TECHNOLOGIA
WODY
- WYKŁAD 9 -
Usuwanie zanieczyszczeń organicznych i
dezynfekcja
TECHNOLOGIA
WODY
- WYKŁAD 9 -
Usuwanie zanieczyszczeń organicznych i
dezynfekcja
Naturalne zanieczyszczenia organiczne
stanowić mogą różnego rodzaju organizmy żywe i
produkty ich metabolizmu, jak np. wodorosty,
grzyby, glony oraz bakterie. Organizmy Ŝywe, ze
względu na swoją biologiczną aktywność są
przyczyną wielu trudności eksploatacyjnych,
zwłaszcza w przypadku wód stosowanych w obiegach
chłodzących, w których istnieją wyjątkowo korzystne
warunki (podwyższona temperatura oraz obecność
O2) do rozwoju tych organizmów.
Niektóre bakterie oddziaływujące na związki
chemiczne zawarte w wodzie, przyczyniają się do
tworzenia kwasów: azotowego i
siarkowego, przez co zwiększa się agresywność
wody w stosunku do betonu i metali.
Związki organiczne pochodzenia obcego
(antropogenicznego) dostają się do wód w wyniku
działalności ludzkiej, najczęściej ze ściekami
przemysłowymi i miejskimi, chociaż mogą także
pochodzić z atmosfery.
Przeważającą część związków organicznych
występujących w wodach naturalnych stanowią
związki humusowe, które powodują wysoką barwę i
utlenialność wody. Związki humusowe są produktami
końcowymi biochemicznego rozkładu i przemian
chemicznych resztek roślinnych i zwierzęcych.
Należą one do zanieczyszczeń wielkocząsteczkowych o
zróżnicowanej budowie i wielkości cząstek.
Stężenie związków humusowych w wodach
powierzchniowych jest i może wynosić do
200mg/dm3.
Związki humusowe przez długi okres uważane były
za nieszkodliwe dla organizmów żywych. Ich
szkodliwość była związana z obniżeniem jakości
wody, przez nadanie jej zabarwienia. Uważa się, że ich
obecność przyspiesza korozję metalowych
elementów systemów przesyłowych.
Związki humusowe już w niewielkich stężeniach
zwiększają toksyczność metali ciężkich, tworząc z
nimi połączenia kompleksowe, łatwo przenikające
przez błony komórkowe organizmów roślinnych i
zwierzęcych.
Zanieczyszczenia organiczne wpływają ujemnie
nie tylko na własności organoleptyczne wody
(barwę, smak, zapach), lecz także mogą działać
toksycznie i kancerogennie na organizmy żywe.
Większość tych zanieczyszczeń jest trudno
usuwana metodami klasycznymi i wymaga
stosowania nowoczesnych technologii uzdatniania
wody.
W koagulacji, sedymentacji i filtracji wody
usuwania się związki organiczne występujące w
postaci zawiesiny i
związków koloidalnych oraz obniża się liczbę
bakterii. Jednak w praktyce może okazać się to
niewystarczające i wówczas należy stosować
oddzielne procesy technologiczne.
Obecnie dość powszechnie stosowana jest adsorpcja
na sorbentach wiąŜących na swej powierzchni
rozpuszczone zanieczyszczenia organiczne
znajdujące się w wodach.
SORPCJA
Sorpcja polega na powierzchniowym wiązaniu
substancji rozpuszczonych, nających smak i
zapach
wodzie, oraz innych rozpuszczonych zanieczyszczeń
organicznych:
• o charakterze związków refrakcyjnych,
• oraz prekursorów chlorowanych związków
organicznych (ChZO) i trihalometanów (THM)
Substancja sorbowana na powierzchni nazywa się
sorbatem, zaś ciało stałe, na powierzchni którego
zachodzi sorpcja - sorbentem.
W zaleŜności od siły wiązania i odwracalności
procesu, rozróŜnia się adsorpcję i chemisorpcję.
Adsorpcja jest procesem na ogół odwracalnym.
Natomiast w czasie chemisorpcji ma miejsce
wiązanie sorbatów za pomocą wiązań
chemicznych. W tej sytuacji regeneracja sorbentu
wymaga stosowania specjalnych roztworów
regeneracyjnych.
Ilość substancji adsorbowanej na danym sorbencie
zaleŜy od rodzaju substancji sorbowanej, jej
stęŜenia. Adsorpcja zachodzi w krótkim czasie i
szybko osiąga się stan równowagi między związkiem
adsorbowanym i rozpuszczonym (adsorbatem).
ZaleŜność pomiędzy ilością substancji
adsorbowanej a jej stęŜeniem w roztworze
wodnym moŜna wyznaczyć za pomocą równania
określonego mianem izotermy adsorpcji ze względu
na stałą temperaturę, w której zachodzi ten proces.
Izoterma adsorpcji określona równaniem
Freundlicha, odnosząca się do rozcienczonych
roztworów wodnych, ma postać:
y/m = KC
1/n
gdzie:
y/m – ilość substancji adsorbowanej na jednostkę
adsorbentu,
C – stęŜenie adsorbowanej substancji w roztworze w
stanie równowagi,
K,n – stałe empiryczne, przy czym wartości n są z
reguły większe od l, ponieważ proces adsorpcji jest
bardziej wydajny przy niskich stężeniach.
Z izotermy adsorpcji w postaci logarytmicznej
można obliczyć stałą K i n, korzystając z
zależności:
lg y – lg m = lg K + 1/n lg C
Równanie innej izotermy adsorpcji podał Langmuir:
y / m = abC / (1+bC)
Stałe a i b moŜna obliczyć korzystając z
przekształconego
równania Langmuira:
C/(y / m ) = 1/(a*b) + C/a
Izoterma adsorpcji Langmuira
Z podanej zaleŜności
moŜna korzystać pod
warunkiem
prostoliniowej
zaleŜności:
Przenoszenie cząstek zanieczyszczeń (tzw.
adsorbatu lub sorbatu)
z roztworu do adsorbenta (lub sorbenta) jest
wynikiem procesu
adwekcji i dyfuzji.
Proces adwekcji jest spowodowany mieszaniem
roztworu z
adsorbentem, czyli wynika z warunków przepływu
wody przez
warstwę adsorbenta.Natomiast proces dyfuzji jest
spowodowany
gradientem stęŜeń. Dyfuzja polega na
samorzutnym
wyrównywaniu stęŜeń.
Grubość statycznej warstwy roztworu wokół
adsorbentu zaleŜy od
rodzaju przepływu lub ruchu roztworu w układzie:
ciecz - ciało
stałe. Adsorpcja zaleŜy zatem od szybkości, z jaką
cząstka
adsorbatu moŜe osiągnąć aktywne powierzchnie
adsorbentu
(sorbentu).
Jako sorbenty stosuje się najczęściej węgle aktywne.
Węgle te charakteryzują się znaczną powierzchnią
właściwą, która zależnie od od rodzaju i gatunku
węgla moŜe wynosić od kilkuset do 2000 m2/g.
Właściwość ta umoŜliwia sorbowanie rozmaitych
substancji w ilości do 20% w stosunku wagowym.
Węgiel aktywny ziarnisty lub w postaci granulatu jest
stosowany w złoŜu filtracyjnym .
Węgiel aktywny sorbuje na swej powierzchni
zarówno związki organiczne, jak i nieorganiczne.
Posiada on zdolność sorbowania substancji
powierzchniowo czynnych, środków ochrony
roślin oraz metali ciężkich występujących w
wodach.
Węglowodory alifatyczne i aromatyczne usuwane
są z wody równieŜ przez ich sorbowanie na węglu
aktywnym.
Oprócz typowych zjawisk adsorpcyjnych na
powierzchni węgla aktywnego przebiegają równieŜ
procesy towarzyszące, jak np. procesy
wynikające z reakcji węgla aktywnego z
chlorem, chloraminami, ditlenkiem chloru, czy
teŜ tlenem lub nadmanganianem potasu.
Niezwykle istotne znaczenie dla jakości
uzdatnionej wody ma usuwanie węglowodorów
chlorowanych, w tym związków
małocząsteczkowych o udowodnionych
właściwościach mutagennych i
kancerogennych.
Badania modelowe procesu eliminacji
trihalometanów (THMów) na filtrach wypełnionych
węglem aktywnym dla wód chlorowanych,
zawierających frakcje rozpuszczalne i koloidalne
związków humusowych, wykazały m.in., Ŝe ilość
powstających THMów zaleŜy od stęŜenia
kwasów humusowych, dawki chloru i czasu
kontaktu.
Usunięcie frakcji koloidalnej w procesie filtracji lub
koagulacji i filtracji na złoŜu piaskowym
powodowało obniŜenie stęŜenia THMów o 50-85%.
W tych warunkach sorpcja powstałych w trakcie
koagulacji i filtracji prekursorów THMów obniŜała
stęŜenie trihalometanów o ponad 90%.
Proces adsorpcji najczęściej przebiega w
środowisku obojętnym lub lekko kwaśnym. Przy
pH>8,5 kwasy organiczne oraz występujący w
wodzie fenol tworzą sole lub fenolany trudniej
sorbowane na węglu.
W złoŜach węgla aktywnego przebiegają takŜe
reakcje katalityczne na powierzchni węgla, jak
równieŜ zachodzą procesy wynikające z
samoistnie generowanej aktywności biologicznej
złoŜa sorpcyjnego.
Szczególnie istotna jest ostatnia z wymienionych
funkcji, poniewaŜ wyeliminowanie biologicznej
aktywności złóŜ adsorpcyjnych, pracujących w
układach oczyszczania wody, jest praktycznie
niemoŜliwe.
Filtry sorpcyjne powinny stanowić ostatnie
urządzenie uzdatniania wody. Jako podstawowe
urządzenia mogą być
stosowane jedynie do bardzo małych ilości wody,
przy specjalnych wymaganiach w zakresie jakości
wody.
Filtry sorpcyjne nie róŜnią się zasadniczo
konstrukcją od filtrów pospiesznych do klarowania
wody. RóŜnica w konstrukcji tych filtrów polega
na większej wysokości – ze względu na porowatą
strukturę i związaną z tym mniejszą objętość
złoŜa. ZłoŜa adsorpcyjne mogą pracować jako
urządzenia grawitacyjne i
ciśnieniowe. Płukanie złóŜ odbywa się za pomocą
wody i powietrza, tak jak konwencjonalnych filtrów
pospiesznych.
Węgle aktywne stosowane do adsorpcji po
wyczerpaniu pojemności sorpcyjnej ulegają
regeneracji.
H
2
O
zw.
organiczne
CO
2
agresywny
zawiesiny
zapach nadmierny
ChZT
pestycydy
barwa i mętność
mikrofauna
wirusy
bakterie
zapach roślinny
żelazo, mangan
twardość
metale
CH
4
; H
2
S
Woda w przyrodzie
Woda w przyrodzie cd
Dezynfekcja wody
Zasadniczym celem dezynfekcji wody jest
zniszczenie w niej czynników
chorobotwórczych(zakaŜnych bakterii) i
zapobieganie wtórnemu ich rozwojowi.
Drogi rozprzestrzeniania się
chorób pochodzenia ‘wodnego’
ŚCIEKI
WODA
GLEBA
CZŁOWIEK
WODA
WARZYWA
CZŁOWIEK
Choroby zakaźne przenoszone
drogą ‘wodną’
MIKROORGANIZMY CHOROBY
WIRUSY
-zapalenia wątroby A - zakaźne zapalenie wątroby
-ECHO - letnie’przeziębienia’i biegunki dzieci
zapal.spojówek, zakażenia jelit
-Coxackie - zapalenie opon mózgowych, zapalenie
mięśnia sercowego i ukł.oddechowego
BAKTERIE
-Singella - czerwonka bakteryjna
-Salmonella - zatrucia pokarmowe, dur brzuszny
-Vibrio - cholera
-Bacillus anthracis - wąglik
-Mycobacterium tuberculosis - gruźlica
Choroby zakaźne przenoszone
drogą ‘wodną’-cd.
MIKROORGANIZMY CHOROBY
BAKTERIE cd.
-Lertispira -żółtaczka zakaźna
-Proteus -zakażenie układu moczowego, zapal.
płuc, zatrucia pokarmowe, biegunki
-Legionella - zapalenie płuc, legioneloza
PIERWOTNIAKI
-Giardia Lambdia - lamblioza
-Entamoeba histolytica - czerwonka pełzakowa
-Cryptosporidium - zapalenie błony śluzowej żołądka
ROBAKI
-Przywry(urzęsione larwy) -przetoki pęcherzowe, marskość wątroby
-Glisda ludzka -nudności, wymioty
H
2
O
zw. organiczne
CO
2
agresywny
zawiesiny
zapach nadmierny
ChZT
pestycydy
barwa i mętność
mikrofauna
wirusy
bakterie
zapach roślinny
żelazo, mangan
twardość
metale
CH
4
; H
2
S
filtracja (powolna)
sedymentacja
cedzenie
dezynfekcja
wiązanie
chemiczne
sorpcja
utlenianie
koagulacja
napowietrzanie
sedymentacja
filtracja
(szybka)
8.
Skuteczność procesów
jednostkowych w usuwaniu
mikroorganizmów z wody
Od czego zależy :
1. Rodzaju mikroorganizmu
2. Sposobu prowadzenia procesu
3. Ilości wyjściowej mikroorganizmów
Przykłady:
- bakterie E.coli - filtracja powolna - redukcja 98%
- koagul/sedymentacja- redukcja 70%
- wirus Polio - filtracja powolna - redukcja 88%
- zmiękczanie(pH>11) - redukcja 98%
- sorpcja na węglu - redukcja 10%
Czego dotyczy
dezynfekcja?
1. Zawsze: wód powierzchniowych
2. Niemal zawsze: płytkich wód podziemnych
3. Niemal nigdy: wód wgłębnych
W technologii wody wód skażonych mikroorganizmami
6. WARUNKI BAKTERIOLOGICZNE
JAKIM
POWINNA ODPOWIADAĆ WODA DO
PICIA
Wskaźnik
Dopuszczalna
Objętość
liczba bakterii próbki
Escherichia coli
0
100
Enterokoki
0
100
Clostridium perfiringes
0
100
Ogólna liczba bakterii (37°C)
20
1
Miejsce dezynfekcji w
układach technologicznych
uzdatniania wody
?
Układy technologiczne
— usuwanie zawiesin
F
D
Wu
Wz
Wu
Wz
F
S
D
Wu - woda uzdatniana
Wz - woda zasilająca
F - filtracja
D- dezynfekcja
S - sedymentacja
K - koagulacja
U - utlenianie
Układy technologiczne (c.d.)
— usuwanie barwy i mętności
Wu
Wz
D
Wu - woda uzdatniana
Wz - woda zasilająca
F - filtracja
D- dezynfekcja
S - sedymentacja
K - koagulacja
U - utlenianie
Wz
Wu
F
S
K
U
D
F
S
K
— usuwanie zawiesin, barwy i mętności
Układy technologiczne (c.d.)
Wz
Wu
D
F
S
K
U
U
A
A- adsorpcja
D- dezynfekcja
Opcja:
utlenianie
Miejsce dezynfekcji w
układach technologicznych
uzdatniania wody
Dezynfekcja zawsze kończy ciąg procesów
jednostkowych niezbędnych do uzdatnienia
wody.
Dlaczego?
1. Ze względu na możliwość powstawania produktów ubocznych
2. Ze względu na nadmierne zużycie reagentów
3. Ze względu na możliwość wtórnego skażenia wody
Dezynfekcja - podział
metod
Mikroorganizmy zbudowane są z komórek, a te z
organelli, a te
wreszcie z związków organicznych (np. białka,
kwasy nukleinowe). Zatem zjawiska prowadzące
do modyfikacji związków organicznych będą
niszczyły mikroorganizmy.
Metody niszczenia mikroorganizmów w technologii
wody dzielimy:
1. Fizyczne (temp.,promieniowanie, cedzenie,
u-dźwięki)
2. Chemiczne (utlenianie, głównie Cl
2
, 0
3
)
Fizyczne metody
dezynfekcji
1. Gotowanie i pasteryzacja
2. Promieniowanie uv, , -fale
3. Ultradźwięki
4. Cedzenie (ultrafiltracja, odwrócona osmoza)
Procesy
niszczenia
mikroorganizmów
1. Pasteryzacja
2. Sterylizacja
3. Dezynfekcja
Gotowanie i
pasteryzacja
- odpowiednia temperatura
- odpowiedni czas
Zniszczenie
wszystkich form
organizmów
Np. b.duru brzusznego 10 min./ 75
o
C
b.wąglika, tężca 120 min./100
o
C
Zastosowanie: gospodarstwa domowe
niektóre gałęzie przemysłu
służba zdrowia
Czynniki warunkujące
efektywność działania
promieniowania uv
— natężenie
— długość fali
— czas
— skład wody (barwa, zawiesina)
— jakość i ilość mikroorganizmów
Praktyka dezynfekcji uv
a) źródła promieniowania - lampy rtęciowe
— wysokociśnieniowe
— niskociśnieniowe
b) umiejscowienie lamp
D = I · t
D - dawka
I - natężenie
t - czas
2
m
s
W
250
D
2
m
W
10
I
s
30
t
Promieniowanie uv
280 315 400 (nm)
C B A zakres uv
Int.
uv
265 350 v(nm)
Abs DNA
Lampy uv
-niskociś. średniociś
Nadfiolet
Światło widzialne
Ultradźwięki
1. Mechanizm działania
– zjawisko kawitacji
– powodują niszczenie (mechaniczne) ściany komórkowej
2. Czynniki warunkujące skuteczność
– częstotliwość
– czas działania
– natężenie
– rodzaj i liczba mikroorganizmów
Ultradźwięki
- generator elektromagnetyczny
- kwarcowe płytki piezoelektryczne
Mechaniczne
ni-szczenie
ściany
komórkowej
na skutek
kawitacji
Uwarunkowania
skuteczności:
1. Natężenie dźwięku
2. Częstotliwość
3. Czas działania
4. Rodzaj i liczba
mikroorganizmów
W/m
2
v(kHz)
1
20
10
200
200
500
50000
3000
Ultrafiltracja
1. Rozmiary mikroorganizmów (formy przetrwalnikowe ?)
a) Robaki
–
mm - 100 m
b) Grzyby
–
mm - 10 m
c) Pierwotniaki –
100 - 10 m
d) Bakterie
–
10 - 1 m
e) Wirusy
–
0,1 - 0,01 m
2. Filtracja / Ultrafiltracja / 00
a) filtracja
– 1 m
b) ultrafiltracja
– 0.01 m
c) OO
– 0.001 m
Chemiczne metody dezynfekcji
ChMD-
dodanie do uzdatnianej wody substancji chemicznych
powodujących obumieranie mikroorganizmów
Metody chemiczne dezynfekcji
– dodawanie do wody silnych utleniaczy
E
n
O
3
ClO
2
Cl
2
Br
2
NH
2
Cl
>
>
>
>
O
2
Cl
-
Cl
-
Cl
-
Br
-
2,07
1,91
1,36 1,09
0.23
– En wskazuje na zdolność utleniania innych związków
– zdolność bakteriobójcza zależy od
zdolności
przenikania do
komórki i od stabilności
Ilościowa charakterystyka ChŚB
a) czynnik CT
– iloczyn stężenia i czasu działania
prowadzącego do
dezaktywacji 99,9
% cyst, 99,99 % wirusów
CT = [stęż.] x [czas]
CT = f(temp., pH, skład)
(mg/dm
3
·min)
b) wartości
CT = 1,4 (O
3
)
23 (ClO
2
)
124 (Cl
2
)
1850 (NH
x
Cl3
-x
)
Ilościowa charakterystyka ChŚB
a) czynnik CT
– iloczyn stężenia i czasu działania
prowadzącego do
dezaktywacji 99,9%
cyst, 99.99% wirusów
CT = [stęż.]x[czas] (mg/dm
3
·min)
CT = f(temp., pH, skład)
b) wartości
CT = 1,4 (O
3
)
23 (ClO
2
)
124 (Cl
2
)
185 O(NH
x
Cl
3-x
)
Szybkość dezynfekcji
N
K
dt
dy
y - l. org. zniszczonych
N
0
- początkowa liczba
N - końcowa liczba
t
c
K
n
K - współcz. skut. dezynfekcji
t - czas
n - stała = f (w,d,o)
Kt
-
O
c
N
N
Szybkość dezynfekcji (c.d.)
Dezynfektant
Wartość c
n
E.coli (b) Polio (w)
Entamaeba (c)
O
3
2300 920
3,1
HOCl
120 5
0,2
ClO
2
16
2,5
-
OCl
-
5
0,5
-
NHCl
2
1
0,01
-
Szybkość dezynfekcji - Podsumowanie
Szybkość dezynfekcji - czy jest ważna
Szybkość dezynfekcji - uwarunkowanie
– rodzaj mikroorganizmów
– stężenie i forma aktywna dezyfektanta
– skład dezynfekowanej wody
– warunki prowadzenia dezynfekcji (temp., mieszanie)
W praktyce stosuje się: O
3
, ClO
2
, Cl
2
Chlorowanie
– historia
– chlor (właściwości)
– substancje zawierające chlor aktywny
ClO
2
, NaOCl, Ca(OCl)
2
, Cl
2
Chlorowanie - Reakcje chemiczne
Reakcja Cl
2
w wodzie (dysproporcjonowanie)
Cl
2
+ H
2
O
H
+
+ HOCl + Cl
-
H
+
+ OCl
-
HClO
100%
20
40
60
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9
OCl
-
HOCl
Cl
2
Cl
2
- nieskuteczny
80
)
(ClO
K
(HClO)
K
-
Po wprowadzeniu chloru do wody, pewna jego cześć
zostaje
zuŜyta do zniszczenia bakterii, inna cześć do
utlenienia
rozpuszczonych związków organicznych i
nieorganicznych (np.
jony Fe2+ i Mn2+), cześć chloru reaguje z
amoniakiem lub solami
amonowymi, a cześć chloru pozostaje w wodzie jako
nie związana.
Charakterystyczne ilości chloru zuŜywane na
utlenienie
związków obecnych w wodzie nazywamy
zapotrzebowaniem na
Cl2. Chlor, który pozostaje w wodzie po reakcji z
obecnymi
związkami nazywa się chlorem pozostałym.
Chlor pozostały niezwiązany moŜe tworzyć się
w postaci
uŜytecznego chloru wolnego składającego się z
kwasu
podchlorawego (HClO) i chloru wolnego Cl2,
uŜytecznego
wg reakcji:
Cl2 + H2O HOCl + HCl
HClO + światło HCl + O
Ca(HCO3)2 + 2HCl CaCl2 + 2H20 + 2CO2
Mg(HCO3)2 + 2HCl MgCl2 + 2H2O + 2CO2
Chlorowanie - Reakcje chemiczne
Reakcje w obecności NH
4
+
NH
4
+
+ HOCl
NHCl
2
+ H
2
O
NH
2
Cl + HOCl
NH
2
Cl + H
2
O + H
+
NCl
3
+ H
2
O
NHCl
2
+ HOCl
2NCl
3
+ 9Cl
2
N
2
+ 24Cl
-
Reakcje w obecności reduktorów
HOCl + 2Fe
2+
+ H
+
HOCl + C
6
H
5
OH
2Fe
3+
+ Cl
-
+ H
2
O
ClC
6
H
4
OH + H
2
O
Cechą charakterystyczną chloramin jest ich
odporność na
rozkład chemiczny (tzn. dosyć długo utrzymują
się nie
ulegając rozkładowi). Dzięki temu chronią wodę
przez
dłuŜszy czas przed zakaŜeniem.
Chlor z azotem organicznym (w wodach
zanieczyszczonych)
reaguje podobnie jak z solami amonowymi,
tworząc
chloroaminy lub wydzielając trójchlorek azotu:
RNH2 + Cl2 RNHCl + HCl
R- reszta organiczna
Dawka chloru, którą stosujemy do dezynfekcji
zaleŜy od ilości
zuŜywających go składników, znajdujących się w
wodzie.
Potrzebną dawkę chloru określa się na
podstawie tzw.
zapotrzebowania chloru. Wyniki oznaczenia
przedstawia się w
formie zaleŜności pomiędzy dawką wprowadzonego
do wody
chloru a stęŜeniem chloru pozostałego
uŜytecznego.
Chlor pozostały
Chlor pozost.
(g Cl
2
/m
3
)
8
6
1
2
3
4
2
(g Cl
2
/m
3
)
woda
destylowana
woda
destylowana
+ reduktory
woda
destylowana
+ reduktory
+ amoniak
A - niezwłoczne zużycie chloru
B - tworzenie chloramin
C - degradacja chloramin
C
B
A
Ilość dodawanego chloru ustala się przez oznaczenie
zapotrzebowania chloru, tj. w najmniejszej ilości
wolnego chloru mg Cl2, która dodana do 1 dm3
wody w temp. 20oC, po 30 min. kontaktu chloru z
wodą daje stęŜenie „pozostałego chloru” równe 0,1
mgCl/dm3 dla wód bezbarwnych (nie zawierających
materii organicznej) i około 0,2 mgCl2/dm3 w wodach
bogatych w związki organiczne. ZaleŜność tę ustala się
w laboratorium.
Dawka chloru zaleŜy od czystości wody. Często stosuje
się dawki większe, niŜ to wynika z obliczeń. Jest to tzw.
przechlorowywanie wody, które ma na celu
poprawienie własności organoleptycznych wody.
StęŜenie chloru w wodzie powyŜej 0,5-0,7 mg/dm3
nadaje jej przykry smak i musi ulec obniŜeniu do
wartości 0,1-0,2 mg/dm3.
Do usuwania nadmiaru chloru w tzw. procesie
dechlorowania wody stosuje się metody fizyczne i
chemiczne. Najprostszym sposobem dechlorowania
wody jest napowietrzanie-stosowane wtedy, gdy
nadmiar Cl2 jest niewielki.
Dechloracja wody
– nadmiar chloru usuwa się
a) metodami chemicznymi
Na
2
SO
3
+ H
2
O + Cl
2
Na
2
SO
4
+ 2 HCl
SO
2
+ H
2
O + Cl
2
H
2
SO
4
+ 2 HCl
NH
3
+ Cl
2
NH
2
Cl + HCl
b) węgiel aktywny
Chlor jest gazem trującym i draŜni drogi oddechowe,
a w stęŜeniu około 0,06% moŜe szybko spowodować
śmiertelne zatrucie. Chlor cząsteczkowy moŜe by
wprowadzany do wody w sposób bezpośredni lub
pośredni. Metoda bezpośrednia polega na
dawkowaniu chloru w sposób ciągły lub okresowy
wprost do dezynfekowanej wody. Natomiast w
metodzie pośredniej najpierw wytwarza się wodę
chlorowaną, a następnie wprowadza się ja do
dezynfekowanej wody. W powszechnym uŜyciu są
urządzenia typu pośredniego, jako dające lepsze
efekty dezynfekcyjne.
Uproszczony schemat układu do chlorowania wód
1 – woda sieciowa, 2 – butla z chlorem, 3 – woda
podlegająca chlorowaniu, 4 – inŜektor, 5 – reduktor
ciśnienia chloru, 6 – zbiornik wyrównawczy, 7 –
rotametr, 8 – manometr, 9 – przewód wody
chlorowanej
Halogenowe związki organiczne
Wysokocząsteczkowe związki organiczne podczas
chlorowania wody ulegają przekształceniu w
niskocząsteczkowe halogenowe związki
organiczne,
szkodliwe dla zdrowia człowieka. Pierwsze
informacje o
toksycznych właściwościach lotnych halogenowych
związków
organicznych, wykrytych w wodach pitnych,
opublikowano w
latach 1974-75. Szczególną uwagę zwrócono na
cztery
najczęściej występujące trójhlorometany:
chloroform,
dwuchlorobrometan i bromoform.
Wśród związków THM najwięcej jest
chloroformu (ok. 80%), którego działanie
rakotwórcze i mutagenne zostało
wielokrotnie potwierdzone.
Związki bromoorganiczne powstają, gdy w
chlorowanych
wodach znajduje się duŜa ilość bromków lub gdy
stosowany chlor zanieczyszczony jest bromem.
Kwas
podbromawy (HBrO), powstający w reakcji
bromków z
kwasem podchlorawym (HClO), reaguje ze
związkami
organicznymi 200 razy szybciej niż kwas
podchlorawy.
HClO + Br- HBrO + Cl
Prekursorami związków chloroorganicznych są
głównie
naturalne związki organiczne: jak chlorofil,
kwasy
humusowe i fulwowe oraz związki organiczne
pochodzące
ze ścieków przemysłowych zawierających grupę
–C=O
(karbonylową).
Stężenie halogenowych związków organicznych
TOX jest
zwykle 3-4 razy większe od stężenia
trihalometanów
THM, (np.związki powstające na bazie etanu,
metanu).
Wodę moŜna równieŜ chlorować przy uŜyciu
ditlenku chloru,
który zaleca się szczególnie wówczas, gdy obok
dezynfekcji
naleŜy równieŜ zniszczyć substancje nadające
wodzie smak i
zapach. Ditlenek chloru naleŜy stosować
równieŜ wtedy, gdy w
wyniku chlorowania wody moŜna oczekiwać
nieprzyjemnego
smaku i zapachu wody (gdy w wodzie obecne są
związki
fenolowe i prekursory THM-ów).
Podczas dezynfekcji nie tworzy on przykrych
zapachów
chlorofenoli i niebezpiecznych dla zdrowia
związków
chloroorganicznych, np. trihalometanów.
Ditlenek chloru musi być otrzymywany
bezpośrednio w miejscu
stosowania (dozowania) w postaci wodnego
roztworu.
Zastosowanie ClO
2
– historia
– zalety: bakteriobójczy, niereaktywny
a) amoniak
b) fenole
c) związki organiczne
– wady
a) wybuchowy
b) chlorany i chloryny
W roku 2002 Rozporządzenie Ministra Zdrowia
ograniczyło
stęŜenie chloranów i chlorynów do 0,2 mg/dm3.
Chloryny łatwo reagują ze związkami
zredukowanymi. jak np.:
jony Fe (II) czy SO3
2-, poniewaŜ mają właściwości utleniające.
Wytwarzanie chloru prze
a) reakcję chloru z chlorynem sodowym
2NaClO + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl
b) reakcję kwasu solnego z chlorynem sodowym
5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O
Zazwyczaj stosuje się roztwory wodne rozcieńczone
(ok. 7,5%
NaClO2 i 9% HCl.
Do usuwania smaku i zapachu wody wystarczają na
ogół dawki
0,4-0,8 g/m3 ClO2, które są dawkami
przeważnie
wystarczającymi ze względów
bakteriologicznych.
Schemat instalacji do otrzymywania dwutlenku
chloru metodą chloryn/chlor
Schemat instalacji do otrzymywania ditlenku
chloru metodą chloryn/kwas
Przy dobrym zmieszaniu składników niezbędny czas
kontaktu w
reaktorze wynosi zazwyczaj ok. 4 min, co pozwala
na budowę
zwartych instalacji.
Jeśli roztwór opuszczający reaktor posiada stęŜenie
ClO2 większe
niŜ 4 mg/dm3, wówczas przewaŜnie stosuje się jego
rozcieńczenie. Roztwór jest podawany do zbiornika
magazynowego, skąd następuje pobór w zaleŜności
od potrzeb.
Dozowanie roztworu ditlenku chloru odbywa się
przewaŜnie za
pomocą odpowiednich pomp dozujących.
Siła dezynfekcji związków chloru
związek K
E.coli
ClO
2
2,6
HClO
1
OCl
-
0,12
NHCl
2
0,02
Ozonowanie wody
– historia
– właściwości ozonu
– reakcje
OH
-
+ O
3
HO
2
+ O
2
-
HO
2
== H
+
+ O
2
-
HO
-
+ O
3
HO
2
+ O
2
-
Ozonowanie wody (c.d.)
– okres półtrwania wynosi kilkanaście do kilkudziesięciu
sekund (zależy od t, HCO
3
-
, zw.org.)
– działanie
R—C = C—R
1
R—COH + HOC—R
1
3
O
– skuteczność
– dawki
Ozonowanie wody zawierającej nadmiar Ŝelaza i
manganu powoduje utlenianie obu związków i
wytrącanie się ich wodorotlenków. Jest to bardzo
istotne
zwłaszcza dla związków manganu, poniewaŜ
utlenianie
związków manganu tlenem jest moŜliwe tylko
przy
wysokim pH. Natomiast w obecności ozonu zupełne
utlenianie następuje przy znacznie niŜszych
wartościach
pH, wynoszących 6,5. Ozon przyczynia się
równieŜ do
usprawnienia procesu koagulacji.
Podstawowymi częściami składowymi instalacji
ozonowania są: ozonator, czyli wytwornica
(generator) ozonu i komora kontaktowa
(reaktor), słuŜąca do wysycania wody ozonem.
Ozon wytwarza się w czasie przepływu
osuszonego i
odpylonego powietrza między dwiema
elektrodami, do
których przyłoŜone jest wysokie napięcie.
Powietrze jest
następnie mieszane z wodą. W tych warunkach tylko
około 0,5
do 1 % tlenu zostaje przetworzone na ozon. Z
tego powodu
do wody jest wtłaczana duŜa ilość powietrza. Straty
ozonu
spowodowane niecałkowitym jego rozpuszczeniem
szacuje się
na 20 –30 %.
Ozonator stanowi zespół połączonych równolegle
rur
współosiowych, z których zewnętrzne są wykonane
ze stali
kwasoodpornej, a wewnętrzne ze szkła.
Wewnątrz rur szklanych znajdują się metalowe
pręty, a
pomiędzy rurami metalowymi i tymi prętami jest
przyłoŜone napięcie wynoszące 10 –20 kV. Rury
szklane
pełnią rolę dielektryków i tym samym zwiększają
wydajność procesu ozonowania. W wewnętrznej
przestrzeni szklanych rur powstają ciche wyładowania
elektryczne (beziskrowe). W tych warunkach tworzy
się
pewna ilość ozonu – zwykle 3 – 13 g O3/m3 powietrza.
Poszczególne segmenty ozonatora są chłodzone
wodą z
powodu wzrostu wydajności ozonatora wraz z
obniŜeniem temperatury.
Ozonator rurowy
1 – rura ze stali nierdzewnej, 2 – rura szklana, 3 – elektrody
wysokiego napięcia, 4 – dopływ powietrza do ozonatora, 5 –
odpływ ozonu, 6 – dopływ wody chłodzącej, 7 – odpływ wody
chłodzącej, 8 – transformator, 9 – przestrzeń wyładowań
elektrycznych
Schemat instalacji do ozonowania wody
1 – filtr do odpylania
powietrza,
2 – spręŜarka, 3 –
chłodnica
powietrza, 4 – urządzenie
do
osuszania powietrza,
5 – węŜownica chłodnicy,
6 – ozonator, 7 – dopływ
wody
chłodzącej, 8 –
transformator,
9 – komora kontaktowa
(reaktor),
10 – przewody
perforowane,
11 – przewód
doprowadzający
wodę do uzdatniania,
12 – komora boczna,
13 – odpływ wody po
ozonowaniu,
14 – odprowadzenie
powietrza
ze śladami ozonu
Powietrze opuszczające ozonator zawiera około
0,5 – 1,5
objętości ozonu.
Ogólne zuŜycie energii przy wytwarzaniu ozonu
wynosi
ok. 30 Wh/ 1g wytwarzanego ozonu.
Dawkę ozonu powinno ustalić się indywidualnie dla
kaŜdej wody w ten sposób, aby pokrywała
zapotrzebowanie ozonu z pewnym jego nadmiarem,
zapewniając stęŜenie ozonu pozostałego w
wodzie po
20 minutach kontaktu na poziomie 0,006 – 0,1
mg O3/dm3.
W wodzie zawierającej bromki podczas ozonowania
(chlorowania) powstają podbrominy.
HOCl + Br HOBr + Cl-
Kwas podbromawy ma większą zdolnośc (200 razy
szybciej) do reagowania z prekursorami THM niŜ
kwas
podchlorawy. Reakcje bromków z ozonem
prowadzą do
powstania podbrominów lub bromianów.
O3 + BrO2 + OBr-
2O3 + OBr 2O2 + BrO3
-
Dopuszczalne stęŜenie:
bromianów BrO3
- 25 μg/dm3
bromoformu 100 μg/dm3
Wzrost zainteresowania bromianami wywołały
wyniki badań toksykologicznych, w rezultacie
których bromiany zaklasyfikowane zostały przez
Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem (IARC)
do potencjalnych kancerogenów. Badania nad
rakotwórczym działaniem bromianu potasu wykazały,
Ŝe wywołuje on nowotwór nerek u szczurów, gdy jego
stęŜenie w wodzie wynosi 125 μg/dm3 i u królików,
gdy podawana im woda zawiera 500 μg/dm3 tego
związku. W doświadczeniach ze szczurami
odnotowano równieŜ wzrost częstotliwości
występowania mesotheliomii, towarzyszący
spoŜywaniu wody zawierającej 250 μg KBrO3/dm3.
Ozon ze związkami organicznymi występującymi w
wodzie powoduje powstawanie ubocznych
produktów utleniania, takich jak: aldehydy,
ketony, kwasy karboksylowe, glikosal,
metyloglikosal, formaldehyd. Powstajęce produkty
utleniania są biodegradowalne i mogą być usunięte
na aktywnych biologicznie złoŜach filtracyjnych.
Kryteria doboru metod dezynfekcji
Wydajność
+
+
~
~
Niezawodność
+
+
+
+
Łatwość obsługi
~
+
~
~
Skuteczność dez.
+
~
+
~
Bakteriobójczość
+
+
+
+
Wirusobójczość
~
+
+
+
Produkty uboczne
-
~
~
+
Czas kontaktu
ś
k
ś
k
NH
4
-
+
+
+
pH - wpływ
-
+
+
+
Kontrola procesu
+
+
+
+
Kryterium
Cl
2
O
3
ClO
2
uv
Dezynfekcja-podsumowanie
Mikroorganizmy-charakterystyka
Dezynfekcja- definicja
Metody dezynfekcji- lista, charakterystyka
Chlorowanie wody- formy akt.chloru, chlor pozostały, reakcje,
ClO
2,
,dechloracja
Metody dezynfekcji- porównanie
Dawka promieniowania uv- D
D = I t (mW/gm2 s = mJ/cm2)
I- natężenie promieniowania (W/cm2 )
t- czas (s)
Całkowita energia promieniowania elektromagnetycznego,
w zakresie zabójczym dla drobnoustrojów) docierajaca,
z wszystkich kierunków do jednodtkowej powierzchni
ZAGADNIENIA
Promieniowanie uv?
Zakres zabojczy dla drobnoustrojów?
Nieruownocenność promieniowania?