فرآیندهای شیمیایی مورد نیاز برای تصفیه آب شهری

شاید برای اکثر ما دسترسی به آب لوله‌کشی در منزل یک امر بدیهی باشد، اما برای تحقق این امر تلاش بسیاری صورت گرفته است. در کنار فرآیندها و دانش‌های گوناگون که در تأمین آب سالم شهری دخیل هستند، نقش علم شیمی بسیار برجسته است. در این مطلب به فرآیند تصفیه آب لوله‌کشی شهری و نقش مواد شیمیایی به‌کاررفته در مراحل مختلف آن نگاهی می‌اندازیم.

منابع تأمین آبی که درنهایت به خانه‌های مردم می‌رسد گسترده است. بخش زیادی از این آب از طریق برداشت از آب‌های زیرزمینی به دست می‌آید. آب‌های زیرزمینی به‌واسطه نفوذ آب‌های سطحی به اعماق زمین و گیر افتادن در میان حفرات و ترک‌خوردگی‌های سنگ‌ها به وجود می‌آیند و بر اثر عبور آب به اعماق پایین‌تر و گذر از انواع سنگ‌ها مانند سنگ گچ و مشابه آن، به‌نوعی تصفیه آب طبیعی در مسیر رخ می‌دهد و بنابراین می‌توان آب زیرزمینی را تا حدود زیادی سالم و بهداشتی تلقی کرد. به همین علت برای آب به‌دست‌آمده از منابع زیرزمینی ممکن است از برخی مراحل معمول تصفیه آب که در ادامه توضیح داده خواهند شد، صرف‌نظر شود؛ چراکه این‌گونه آب حاوی مقادیر ناچیزی ذرات معلق و مواد آلی است.

در مقابل، آب به‌دست‌آمده از دریاچه، سد و یا رودخانه‌ها نیازمند مراحل بیشتری از تصفیه آب به روش‌های شیمیایی جهت حذف آلودگی‌های فوق می‌باشد. گام اول جهت تصفیه آب به‌دست‌آمده از این منابع، حذف ذرات معلق درشت از آب است. این عمل به‌وسیله غربال‌گری به‌سادگی قابل انجام است؛ به‌نحوی‌که آب از توری‌هایی با سوراخ‌های کوچک عبور داده می‌شود تا جلوی عبور این ذرات معلق بزرگ گرفته شود. این عمل مانع از آن می‌شود که ذرات بزرگ منجر به گرفتگی فیلترها در مراحل بعدی تصفیه شوند.

هرچند استفاده از توری ذرات درشت را از آب جدا می‌سازد، اما همچنان آب به‌دست‌آمده دارای ذرات کوچک و سایر مواد حل‌شده در آب است که بایستی پیش از مصرف از آب جدا شوند. در این مرحله است که علم شیمی به کمک تصفیه آب می‌آید. برای حذف مواد آلی از آب، از موادی شیمیایی به نام منعقدکننده (coagulant) استفاده می‌شود که برای این کاربرد آلومینیوم سولفات یا آهن (II) کلرید معمول هستند. اساس کار منعقدکننده‌ها خنثی کردن بار منفی مواد آلی کوچک در آب است که باعث می‌شود این مواد همدیگر را دفع نکرده و با پیوستن به یکدیگر، ذرات بزرگ‌تری تشکیل دهند تا قابل جداسازی باشند. به فرآیندی که به سبب آن اندازه ذرات به‌هم‌پیوسته افزایش می‌یابد، لخته‌سازی (flocculation) گفته می‌شود و ذرات انباشته‌شده تحت این عمل نیز لخته (floc) نام دارند.

در گام بعدی آب به‌دست‌آمده پس از مراحل انعقاد و لخته‌سازی برای مدتی به‌صورت ساکن رها می‌شود تا لجن موجود در آن ته‌نشین شود. لجن ته‌نشین شده را می‌توان به‌سادگی از آب حذف نمود و یا تصفیه کرده و بازماند آن را دفع نمود. این لجن علاوه بر مواد آلی حذف‌شده از آب، حاوی مقادیری از هیدروکسید فلزی است که در مرحله انعقاد به وجود می‌آید. یکی از کاربردهای عملی این لجن می‌تواند تولید کود برای مزارع کشاورزی باشد. روش دیگر دفع آن سوزاندن و یا دفن لجن باقیمانده است.

پس‌ازآنکه لجن از آب حذف گردید، به مرحله فیلتر آب می‌رسیم. در این مرحله آب از بسترهای مواد مختلف عبور داده می‌شود تا هرگونه مواد آلی و ذرات معلقی که در مرحله انعقاد حذف نشده‌اند از آن جدا شوند. مواد به‌کاررفته در این مرحله به‌صورت معمول بستری از ماسه در بالای بستری از شن است. در برخی مواقع از بستری از کربن به شکل زغال نیز در انتهای این مرحله برای حذف عناصری که ممکن است بو و مزه آب را نامطلوب کنند نیز استفاده می‌شود.

پس‌ازاینکه آب از فیلتراسیون عبور داده شد، می‌توان سطح اسیدی بودن آب را نیز تنظیم نمود. این عمل ازآن‌جهت به کار می‌رود که آب بسیار اسیدی منجر به خوردگی لوله‌های انتقال آب و درنتیجه تغییر رنگ آب می‌شود. همچنین ممکن است باعث حل شدن فلزات سنگین و مضر برای سلامتی مانند سرب در آب شهری نیز گردد. برای کاهش خاصیت اسیدی، آب از درون فیلترهایی حاوی سنگ‌آهک خردشده عبور داده می‌شود که ماده اصلی تشکیل‌دهنده این فیلتر کلسیم کربنات است. کلسیم کربنات کمک می‌کند تا pH آب بالا رفته و اسیدی بودن آن کاهش یابد. در نقطه مقابل اگر pH آب تولیدی بالا باشد (آب بیش‌ازحد موردنظر قلیایی شود)، مواد اسیدی به آب افزوده می‌شود. در برخی از تصفیه‌خانه‌ها در این مرحله از سختی‌گیر آب نیز استفاده شده و آب سختی‌گیری می‌شود.

پس از طی مراحل فوق گاهی نیاز است مواد ضد خوردگی به آب افزوده شود تا از ورود فلزات به آب درون لوله جلوگیری شود. برای این منظور از موادی به نام اورتوفسفات، مانند اسید فسفریک، می‌توان استفاده نمود. این مواد با تشکیل ترکیباتی از فسفات در سطح داخلی لوله که از حل شدن سرب در آب جلوگیری می‌نماید، از ورود سرب به درون آب شهری ممانعت می‌کنند. در صورت عدم استفاده از این مواد ممکن است سطح سرب موجود در آب از محدوده مجاز خارج شود که برای سلامتی مصرف‌کنندگان مضر است.

هرچند تا این مرحله تقریباً تمامی ذرات معلق و مواد حل‌شده از آب حذف شده‌اند، ممکن است برخی از مواد بیماری‌زا مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها همچنان باقی مانده باشند. به همین علت نیاز است آب پیش از فرستاده شدن به خانه‌های مردم ضدعفونی گردد. این عمل معمولاً توسط افزودن مقادیری کلر به آب صورت می‌گیرد. کلر یک عامل اکسیدکننده است که باعث ازهم‌پاشیدگی دیواره‌های سلولی و غیرفعال‌سازی آنزیم‌ها و پروتئین‌های پاتوژن‌ها می‌شود.

بااین‌وجود افزودن کلر به آب تبعاتی نیز به همراه دارد. فعل‌وانفعال کلر با باقیمانده مواد آلی در آب منجر به ایجاد ترکیباتی به نام تری‌هالومتان (THM) خواهد شد. این ترکیبات به‌صورت بالقوه سرطان‌زا بوده و اثرات سوء آن‌ها در ایجاد سرطان در برخی جانوران به اثبات رسیده است. درنتیجه به دلیل اثرات مفید کلرزنی در جلوگیری از شیوع بیماری‌های ناشی از آب آلوده مانند حصبه و وبا، با وجود افزایش ریسک ابتلا به سرطان ناشی از ایجاد THM در آب همچنان افزودن کلر به آب توسط بسیاری از تأسیسات تصفیه آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در اکثر مواقع مقدار THM در آب به‌دقت اندازه‌گیری می‌شود و از سطحی مطمئن بالاتر نمی‌رود. از طرفی ازآنجاکه علت اصلی شکل‌دهنده THM وجود مواد آلی در آب است، عملیات کلرزنی پس‌ازآنکه این مواد تا حدود زیادی حذف شدند صورت می‌گیرد. در برخی از تصفیه‌خانه‌ها ممکن است برای رفع این مشکل به‌جای کلرزنی، از ازون برای ضدعفونی کردن آب استفاده شود. بااین‌وجود برتری کلرزنی در این است که تا زمان عبور آب از لوله‌کشی شهری، بخشی از کلر افزوده‌شده همچنان باقی خواهد ماند و درنتیجه آب تا هنگام رسیدن به منازل مردم از پاتوژن‌ها و عوامل بیماری‌زا عاری است. برای رفع مشکلات ناشی از کلر و THM در آبی که به خانه ما می‌رسد، می‌توان آنها را به وسیله دستگاه تصفیه آب خانگی از آن حذف کرد.

گاهی اگر در نقطه‌ای سطح فلوراید طبیعی موجود در آب پایین باشد، در مرحله پایانی پیش از فرستادن آب به سیستم شهری مقداری فلوراید به آن افزوده می‌شود. مصرف فلوراید از سرعت پوسیدگی دندان‌ها می‌کاهد. پس از گذر از تمامی مراحل فوق، آب آماده انتقال به نقاط مصرف است و شما با باز کردن شیر آب در منزل به آن دسترسی خواهید داشت.