البسترة بالطاقة الشمسية

يمكن أن تسهم التقنيات البسيطة لمعالجة المياه في المنزل وتخزينها في حاويات آمنة  انظر HWTS   في تحقيق الأهداف الإنمائية للألفية انظر الحصول  للمياه والصرف الصحى

وتعد البسترة واحدة من العديد من التقنيات المستخدمة لتطهير مياه الشرب وقابلة للتطبيق على البلدان النامية.   قد تكون التقنيات الأخرى مثل الكلور أو التعقيم بالأوزون  أو تشغيل الآبار أكثر ملاءمة خاصة إذا كانت هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الماء.  على النقيض، إذا كانت هناك حاجة إلى كمية صغيرة نسبيًا من المياه، فإن طرق البسترة، كغيرها من الأساليب HWTSلها ميزة القدرة على تخفيضها مقابل انخفاض التكلفة. أوبعبارة أخرى، إذا كان هناك القليل من المال، فيمكن استخدام البسترة للحصول على القليل من المياه النظيفة، وربما ما يكفي لعائلة، ولكن ليس لقرية (ANDREATTA 2007). وبجانب الغليان، تقدم منظمة الصحة العالمية إرشادات بشأن تقنية تعقيم مياه الشرب بالحرارة، ولكنها لا توصي مباشرة باستخدام عملية البسترة لإنتاج مياه الشرب (منظمة الصحة العالمية 2011).

جهاز الطبخ بالطاقة الشمسية المزود بوعاء أسود يحتوي على المياه، اللوح العاكس يزيد كفاءة عملية البسترة. المصدر METCALF: (2006).

جهاز البسترة بالطاقة الشمسية على شكل مربع مزود بغطاء زجاجي وعاكس داخلي وغطاء قابل للطي. يتم وضع وعاء المياه داخل الصندوق وتسخينها بالحرارة الشمسية. المصدرCAWST (2009)

وبدلًا من الغليان، قد تلعب الطاقة الشمسية دورًا في تحسين نوعية المياه في المناطق التي تتمتع بمناخ حار ومشمس JOYCE) وآخرون. 1996). واليوم تبدو تقنيات(عملية التطهير  بالطاقة الشمسية هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع عندما يتعلق الأمر باستخدام الطاقة الشمسية لتطهير المياه. ويعتمد التطهير بالطاقة الشمسية على كلا من الأشعة الفوق البنفسجية الشمسية ودرجة الحرارة المرتفعة فى القضاء على البكتريا ، في حين تستغل البسترة بالطاقة الشمسية الطاقة الشمسية الحرارية فقط .(SAFAPOUR & METCALF 1999)

واليوم يتم تعقيم المشروبات مثل الحليب وعصير الفواكه والبيرة والنبيذ من خلال البسترة على نطاق صناعي في جميع أنحاء العالم. ويكون المستهلكين على دراية وثقة في عملية البسترة. وبعيدًا عن الماء، يمكن أيضًا بسترة الحليب في المنزل، وهو إجراء يستخدم لجعله أكثر دوامًا.  في حالة الحليب، يتم الوصول إلى البسترة عند تسخينه فوق 63 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة (منظمة الصحة العالمية2011 ).

مقتبس من: CAWST (2009)

البسترة هي عملية تعقيم المياه عن طريق الحرارة أو الإشعاع دون الغليان. وتحقق البسترة النموذجي للمياه الوصول إلى نفس تأثير الغليان، ولكن عند درجة حرارة أقل (عادة 65-75 درجة مئوية / 149-167 درجة فهرنهايت)، على مدى فترة زمنية أطول. والطريقة البسيطة لتعقيم المياه هي من خلال وضع اوعية  سوداء  تحتوى الماء في جهاز او اداة  طهي شمسى . يعكس الجهاز ضوء الشمس على الوعاء ، ويعمل على تسخين المحتوى. قد يكون الموقد عبارة عن صندوق معزول مصنوع من الخشب أو الكرتون أو البلاستيك أو القش المنسوج، مع لوحات عاكسة لتركيز أشعة الشمس على وعاء المياه. وقد يكون أيضًا ترتيب للوحات عاكسة، أو "طبق قمر صناعي " عاكس يوضع فيه وعاء الماء. وينبغي تغيير موقع الموقد لضمان الحصول على ضوء الشمس المتاح (ولا ينبغي وضعه في الظل أبدًا). وهناك حاجة إلى مقياس للحرارة أو مؤشر لمعرفة متى يتم الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة للتعقيم لأجل تحديد وقت التعرض المطلوب لمدة ست دقائق (ANDREATTA 2007). تستخدم الأجهزة الشائعة لتحديد درجة حرارة الماء إما شمع العسل الذي يذوب في 62 درجة مئوية (143.6 درجة فهرنهايت)، أو دهن الفول الصويا، الذي يذوب عند 69 درجة مئوية (156.2 درجة فهرنهايت).  وقد تم تطوير جهاز بسيط يعرف باسم مؤشر تعقيم المياه في جامعة كاليفورنيا. قد يستغرق الماء من ساعة إلى أربع ساعات أو أكثر ليصل إلى درجات الحرارة هذه.

ويشير مؤشر البسترة إلى أن الماء آمن للشرب. عندما يذوب شمع فول الصويا داخل أنبوب صغير عند حوالي 70 درجة مئوية (158 درجة فهرنهايت)، يتغير الشمع من الحالة الصلبة (اليسرى) إلى الحالة السائلة (اليمنى). يضمن خاتم الحديد بقاء الأنبوب  في نفس المكان أثناء وضعه في موقد الطاقة الشمسية. المصدر METCALF (2006) :

يعمل تسخين المياه إلى درجة حرارة البسترة بدلًا من درجة الغليان على خفض الطاقة المطلوبة بنسبة لا تقل عن 50٪ .(ANDREATTA   2007) ومع ذلك، فإن البسترة بالطاقة الشمسية فعال فقط إذا كانت المياه المعالجة محمية من التلوث بعد المعالجة وذلك  أثناء التخزين (منظمة الصحة العالمية 2011. (

مقتبس من: CLASEN وآخرون. (2007)

ربما يكون الغليان أو التسخين بالوقود أقدم وسيلة لتطهير المياه على مستوى الأسرة، وهو أيضا أحد أكثر الوسائل فعالية. فهو يقتل أو يثبط جميع فئات مسببات الأمراض التي تنقلها المياه، بما في ذلك الخراجات البروتوزانية التي أظهرت مقاومة للتطهير الكيميائي والفيروسات الصغيرة جدًا التي يصعب إزالتها ميكانيكيًا عن طريق الترشيح الدقيق.  ومع ارتفاع درجة حرارة الماء بسبب أشعة الشمس، فإن ارتفاع درجة الحرارة يقتل أو يثبط جزء مهم من البكتيريا المسببة للأمراض  والتى عادة تنقلها المياه بالاضافة الى  الفيروسات والديدان الطفيلية والبروتوزوا وذلك عند درجة حرارة بين 65 درجة و 75 درجة مئوية (149-167 درجة فهرنهايت. (CAWST  2009) ( ولكن، الجراثيم أكثر مقاومة للتثبيط الحراري من الخلايا النباتية؛ ووتتطلب المعالجة  للحد من الجراثيم المعالجة الحرارية حتى نقطة الغليان وضمان ثبات درجة الحرارة لوقت كافىء (منظمة الصحة العالمية 2011). وعلاوة على ذلك، فإن البسترة بالطاقة الشمسية لا تزيل العكارة والرائحة والطعم واللون أو التلوث الكيميائي.

بمجرد أن تصل درجات الحرارة إلى 50 درجة مئوية أو أكثر، يتم تثبيط الميكروبات المسببة للأمراض.  درجات الحرارة التي تسبب انخفاض ما يقرب من 1-لوغارتم ((Log 1  في البقاء على قيد الحياة في دقيقة واحدة هي 55 درجة مئوية لخراجات البروتوزوان؛ 60 درجة مئوية لـ اشرشيا كولايا E. coli, والبكتيريا المعوية، والفيروس العجلي؛ و 65 درجة مئوية لفيروس التهاب الكبدA  (5،7–9, 16) .عندما يذوب مؤشر الشمع لتعقيم المياه بالطاقة الشمسية عند حوالي 70 درجة مئوية، يتم تحديد التأثير التراكمي القاتل عن طريق الزيادة التدريجية في درجة الحرارة، في كثير من الأحيان على الأقل 30 دقيقة من 50 إلى 70 درجة مئوية، وكذلك التبريد التدريجي بمجرد إزالة الماء. بالإضافة إلى ذلك، فإن المياه الموجودة في الجزء السفلي من الجرة السوداء تكون أكثر برودة من الماء في الجزء العلوي من الجرة بمعدل  5-10 درجة مئوية. سيتم تثبيط الميكروبات في الجزء العلوي قبل تلك الموجودة في الجزء السفلي، حيث يقع مؤشر الشمع لتعقيم المياه بالطاقة الشمسية .(SAFAPOUR METCALF 1999)

في حين أثبتت كفاءة المعالجة بالبسترة بالطاقة الشمسية في المختبر لجميع مسببات الأمراض المنقولة عن طريق المياه، فإن  الاختبارات الحقلية  لا تزال نادرًه. المصدر CAWST (2009):

يتم ضمان البسترة إذا تم الوصول إلى منطقة الأمان فوق منحنى منطقة الأمان. على سبيل المثال، إذا تم الحفاظ على 68 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة على الأقل، حتى تتم عملية  البسترة وتكون المياه صالحة للشرب. المصدرRIT (2007)

يقل وقت البسترة أضعافًا مضاعفة مع زيادة درجة الحرارة. حيث ينخفض الوقت إلى حوالي 10%  لكل 10 درجة مئوية زيادة في درجة حرارة البسترة حتى يصل إلى أكثر من 50 درجة مئوية، . وتبدو الفيروسات هي الأصعب للقتل وهى التى تحدد الحدود الزمنية بشكل أساسي لعمليات درجة الحرارة .(BURCH  &  THOMAS 1998) 

وفي المناطق الريفية في كينيا، تم تطبيق مؤشر حراري بسيط يتغير لونه عند 70 درجة مئوية ليتضح لأفراد الأسرة متى تم  الوصول إلى درجة حرارة البسترة. وقد أدى ذلك إلى زيادة عدد الأسر المعيشية التي كانت مياه الشرب الخاصة بهم خالية من الكوليفورم من 10.7 إلى 43.1٪ وخفضت بشكل ملحوظ من حالات الإسهال الحاد مقارنة بالمجموعة المرجعية  (2001 IIJIMA) .

تميز المطبوعات بين أجهزة الدفعة و أجهزة التدفق من خلال الأجهزة الشمسية. تستخدم أجهزة الدفعة لتسخين المياه داخل نطاق المنزل باستخدام جهازالطاقة الشمسية البسيط. في حين تبدو غير مكلفة، فإن قوة تحمل الصندوق الشمسي يحتاج إلى مزيد من الفحص. وبالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى فإنه يمكن أن يوفر تكاليف الوقود، ولكن لا يوفرتكاليف العمالة التي لا تزال مرتفعة نسبيًا .(BURCH & THOMAS 1998) النسخة المحمولة هي أكواباك، وهي عبارة عن بلاستيك بولي إيثيلين منخفض التكلفة مع مثبطات للأشعة فوق البنفسجية، وأغطية فقاعة مملوءة بالهواء .(NWP 2010) مثال على جهاز دفعة محسنة هو البركة الشمسية، والتي هي أساسًا بركة فى بيت بلاستيكى.  يتم وضع مجموعة من الأغطية البلاستيكية (السوداء) في حفرة ضحلة ثم تملأ بالماء ليتم تعقيمه بواسطة الحرارة الشمسية. وفي الأيام التي تكون فيها أشعة الشمس جيدة يمكن الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة حتى عمق المياه إلى 62 ملم (2 1/2 بوصة) .(ANDREATTA 2009) هناك طريقة أخرى لـتعقيم المياه وهي استخدام اجهزة البسترة خلال التدفق . ويمكن تعزيزها مع مبادل حراري عن طريق إعادة تدوير الحرارة من المياه المنهية بسترتها .

يتدفق الماء من خلال صندوق الطهي بالطاقة الشمسية (أسفل اليسار)، يتم توصيل أحد النهايات  إلى صمام حرارى والأخرى  إلى خزان لتزويد المياه غير المعالجة. ويمكن أن يشتمل خزان التخزين هذا على فلتر (الرمل / الحصى / الفحم) الذي يقوم بعملية الفلترة الأولية. يتم فتح صمام الحرارة على درجة الحرارة الصحيحة، مما يسمح للمياه المبسترة بالتدفق من الأنابيب إلى وعاء تخزين المياه المعالجة الثاني. وحيث يتم  تصريف المياه المعالجة من صندوق الطهى بالطاقة الشمسية، تملء المياه الملوثة من خزان التخزين  الأنابيب تلقائيًا. وبمجرد وصول هذا الماء البارد إلى الصمام، يغلق صمام الصقيع وتبدأ عملية البسترة من جديد. يمكن المبادل حراري من  إعادة تدوير الحرارة في الماء المنتهى بسترتة . وبمجرد ما أن تتم بسترة الماء وإطلاقه،يمكن استخدام الطاقة من هذه المياه لتسخين المياه القادمة. المصدرBURCH & THOMAS (1998) :

تتميز أجهزة  التدفق  بالعديد  من  المزايا   عن العمليات الأبسط لنظام الدفعة . أولًا، تصبح مياه الشرب متاحة على مدار اليوم مع إضافة زيادات جديدة من المياه المعالجة إلى وعاء التخزين النظيف. ثانيًا، يمكن لهذا النوع من الوحدات التكيف مع الظروف الشمسية المتغيرة وهي عملية تلقائية، مما يقلل أيضًا من احتمال وقوع حادث عند نقل المياه داخل وخارج وحدة الدفعات مثلا جرة  موقد  شمسي .(ANDREATTA  2007) يمكن لأجهزة التدفق الاستفادة من الحرارة المهدورة كالتي تم توليدها داخلفران الطين التقليدية، ما يسمى بـ "تشوليس .(ISLAM & JOHNSTON 2006) إلكن العيب الرئيسي لأجهزة التمرير الشمسي من خلال التدفق الشمسي هو صعوبة تأمين التخزين الآمن، حيث يجب نقل المياه إلى مستلم جديد قبل الاستهلاك.

تقوم البسترة الشمسية مع مبادل حراري متكامل بجمع وتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية لتوصيل المياه إلى مستويات البسترة.  بمجرد ما أن تتم عملية البسترة، يفتح صمام الحرارة وتتدفق المياه من خلال القناة السفلية . تسهل ورقة الألمنيوم الوسطى التبادل الحراري بين الماء المبستر الساخن المنتهي والمياه الباردة الملوثة الواردة. المصدر:( RIT (2007