فراب زیست فراز | انواع سیستمها و تجهیزات تصفیه آب و فاضلاب صنعتی
ضد عفونی با پرتو فرابنفش UV را مي توان يک روش طبيعي پنداشت زيرا که نور خورشيد نيز ضد عفوني را به همين روش در طبيعت انجام مي دهد. نور فرابنفش در طول موجي بين 100nm و 400nm قرار مي‌گيرد.
تقسيم‌بندي باندهاي نور فرابنفش به قرار زير است :
1- طيف UV با طول موج بين 315 nm و 400 nm موسوم به UV-A
2- طيف UV با طول موج بين 280 nm و 315 nm موسوم به UV-B
3- طيف UV با طول موج بين 200 nm و 280 nm موسوم به UV-C
4- طيف UV با طول موج بين 100 nm و 200 nm موسوم بهUV-V Vacuum) UV )
نور فرابنفش در طول موج بين 200nm و 280nm خاصيت گندزدايي در آب داشته و بر روي DNA ميكروارگانيسم ها تاثير گذاشته و آنها را عقيم مي كند و بدين ترتيب مانع از تكثير آنها مي‌شود. بالاترين راندمان اين فرآيند در طول موج 254nm صورت مي گيرد.
پرتو فرابنفش در گندزدایی آب آشاميدنی در پايان مراحل تصفيه پيش از مصرف مورد استفاده قرار مي گيرد به این صورت که آب پس از فيلتر شدن و حذف ذرات معلق (حتي المقدور تا اندازه 5 ميكرون ) وارد محفظه اي از جنس فولاد ضد زنگ شده (SS316) و در مجاورت نور فرابنفش قرار گرفته و عمل گندزدايي انجام مي‌گيرد.
اصول گندزدایی با اشعه فرابنفش (UV)
اشعه فرابنفش (UV) شامل سه ناحیه طول موجی است: UV-A، UV-B و UV-C. از بین این سه ناحیه، اشعه UV-C که دارای طول موج کوتاه‌تری است، خاصیت گندزدایی دارد. نور UV در محدوده ۲۵۴ نانومتر (nm) توسط یک لامپ قوسی جیوه‌ای کم‌فشار که شبیه به یک لامپ فلورسنت است، تولید می‌شود. نانومتر معادل یک میلیاردیم متر (۱۰^-۹ متر) است. این لامپ‌ها حاوی جیوه عنصری و یک گاز بی‌اثر مانند آرگون هستند که درون یک لوله انتقال‌دهنده UV، معمولاً از جنس کوارتز (که برخلاف شیشه، به اشعه UV اجازه عبور می‌دهد) قرار دارد.
به طور سنتی، بیشتر لامپ‌های جیوه‌ای قوسی UV از نوع کم‌فشار هستند؛ زیرا این لامپ‌ها در فشار جزئی پایین جیوه، فشار بخار کلی کم (حدود ۲ میلی‌بار)، دمای خارجی پایین (۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و توان مصرفی کم کار می‌کنند. این لامپ‌ها تقریباً تابش فرابنفش تک‌رنگی را در طول موج ۲۵۴ نانومتر منتشر می‌کنند که در محدوده بهینه جذب انرژی UV توسط اسیدهای نوکلئیک (حدود ۲۴۰ تا ۲۸۰ نانومتر) قرار دارد. اشعه UV با شکستن پیوندهای اسیدهای نوکلئیک، میکروارگانیسم‌ها را از بین می‌برد.
در سال‌های اخیر، لامپ‌های UV با فشار متوسط که در فشار، دما و توان بالاتری کار می‌کنند و طیف وسیع‌تری از انرژی UV را در محدوده ۲۰۰ تا ۳۲۰ نانومتر منتشر می‌کنند، به بازار عرضه شده‌اند. با این حال، برای گندزدایی آب آشامیدنی در مقیاس خانگی، لامپ‌ها و سیستم‌های کم‌فشار کاملًا مناسب و حتی ترجیحی نسبت به لامپ‌ها و سیستم‌های فشار متوسط هستند. این موضوع به این دلیل است که لامپ‌های کم‌فشار علاوه بر اثربخشی بالا در گندزدایی، با توان و دمای کمتر و هزینه پایین‌تری کار می‌کنند و می‌توانند مقدار کافی آب برای مصارف روزانه خانگی را ضدعفونی کنند.
یکی از الزامات اساسی برای گندزدایی با اشعه UV از طریق سیستم‌های لامپی، وجود منبع برق پایدار و قابل‌اعتماد است. اگرچه مصرف برق لامپ‌های UV جیوه‌ای کم‌فشار نسبتاً پایین است، اما برای عملکرد صحیح لامپ و گندزدایی آب، تأمین برق ضروری است.
از آنجایی که بیشتر میکروارگانیسم‌ها به تابش در محدوده ۲۶۰ نانومتر حساس هستند، اشعه UV در این محدوده دارای حداکثر خاصیت گندزدایی است. همچنین، برخی از لامپ‌های UV که در محدوده ۱۸۵ نانومتر تابش دارند، علاوه بر اثرگذاری بر میکروارگانیسم‌ها، قادر به کاهش محتوای کل کربن آلی (TOC) آب نیز هستند.
در یک سیستم UV استاندارد، حدود ۹۵ درصد از تابش UV از طریق یک محفظه کوارتزی عبور کرده و وارد آب خام می‌شود. آب به‌صورت یک لایه نازک در اطراف لامپ جریان پیدا می‌کند. محفظه کوارتزی به‌گونه‌ای طراحی شده است که دمای لامپ را در حد ایده‌آل، یعنی حدود ۱۰۴ درجه فارنهایت (۴۰ درجه سانتی‌گراد) حفظ کند.
عملکرد سیستم ضدعفونی آب با اشعه فرابنفش UV
ضد عفونی آب با سیستم‌های UV روشی ساده اما بسیار کارآمد برای تضمین آب تمیز است. در این سیستم، آب از طریق لوله‌کشی وارد محفظه UV شده و در معرض نور فرابنفش قرار می‌گیرد که از لامپ‌های UV منتشر می‌شود. این نور دارای طول موج خاصی در طیف UV-C (حدود ۲۵۴ نانومتر) است که در صورت برخورد با شدت مناسب، می‌تواند میکروارگانیسم‌ها را غیرفعال کند.
از نظر فنی، زمانی که آب در معرض نور UV قرار می‌گیرد، پیوندهای شیمیایی در ساختار DNA میکروارگانیسم‌ها شکسته می‌شود و این تغییر، توانایی آنها را در انجام عملکردهای حیاتی مانند تولید مثل یا ایجاد عفونت از بین می‌برد.
باکتری‌هایی مانند E. coli به‌سرعت تکثیر می‌شوند، اما اشعه UV می‌تواند DNA یا RNA آنها را تخریب کند و مانع از عملکرد و تکثیر آنها شود.
با افزایش تقاضای جهانی برای راهکارهای مقرون به صرفه و پایدار در تأمین آب تمیز، سیستم‌های ضد عفونی با اشعه فرابنفش (UV) نقش فزاینده‌ای در این حوزه ایفا می‌کنند. تمرکز جهانی بر پایداری باعث شده است که انتخاب راهکار مناسب برای چالش‌های ضدعفونی آب از اهمیت بیشتری برخوردار شود. افزایش آگاهی زیست‌محیطی، همراه با سخت‌گیری‌های بیشتر در استانداردهای تخلیه پساب، همچنان در دستور کار قرار دارد.
فناوری UV بیش از ۱۰۰ سال پیش کشف شد و از آن زمان تاکنون پیشرفت‌های فناورانه چشمگیری داشته است. امروزه این فناوری به یکی از اجزای جدایی‌ناپذیر فرایندهای تصفیه آب تبدیل شده است.
سیستم‌های UV به عنوان یک راهکار پایدار و بدون استفاده از مواد شیمیایی در سراسر جهان پذیرفته شده‌اند. این فناوری قادر است باکتری‌ها، ویروس‌ها و پروتوزوآها را غیرفعال کند، که آن را به یک فناوری حیاتی برای آینده‌ی ضدعفونی آب تبدیل می‌کند.
مهمترين نكات در انتخاب و طراحي سيستم UV به قرار زير است :
- ميزان شدت انرژي تابيده شده از لامپ در واحد سطح در دورترين نقطه از لامپ
- تعيين ميزان امواج تابيده در طول موج 254nm برحسب درصد
- تضمين و تاييد ميزان انرژي مذكور در واحد سطح در پايان طول عمر لامپ
- خلوص شيشه لامپ و كوارتز ( پوشش حايل لامپ )
- طراحي محفظه به منظور ايجاد جريان چرخشي براي آب ( اين مهم در افزايش راندمان تاثير چشم گيري دارد )
- تعداد لامپ‌ها
- سيستم هاي كنترل تعبيه شده در تابلو برق
- قابليت تجهيز به سيستم ميزان كنترل اشعه تابيده در واحد سطح از لامپ در دورترين نقطه از لامپ در محفظه
جدول زیر زمان تقریبی مورد نیاز برای غیرفعال‌سازی کامل میکروارگانیسم‌ها را در دوز 30,000 میکرووات-ثانیه بر سانتی‌متر مربع از نور فرابنفش با طول موج 254 نانومتر نشان می‌دهد:
| نوع میکروارگانیسم | نام | زمان کشندگی 100% (ثانیه) | نام | زمان کشندگی 100% (ثانیه) |
|---|---|---|---|---|
| باکتری‌ها | باسیل دیسانتری | 0.15 | میکروکوکوس کاندیدوس | 0.4 – 1.53 |
| لپتوسپیرا | 0.2 | سالمونلا پاراتیفی | 0.41 | |
| لژیونلا پنوموفیلا | 0.2 | مایکوباکتریوم توبرکلوزیس | 0.41 | |
| کورینه‌باکتریوم دیفتری | 0.25 | استرپتوکوک همولیتیکوس | 0.45 | |
| شیگلا دیسانتری | 0.28 | سالمونلا انتریتیدیس | 0.51 | |
| باسیلوس آنتراسیس | 0.3 | سالمونلا تیفی‌موریوم | 0.53 | |
| کلستریدیوم تتانی | 0.33 | ویبریو کلرا | 0.64 | |
| اشریشیا کلی (E. coli) | 0.36 | کلستریدیوم تتانی | 0.8 | |
| پسودوموناس آئروژینوزا | 0.37 | استافیلوکوکوس آلبوس | 1.23 | |
| ویروس‌ها | ویروس کوکساکی A9 | 0.08 | اکوویروس 1 | 0.73 |
| آدنوویروس 3 | 0.1 | ویروس هپاتیت B | 0.73 | |
| باکتریوفاژها | 0.2 | اکوویروس 11 | 0.75 | |
| آنفلوآنزا | 0.23 | ویروس پولیو 1 | 0.8 | |
| روتاویروس SA 11 | 0.52 | ویروس موز توتون | 16 | |
| اسپور قارچ‌ها | موکور موسدو | 0.23 – 4.67 | پنی‌سیلیوم روکفورتی | 0.87 – 2.93 |
| اووسپورا لاکتیس | 0.33 | پنی‌سیلیوم کریسوژنوم | 2.0 – 3.33 | |
| آسپرژیلوس آمستلودامی | 0.73 – 8.80 | آسپرژیلوس نیجر | 6.67 | |
| پنی‌سیلیوم دیجیتاتوم | 0.87 | قارچ‌های کود حیوانی | 8 | |
| جلبک‌ها | کلرلا ولگاریس | 0.93 | تک‌یاخته‌ها | 4 – 6.70 |
| جلبک سبز | 1.22 | پارامسیوم | 7.3 | |
| تخم کرم‌های لوله‌ای | 3.4 | جلبک سبز-آبی | 10 – 40 |
این داده‌ها نشان دهنده میزان حساسیت میکروارگانیسم‌های مختلف به تابش فرابنفش در طول موج 254 نانومتر هستند و در فرآیندهای ضدعفونی‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انتخاب سیستم UV مناسب
میزان گند زدایی آب وابسته به کارایی لامپ‌های UV و نوع میکروارگانیسم‌های موردنظر برای غیرفعال‌سازی است. اگر سیستم UV متناسب با نیاز انتخاب نشود، قدرت تابش اشعه کافی نخواهد بود و میکروارگانیسم‌ها غیرفعال نمی‌شوند. بنابراین، در انتخاب سیستم UV باید مشخصات آب و چالش‌های تصفیه آن در نظر گرفته شود.
یکی از مزایای مهم سیستم‌های فرابنفش این است که آب ضدعفونی‌شده پس از خروج از محفظه هیچ تغییری در طعم، بو یا رنگ خود نخواهد داشت و خواص فیزیکی و شیمیایی آن بدون تغییر باقی می‌ماند.
درحالی‌که برای کاربردهای مختلف تصفیه آب، استانداردهای مشخصی وجود دارد، توصیه می‌شود قبل از انتخاب سیستم UV، آب موردنظر آزمایش و تجزیه‌وتحلیل شود تا از اثربخشی سیستم در غیرفعال‌سازی میکروارگانیسم‌های هدف اطمینان حاصل شود.
مزایای استفاده از سیستم‌های UV
حتی اگر آب از نظر ظاهری تمیز به نظر برسد، تضمینی برای عاری بودن آن از باکتری‌ها، ویروس‌ها و انگل‌های مضر وجود ندارد. ضدعفونی UV نقش مهمی در بسیاری از فرآیندهای تصفیه آب در سراسر جهان ایفا می‌کند و به حل این مشکل زیستی کمک می‌کند. هرچند که ضدعفونی UV در همه موارد به‌تنهایی کافی نیست، اما مزایای متعددی دارد:
- کاهش اثرات زیست‌محیطی در مقایسه با روش‌های ضدعفونی جایگزین
- هزینه‌های پایین نگهداری، مدیریت و عملیاتی (OPEX)
- عدم استفاده از مواد شیمیایی خطرناک (در مراحل ذخیره‌سازی، حمل‌ونقل و پسماند)
- عدم تولید محصولات جانبی در فرآیند ضد عفونی
- عدم تغییر در خصوصیات آب مانند pH و دما
- تصفیه فوری و بدون نیاز به زمان پردازش
- سادگی و ایمنی در اجرا
این فناوری به‌ویژه جایگزین مناسبی برای ضدعفونی با کلر است، چرا که استفاده از کلر ممکن است منجر به مشکلات سلامتی مانند بیماری‌های تنفسی شود و همچنین در غیرفعال‌سازی برخی انگل‌های مقاوم مانند کریپتوسپوریدیوم و ژیاردیا مؤثر نباشد.
اجزای اصلی سیستم گند زدایی UV
درک اجزای مختلف یک سیستم ضدعفونی UV می‌تواند به شناخت بهتر عملکرد آن کمک کند. هر یک از این اجزا نقش مهمی در فرآیند ضدعفونی ایفا می‌کنند:
۱. لامپ‌های UV
لامپ‌های UV مهم‌ترین بخش این سیستم هستند که نور فرابنفش را برای غیرفعال‌سازی میکروارگانیسم‌ها منتشر می‌کنند. بسته به نوع تصفیه موردنیاز، از لامپ‌های کم‌فشار یا میان‌فشار استفاده می‌شود.
۲. محفظه‌های کوارتز
محفظه‌های کوارتز از لامپ‌های UV در برابر تماس مستقیم با آب محافظت می‌کنند. برای جلوگیری از ایجاد رسوبات و کاهش کارایی، از سیستم‌های تمیزکننده خودکار برای پاکسازی این محفظه‌ها استفاده می‌شود.
۳. راکتور
راکتور، محل انجام فرآیند ضد عفونی است. هنگام عبور آب از این محفظه، لامپ‌های UV وظیفه غیرفعال‌سازی میکروارگانیسم‌ها را انجام می‌دهند. بسته به نیاز تصفیه، راکتور ممکن است از جنس استیل ضدزنگ (SS)، پلی‌پروپیلن (PP) یا پلی‌اتیلن با چگالی بالا (PEHD) ساخته شود.
۴. بالاست (مدار راه‌انداز لامپ)
بالاست، برق موردنیاز برای لامپ‌ها را تأمین و از عملکرد پایدار سیستم اطمینان حاصل می‌کند.
۵. تابلو کنترل
تابلو کنترل، عملیات سیستم را مدیریت کرده و امکان نظارت بر عملکرد را فراهم می‌کند. این بخش قابلیت ارسال هشدار در صورت خرابی لامپ‌ها و ارائه اطلاعات مربوط به میزان ضدعفونی را دارد.
تمامی این اجزا برای عملکرد یک سیستم گندزدایی با اشعه فرابنفش ضروری هستند، اما تعداد آنها بسته به نیاز ضدعفونی متفاوت است. به‌عنوان مثال، یک راکتور بسته می‌تواند از یک تا ۵۶ لامپ UV در هر واحد داشته باشد.
انواع دستگاه‌های ضد عفونی آب با اشعه فرابنفش
یک دستگاه معمولی گندزدایی با اشعه فرابنفش شامل یک محفظه استوانه‌ای است که در مرکز آن یک لامپ UV قرار دارد. این لامپ درون یک آستین کوارتزی قرار گرفته و جریان آب به‌صورت موازی با لامپ حرکت می‌کند. عملکرد این سیستم نیازمند تأمین برق است. یک دستگاه کنترل جریان مانع از عبور بیش از حد سریع آب از کنار لامپ می‌شود تا زمان تماس مناسب بین اشعه و آب برقرار شود. گزارش‌ها نشان داده‌اند که جریان متلاطم آب (آبی که به‌صورت آشفته در حال حرکت است) باعث می‌شود میکروارگانیسم‌ها به‌طور کامل‌تری در معرض تابش UV قرار گیرند.
بدنه سیستم UV باید از جنس استیل ضدزنگ باشد تا از قطعات الکترونیکی در برابر خوردگی محافظت کند. برای اطمینان از عدم آلودگی، تمامی جوش‌های انجام شده در سیستم باید با استفاده از جوش پلاسما ایجاد شده و با گاز آرگون تخلیه شوند.
تفاوت اصلی میان واحدهای گندزدایی UV در ظرفیت و ویژگی‌های اضافی آن‌هاست. برخی از این دستگاه‌ها به حسگرهای تشخیص تابش UV مجهز هستند که در صورت نیاز به تمیزکاری یا کاهش شدت نور لامپ، به کاربر هشدار می‌دهند. این ویژگی برای تأمین آب سالم بسیار مهم است. در این میان، حسگرهایی که در هنگام کاهش عملکرد سیستم، صدای هشدار پخش می‌کنند یا جریان آب را متوقف می‌سازند، نسبت به چراغ‌های هشدار برتری دارند، به‌ویژه اگر سیستم در مکانی نصب شده باشد که امکان مشاهده سریع چراغ هشدار وجود نداشته باشد.
جمع بندی
سیستم‌های ضدعفونی UV به‌عنوان یک راهکار پایدار، مؤثر و ایمن برای از بین بردن عوامل بیماری‌زا در تصفیه آب شناخته می‌شوند. این فناوری نه‌تنها از مواد شیمیایی مضر استفاده نمی‌کند، بلکه هزینه‌های عملیاتی پایین و تأثیر زیست‌محیطی کمتری دارد. انتخاب صحیح سیستم UV بر اساس نوع آلودگی و نیاز تصفیه، کلید موفقیت در دستیابی به آب سالم و بهداشتی است.
