي در شيرهاي مصرف آب ديده نشود[5].
در واقع كلر ماده اي بسيار فعال و واكنشي است: واكنش با مولكول ها و ميكروبهاي واقع در سطح خارجي بيوفيلم ها كلر باقيمانده را بسرعت مصرف مينمايد. نتيجتا، كلر نمي تواند در عمق بيوفيلم نفوذ كرده و فعاليت ميكروبهاي موجود در سطوح عميق تر را از بين ببرد.
كلرآمين بدليل آنكه نسبت به كلر واكنش كند تري از خود نشان ميدهد در از بين بردن بيوفيلم ها و كنترل ميكروبي در خطوط توزيع بهتر عمل ميكند[4].
از آنجاييكه كلرامين براي ضد عفوني اوليه بخصوص در دوزهاي متعارف مناسب نمي باشد و بعضي از ويروسها نسبت به آن مقاوم مي باشند، يك استراتژي مطلوب جهت ضد عفوني ميتواند استفاده از اشعه ماوراي بنفش به عنوان گندزداي اوليه و سپس استفاده از كلرامين با تاثير ضد عفوني ماندگار ثانويه جهت جلوگيري از رشد ميكروبي در محيط هاي حاوي AOC در خطوط توزيع باشد.
با اين وجود اين روش يك مشكل اساسي دارد: اگرچه كلرامين، نسبت به كلر آزاد، تري هالومتانهاي بمراتب كمتري توليد ميكند ولي باعث ايجاد مولكولهاي پيچيده تر و سنگين تري ميگردد. با توجه به اين مطلب اين روش را ميتوان “دومين بهترين استراتژي ضد عفوني آب” محسوب كرد.
5) بهترين استراتژي ضدعفوني
بهترين استراتژي ضد عفوني روشي است كه هيچ نوع تركيبات آلي جانبي ايجاد نكند و با كارايي بالا باكتريها و ويروسها را از بين برده و پرتوزوا را تصفيه نمايد و همچنين به مواد شيميايي باقيمانده در خطوط توزيع شبكه نياز نداشته باشد.
هيچ شيوه ضد عفوني به تنهايي نميتواند كليه اين اهداف را برآورده نمايد ليكن طراحي فرايندي كه اجزاء آن در كنار يكديگر موفق به دستيابي به اين اهداف گردند امكان پذير است[1]. يك چنين فرايندي شامل اجزاء زير ميباشد:

1. پيش تصفيه آب بانضمام حذف ذرات آلي تا حد دستيابي به كيفيت مطلوب توسط فيلتراسيون
2. حذف مواد محلول آلي غذايي توسط فيلترهاي بيولوژيكي فعال، شني وكربن فعال
3. ضد عفوني با دوز صحيح توسط UV بمنظور از بين بردن باكتريها و ويروسهايي كه از فيلتر ها عبور ميكنند
4. انتقال آب پالايش شده به شبكه توزيع مجهز به سيستم تعمير و نگهداري بدون استفاده از مواد شيميايي باقيمانده[6]

اين شيوه اي است كه امروزه در اروپا بكار ميرود و سيستمي است كه از طرف بعضي محافل تخصصي بعنوان روند تكاملي در تصفيه آب شناخته شده است.
امروزه در بعضي شهر هاي بزرگ اروپا و برخي شهر هاي كوچك در ايالات متحده از هيچ نوع ماده ضد عفوني كننده باقيمانده در آبهاي آشاميدني استفاده نمي كنند.
كيفيت آب در اين شهر ها بسيار خوب است و شمارش ميكروبي پايين تر از حد مجاز ميباشد (به عنوان مثال كمتر از 500 كلني در هر ميلي ليتر)
6) نحوه عملكرد UV
اصول گندزدايي با پرتو فرابنفش در مقالات متعددي منتشر شده است. بطور خلاصه ميتوان گفت كه لامپهاي كم فشار جيوه اي با راندمان بالا و يا لامپ هاي پر فشار جيوه اي با راندمان كم تر ولي شدت تابش بيشتر ، در اسيد نوكلئيك (مولكولهاي حاوي اطلاعات ژنتيكي) ميكروبها تغييرات فتو شيميايي ايجاد ميكند. اين تغييرات مانع تكثير سلولي و توليد مثل آنها ميگردد. مقدار تخريب ايجاد شده توسط پرتو فرابنفش و در نتيجه ميزان تاثير فرايند ضد عفوني با شدت نور و مدت زمان مجاورت با تابش متناسب ميباشد. از اين 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 ثانيه). دوز UV بر اساس ژول برمتر مربع ( J/m2) و يا ميلي وات ثانيه بر سانتيمتر مربع (mW.s/cm2)محاسبه ميشود. دوز متداول پرتو افشاني UV براي ضد عفوني آب شرب بر اساس كيفيت آب و هدف ضد عفوني مورد نظر بين 400 و 1200 ژول بر متر مربع (40 تا 120 ميلي وات ثانيه بر سانتيمتر مربع) قرار دارد.
7) عوامل موثر در تعيين دوز UV
بكارگيري موثر لامپ هاي UV براي كاربرد هاي مختلف شامل ضدعفوني آب آشاميدني، آب فرايندي و فاضلاب، نياز به آگاهي از عوامل تعيين كننده دوز UV دارد. اين عوامل شامل موارد زير ميباشند:

1. ميزان آلودگي ميكروبي آب ورودي
2. فرايند تصفيه قبل از ضد عفوني با UV. فرايند تصفيه در مورد عوامل كيفي آب مانند مقدار و اندازه مواد جامد، كدورت، شفافيت براي نور UV و غيره و همچنين مشخصات ميكربي آب عامل تعيين كننده ميباشد.
3. قوانين و استانداردهاي تعيين كننده ميزان مجاز ميكروب باقيمانده پس از ضد عفوني بر حسب مورد كاربرد.
4. عوامل بيولوژيكي مربوط به حساسيت ميكروبها در مقابل نور UV
5. عوامل فيزيكي:
   
   1-5- عوامل تعيين كننده شدت تابش متوسط UV در داخل دستگاه :
   - طراحي محفظه دستگاه
   - قدرت و تعداد لامپها
   - شفافيت آب در طول موج UV (254 نانومتر)
   
   2-5- حصول اطمينان از اينكه شدت تابش متوسط UV در داخل دستگاه به ميكروبهاي داخل آب رسيده است يا خير :
   - وضعيت استقرار ميكروبها (شناور بصورت آزاد و يا داخل ذرات معلق، طيف اندازه ذرات معلق و تركيب ذرات)
   - نحوه رفتار هيدروليكي مايع در هنگام عبور از داخل محفظه UV و ميزان تلاطم
   - دبي

منبع: مهندس بهرام مظفر زنگنه كارشناس ارشد مهندسي مكانيك از دانشگاه پلی تکنیک زوریخ / سوییس-، مدير عامل شركت مهندسي پيلاب 88784638- 88784639 – فناوري هاي زيست محيطي

1. Cairns W.L. (1995)Ultraviolet Technology for Water Supply Treatment. Convention Paper, 20th Annual Convention and Exhibition, Water Quality Association.
2. Craun G.F. (1991) Causes of waterborne outbreaks in the United States. In Proceedings of the AWWA Water Quality Technology Conference – Advances in Water Analysis and Treatment. Part I, p. 149-152. American Water Works Association, Denver, CO.
3. Kruithof J.C. & van der Leer R.C. (1990) Practical experiences with UV- disinfection in the Netherlands. In Proceedings of the AWWA Seminar on Emerging Technologies in Practice. P. 177-190, American Water Works Association, Denver, CO.
4. Neden D.G., Jones R.J., Smith J.R., Kirmeyer G.J. & Foust G.W. (1992) Comparing chlorination and chloramination for controlling bacterial regrowth. Journal AWWA 84, 80-88.
5. Rice E.W. Scarpino P.V., Reasoner D.J., Logsdon G.S. & Wild D.K. (1991) Correlation of coliform growth response with other water quality parameters. Journal AWWA 83, 98-102.
6. شبكه توزيع آب شهر زوريخ بدون نياز به تزريق كلر نهائي - بهرام مظفر زنگنه (1378) مجله آب و محيط زيست، شماره 35، صفحه 24-28.