كيفية تعقيم مياه الصنبور

كيفية تعقيم مياه الصنبور؟

يرفض الإنسان غريزيًا شرب الماء غير النظيف. لكن قبل العصر الحديث، لم يكن بإمكان البشر الاعتماد إلا على حواس البصر والشم والتذوق الخاصة بهم للحكم على "نجاسة"، لذلك كانوا يعتقدون أن المياه العكرة أو ذات الرائحة الكريهة كانت غير نظيفة. كما أدت هذه التصورات البدائية بشكل مباشر إلى تطبيق الترشيح على نطاق واسع كوحدة مهمة لمعالجة المياه في معالجة المياه الحديثة.

بعد الثورة الصناعية، وبسبب الزيادة السريعة في عدد سكان الحضر وتطور التجارة العالمية، أصبحت مجموعة متنوعة من الأمراض المعدية مثل الكوليرا والتيفوئيد والدوسنتاريا متكررة ومنتشرة في أوروبا. وفي الماضي، كان الناس يعتقدون أن هذه الأمراض المعدية تنتشر بين الناس عن طريق "الميازما". لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1854 عندما قام الدكتور جون سنو بملاحظة وتحليل مرض الكوليرا في مجتمع في لندن ووجد أن انتشار المرض مرتبط بشرب نفس مياه الآبار الملوثة من قبل المرضى. وكانت هذه هي المرة الأولى التي ترتبط فيها مياه الشرب غير الآمنة بالكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض في الماء. وفي الثلاثين عامًا التالية أو نحو ذلك، وبمساعدة المراقبة المجهرية وطرق الزراعة البكتيرية، اكتشف العلماء أيضًا مسببات الأمراض البكتيرية مثل ضمة الكوليرا التي تسبب الكوليرا والسالمونيلا التيفية التي تسبب التيفوئيد. وجاء اكتشاف فيروسات أصغر من البكتيريا بعد ذلك بقليل.

لقد أدى تعزيز وتطبيق الترشيح إلى تقليل خطر الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض في المياه ونطاق ومدى انتشار الأمراض المعدية المنقولة بالمياه. وذلك لأن الترشيح يزيل معظم الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض في الماء بينما يزيل التعكر والجسيمات الموجودة في الماء. ومع ذلك، في وقت مبكر من بداية القرن العشرين، اكتشف العلماء أنه على الرغم من أن عملية معالجة المياه التي تتكون من "التخثر ← التلبد ← الترسيب ← الترشيح" يمكن أن تقلل من العكارة إلى مستوى منخفض جدًا (مثل<0.3 NTU), it is still not enough to completely eliminate the risk of pathogenic microorganisms in the water. This requires disinfection of the filtered water, that is, inactivation of residual microorganisms, and maintaining a certain concentration of disinfectant residue in the pipe network water. In other words, filtration and disinfection are the dual cores of surface water source drinking water treatment technology, and both are indispensable.

يعد الكلور مطهر مياه الشرب الأكثر استخدامًا في العالم منذ عام 1902، عندما تم استخدام هيبوكلوريت الكالسيوم لأول مرة لتطهير المياه الخام في محطة المياه البلدية في ميدل كيرك، بلجيكا. تم استخدام هيبوكلوريت الكالسيوم الصلب لأول مرة، يليه الكلور السائل، والآن يتم استخدام المزيد من محلول هيبوكلوريت الصوديوم. ويشار إلى هذه المطهرات مجتمعة باسم الكلور الحر أو الكلور الحر، لأنها توجد في شكل جزيئات حمض الهيبوكلوروس (HClO) أو أيونات هيبوكلوريت (ClO-) في الماء. تتمثل مزايا مطهرات الكلور في سهولة إنتاجها وتخزينها ونقلها وإضافتها، وانخفاض تكلفة استخدامها، ولها نطاق واسع من تأثيرات التطهير، خاصة لمسببات الأمراض الفيروسية.

عيب التطهير بالكلور هو أنه يتفاعل بسهولة مع المواد العضوية الطبيعية (NOM) الموجودة عادة في الماء لإنتاج منتجات التطهير الثانوية مثل ثلاثي الهالوميثان وأحماض الهالوسيتيك. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان تركيز الكلور أو الكلورامين في مياه الشرب مرتفعًا جدًا، فإنه سيؤدي إلى تهيج العينين والأنف عند ملامسته، وقد يسبب إزعاجًا في المعدة أو فقر الدم عند الشرب. بالإضافة إلى ذلك، من السهل أيضًا تفاعل الكلور الحر مع الأمونيا في الماء لتكوين الكلورامينات، والمعروفة أيضًا بالكلور المدمج، والتي قد تعطي الماء رائحة كريهة مثل الكلور أو المطهر، مما يؤثر على طعم مياه الشرب. ولذلك، وضعت دول العالم حدودًا لتركيز الكلور المتبقي في مياه المصانع. تشترط بلادي ألا يتجاوز تركيز الكلور الحر 2 ملجم / لتر، وألا يتجاوز إجمالي تركيز الكلور الحر والكلور المركب 3 ملجم / لتر. تنص لوائح مياه الشرب الوطنية الفيدرالية الأمريكية (NPDWR) على ألا يتجاوز الحد الأقصى لتركيز الكلور الحر والكلور الإجمالي في مياه الشرب 4 ملجم/لتر. ومن الناحية الصحية، توصي منظمة الصحة العالمية بألا يزيد تركيز الكلور الحر في مياه الشرب عن 5 ملغم/لتر، وألا يزيد تركيز أحادي الكلورامين، المكون الرئيسي للكلورامين، عن 3 ملغم/لتر. نظرًا لأن الكلور والكلورامين مادة متطايرة، فإن غلي ماء الصنبور قبل الشرب يمكن أن يقلل بشكل كبير من طعم الكلور في مياه الشرب. يعد استخدام أعمدة مرشح الكربون المنشط لتعزيز تحلل الكلور والكلورامين خيارًا جيدًا أيضًا.

من أجل التحكم في توليد منتجات التطهير الثانوية، قد تقوم بعض محطات المياه بتقليل جرعة مطهرات الكلور. من وجهة نظر التطهير، فهذه ممارسة غير موصى بها على الإطلاق. بالنسبة لمحطة المياه، فإن وقت الاتصال الفعلي (قيمة T) بين المطهر والماء هو في الأساس قيمة ثابتة. إن تقليل جرعة المطهر سيؤدي بالتأكيد إلى تقليل بقايا المطهر (قيمة C)، وبالتالي سيؤدي بالتأكيد إلى تقليل قيمة CT، وبالتالي إضعاف تأثير التعطيل على الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.

الأنواع المختلفة من الكائنات الحية الدقيقة لها قدرة تحمل مختلفة جدًا للكلور الحر (الشكل 2). من بين مسببات الأمراض المائية الشائعة، يعتبر كريبتوسبوريديوم كائنًا دقيقًا مقاومًا للغاية للكلور. تصل قيمة CT المطلوبة للتعطيل بنسبة 99% (أي 2 سجل) في ظل درجة حرارة الماء العادية وظروف الرقم الهيدروجيني إلى آلاف الملجم/لتر‧دقيقة. بمعنى آخر، بافتراض أن وقت ملامسة التطهير هو 60 دقيقة، فإن بقايا الكلور الحر المطلوبة تصل إلى مئات الملجم / لتر، وهو أعلى بمئات المرات من بقايا الكلور الحر المعتادة (~ 1 ملجم / لتر) من الماء النباتات. ومن الواضح أن هذا غير واقعي. من بين مسببات الأمراض البكتيرية، تشتمل الكائنات الحية الدقيقة المقاومة للكلور على أنواع معينة من المتفطرات والبكتيريا الفيلقية، وتكون قيمة الأشعة المقطعية المطلوبة للتعطيل بنسبة 99% (أي سجل 2) في حدود 100 إلى 1000 مجم/لتر‧دقيقة. وبالمقارنة، فإن معظم أنواع الفيروسات لا تتحمل الكلور الحر، ويمكن تحقيق قيمة CT للكلور الحر المطلوبة للتعطيل بسهولة.

لتعطيل نوع معين من الكائنات الحية الدقيقة، يتم استخدام مطهرات مختلفة، كما أن قيم الأشعة المقطعية المطلوبة مختلفة تمامًا (الشكل 2). ويرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بآلية تطهير المطهر، مثل قدرة الأكسدة ونفاذية غشاء الخلية. يمكن للكلور الحر أن يعطل نشاط الفيروس الغدي بسهولة، لكن الكلورامين أكثر صعوبة؛ يمكن للكلور الحر أن يحقق درجة معينة من تعطيل نشاط الجيارديا لامبليا، لكن الكلورامين ليس له أي تأثير تقريبًا. ولذلك، يجب أن تحاول محطات المياه تجنب استخدام الكلورامين كوسيلة رئيسية للتطهير والتطهير. حتى لو امتد وقت التلامس للتطهير بالكلورامين إلى عدة ساعات، فمن الصعب ضمان التعطيل الفعال لجيارديا لامبليا والمتفطرات والفيلقية. عندما يحتوي الماء الخام على تركيز عالٍ (مستوى ملجم/لتر) من الأمونيا، نظرًا لأن الأمونيا تتفاعل بسهولة مع الكلور الحر لتكوين الكلورامين، فهو في الواقع تطهير بالكلورامين وليس تطهير بالكلور الحر، ومن الصعب ضمان تأثير التطهير. بالإضافة إلى ذلك، كما ذكر أعلاه، فإن توليد ثنائي كلورو الأمونيا وثلاثي كلورو الأمونيا سيزيد بشكل كبير من "طعم الكلور" في الماء. في هذه الحالة، يجب إزالة الأمونيا قبل التطهير أو استخدام طرق تطهير أخرى عالية الكفاءة. عندما يكون تركيز الأمونيا منخفضًا، تكون الكلورة عند نقطة التوقف خيارًا أيضًا.

للأوزون (O3) تأثير تطهير وتعطيل جيد على معظم الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض، وتكون قيمة الأشعة المقطعية المطلوبة لمعدل التعطيل بنسبة 99% أقل بشكل عام من 10 ملجم/لتر‧دقيقة. للأشعة فوق البنفسجية تأثير تطهير وتعطيل جيد على الكريبتوسبوريديوم وجيارديا لامبليا ("الدودتان"). لذلك، عندما تحتوي المياه الخام على تركيز عالٍ من "الديدان"، الليجيونيلا وغيرها من الكائنات الحية الدقيقة المقاومة للكلور، من ناحية، فمن الضروري تقليل مستوى تعكر المياه المفلترة بشكل أكبر (مثل<0.1 NTU), and on the other hand, ozone or ultraviolet light can be used as a disinfection method in combination with chlorine or chloramines in the water plant. Since neither ultraviolet light nor ozone can maintain the continuous disinfection effect of the pipeline network, the water outlet should contain a certain concentration of free chlorine or chloramine before entering the pipeline network to meet the requirements of the "National Standard" to maintain continuous disinfection of the pipeline network water and ensure the microbial safety of the water at the end of the pipeline network. The advantage of chloramine is that it is stable and not easy to decay, and the residual chlorine concentration is easy to maintain; the disadvantage is that the disinfection ability is weaker than that of free chlorine, and if it is not properly operated, it is easy to cause nitrification reaction, generate nitrite, and consume residual chlorine. According to the treatment capacity, more than 30% of surface water plants in my country have adopted ozone-activated carbon deep treatment process, with pre-ozone and main ozone contact tanks. Although its main function is to enhance the removal of organic matter, ammonia nitrogen and odor substances, it actually plays a role in enhancing disinfection. However, due to the strong reaction ability of ozone, the concentration in the ozone contact tank decays quickly, and its actual disinfection effect depends on the water quality, especially the organic matter concentration and pH.

Whether chlorine, ozone or ultraviolet disinfection is used, the design of the disinfection tank/device is crucial, and the effective contact time of the disinfectant in it (i.e., T in the CT value) needs to be increased. Since there are generally short-flow, dead zone and diffusion phenomena in the disinfection tank/device, it is not an ideal plug flow reactor, and the effective contact time between the disinfectant and water must be shorter than the hydraulic retention time (HRT). Setting a partition wall (baffle) in the disinfection tank/device to increase the aspect ratio, setting a flower wall at the entrance, and setting a diversion wall at the bend can effectively increase the effective contact time. Strictly speaking, it is to increase the ratio of effective contact time to hydraulic retention time (to 0.8 or above) (Figure 3). Increasing the effective contact time of the disinfectant is particularly important for ultra-efficient inactivation of microorganisms (such as >99.99%، أي 4 سجل). ومع ذلك، في الهندسة، الاعتماد فقط على التطهير للقضاء على مخاطر الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض ليس مجديًا أو موثوقًا به اقتصاديًا. تعتبر عملية الحاجز متعدد المراحل لمعالجة المياه والتي تتكون من "التخثر ← التلبد ← الترسيب ← الترشيح ← التطهير" أكثر علمية واقتصادية: تقلل العملية التقليدية من التعكر والتركيز الميكروبي، وتقوم وحدة التطهير اللاحقة بتعطيل الكائنات الحية الدقيقة المتبقية بشكل فعال، والأنبوب تحافظ الشبكات وأنظمة توزيع المياه الأخرى على تركيز معين من الكلور المتبقي لمنع نمو وتكاثر الكائنات الحية الدقيقة. ومن أجل ضمان السلامة الميكروبية للمياه في نهاية شبكة الأنابيب، يوصى بأن لا يقل الكلور المتبقي في الماء في نهاية شبكة الأنابيب عن 0.2 ملغم/لتر .

يشير الكلور المتبقي إلى الكلور الفعال المتبقي في الماء بعد تطهير الماء بالكلور وملامسته لفترة زمنية معينة. تحتاج المياه الموجودة في محطة المياه إلى المرور عبر شبكة طويلة لتوزيع المياه قبل أن يتم نقلها إلى آلاف الأسر. أثناء عملية النقل، جودة المياه سوف تكون ملوثة حتماً بالبكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى. في النقل عبر خطوط الأنابيب لمسافات طويلة، من أجل ضمان السلامة الميكروبية لمياه الصنبور بشكل مستمر، يجب أن تحتوي مياه الصنبور على كمية معينة من الكلور المتبقي عند مغادرة المصنع (إذا تم تناول كمية كبيرة من الكلور، فسيكون لها سمية معينة) لجسم الإنسان، ويجب مراقبة محتوى الكلور المتبقي في ماء الصنبور بشكل صارم.