Chemiczne metody dezynfekcji wody

Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do niej silnych utleniaczy, takich jak chlor, podchloryn sodu, dwutlenek chloru, chloraminy, ozon, brom i jod.

W praktyce, do dezynfekcji wody wodociągowej stosuje się chlor i jego związki oraz ozon. Ostatnio, w celu zmniejszenia ilości ubocznych produktów dezynfekcji, zamiast chloru wolnego stosuje się coraz częściej dwutlenek sodu (ClO₂) bądź chloraminy- powstające w chlorowanej wodzie zawierające azot amonowy.

O przebiegu i skuteczności dezynfekcji, oprócz liczby i rodzaju organizmów, rodzaju i dawki dezynfekanta oraz czasu kontaktu, decyduje skład fizyczno-chemiczny dezynfekowanej wody. Współdecyduje on o wielkości wymaganej dawki dezynfekanta oraz o powstawaniu ubocznych produktów dezynfekcji. Do głównych wskaźników składu wody rzutujących na przebieg dezynfekcji należą: pH, temperatura, stężenie i rodzaj zredukowanych substancji organicznych i nieorganicznych oraz ilość zawiesin. Wartość pH wpływa na rodzaj aktywnej formy stosowanego środka dezynfekującego, a tym samym na jego bakteriobójczość.

Skuteczność dezynfekcji zależy od rodzaju środka dezynfekującego, jego dawki, czasu kontaktu oraz wrażliwości mikroorganizmu na dezynfekant.

Dezynfekcja chlorem i jego związkami

Najdawniej stosowaną, najbardziej rozpowszechnioną i najtańszą metodą dezynfekcji wody jest jej chlorowanie. Chlor pierwszy raz zastosowano w 1831 r., jako czynnik profilaktyczny podczas epidemii cholery w Europie.

Wodę najczęściej chloruje się stosując chlor- dodawany do dezynfekowanej wody w postaci wody chlorowanej. Do przygotowania i dawkowania wody chlorowanej służą chloratory. Chlor gazowy uzyskuje się przez odparowanie chloru ciekłego znajdującego się w stalowych pojemnikach ciśnieniowych (butlach, beczkach, cysternach). Rozpuszczalność chloru gazowego w wodzie zależy od temperatury. Woda chlorowa najczęściej zawiera 3-5 g Cl₂/l.

Dawkowanie chloru w postaci wody chlorowej jest metodą pośrednią. Metoda bezpośrednia polega na dodawaniu do dezynfekowanej wody chloru gazowego. Chlor gazowy jest dawkowany bezpośrednio do wody wyjątkowo i tylko w razie konieczności zastosowania dużych dawek chloru oraz dużej ilości dezynfekowanej wody.

Chlor gazowy jest nieagresywny w stanie suchym, w stanie zaś wilgotnym - silnie agresywny w stosunku do wielu metali. Producenci urządzeń do dezynfekcji chlorem stosuj tworzywa syntetyczne, które są odporne na działanie wody chlorowej.

Dwutlenek chloru jest gazem dobrze rozpuszczającym sie w wodzie. W temperaturze 20°C bezpieczne stężenie wodnego roztworu dwutlenku chloru wynosi ok. 8 g ClO₂/m³. W zakresie pH= 6-8, występującym najczęściej w wodach naturalnych, jest trwały i praktycznie nie ulega hydrolizie. Produktem rozkładu dwutlenku chloru w środowisku alkalicznym są jony chlorynowe i chloranowe. Jest silnym utleniaczem, a jego zdolność bakteriobójcza jest ok 2,5 raza większa od zdolności kwasu podchloranowego. Ma silne właściwości wybuchowe i z tego względu powinien być wytwarzany w miejscu jego zastosowania. Dwutlenek chloru, podobnie jak chlor, działa drażniąco na błony śluzowe, a przy większych stężeniach jest silnie toksyczny. Stosuje się go głównie wtedy, gdy obok dezynfekcji wody należy również zniszczyć substancje nadające wodzie smak i zapach, bądź gdy w wyniku dezynfekcji wodą chlorową można oczekiwać wystąpienia smaku i zapachu oraz powstawania chlorowanych związków organicznych.

W przypadku dezynfekcji wody chloraminami wykorzystuje się najczęściej chloraminy powstające w wodzie. Aby mogły powstać w ilości wystarczającej do dezynfekcji, wymagane jest odpowiednie stężenie azotu amonowego w wodzie.

Podchloryn sodu występuje w postaci uwodnionych soli NaOCl · 5H₂O lub NaOCl · 2,5 H₂O, ma białą barwę i jest związkiem nietrwałym. Łatwo rozpuszcza się w wodzie. Wodny roztwór charakteryzuje się słabym zabarwieniem, od żółtego do seledynowego. Do dezynfekcji wody stosuje się rozcieńczone wodne roztwory NaOCl.

Wapno chlorowane (Ca(ClO)Cl) jest mieszaniną podchlorynu i chlorku wapnia o właściwościach żrąco-trujących. Zawiera 25-35% aktywnego chloru i jest silnym utleniaczem. Jest związkiem nietrwałym i na powietrzu rozkłada się wydzielając wolny chlor. Wzrost temperatury oraz światło przyspieszają rozpad wapna chlorowanego na chloran (Ca(ClO₃)₂) i chlorek wapnia (CaCl₂). Wodny roztwór wapna chlorowanego ma właściwości silnie utleniające oraz trujące i praktycznie nie jest stosowany do dezynfekcji ciągłej.

Reakcje chemiczne zachodzące podczas dezynfekcji wody chlorem i podchlorynem sodu

Rodzaj i przebieg reakcji chemicznych zależy od składu fizyczno-chemicznego dezynfekowanej wody. Dodany do wody chlor natychmiast ulega dysproporcjonowaniu:

Cl₂ + H₂O = H ⁺ + HOCl +Cl ^-

Dezynfekcja dwutlenkiem chloru

Dwutlenek chloru ma wyższy potencjał utleniający niż chlor, dzięki czemu ClO₂ działa na wiele substancji zredukowanych (w tym organicznych) utleniająco, a nie chlorująco. W związku z tym stosuje się go zamiast chloru do dezynfekcji wody głównie w celu zmniejszenia ilości chlorowych pochodnych związków organicznych powstających podczas chlorowania.

Działanie dezynfekujące ClO₂ polega na uszkadzaniu błony komórkowej i zakłócaniu procesu syntezy białek. Wykazuje on właściwości dezynfekujące już przy stężeniu pozostałego ClO₂ równym 0,1 g/ m³ . Dwutlenek chloru jest skuteczniejszy od chloru wolnego w niszczeniu glonów i utlenianiu toksyn wytwarzanych przez sinice. ClO₂ niszczy również wirusy, a skuteczność zwiększa się wraz ze wzrostem wartości pH. Ogólnie jednak przy zastosowaniu ClO₂ wpływ pH na efekty dezynfekcji jest mniejszy niż przy użyciu chloru. ClO₂ działa skutecznie w szerokim zakresie pH.

Do usuwania smaku i zapachu wody wystarczają na ogół dawki od 0,4 do 0,8 g ClO₂ /m³ , które przeważnie są również wystarczające ze względów bakteriobójczych.

Inne substancje organiczne w reakcji z ClO₂ ulegają również głównie utlenianiu.

Zapotrzebowanie wody na dwutlenek chloru jest wprost proporcjonalne do stężenia substancji zredukowanych w wodzie poddanej dezynfekcji.

Zaleca się stosowanie dwutlenku chloru do dezynfekcjo wód o małym zapotrzebowaniu na chlor, co umożliwi zapewnienie dopuszczalnego stężenia nieorganicznych ubocznych produktów dezynfekcji tym dezynfekantem.

Dwutlenek chloru jest silnym utleniaczem i szybko może ulegać redukcji w sieci wodociągowej, w której są zdeponowane osady.

Sposoby dezynfekcji wody związkami chloru

Chlorowanie wody wymaga wstępnego określenia dawki chloru i jego czasu kontaktu z wodą. Zarówno wielkość dawki, jak i czas kontaktu, zależą od poziomu skażenia bakteriologicznego wody oraz jej składu fizyczno-chemicznego.

W zależności od jakości dezynfekowanej wody można wyróżnić następujące sposoby chlorowania wody:

1. Chlorowanie wody małą dawką chloru dodawanego do zbiornika wody czystej lub do rurociągu wody czystej można stosować, gdy woda wykazuje małe zapotrzebowanie na chlor oraz zwiera niewielką liczbę bakterii.

2. Chlorowanie nadmiarem chloru, a następnie dechloracja.

3. Jeżeli woda zawiera azot amonowy, a sieć wodociągowa jest rozległa, to można stosować chloraminowanie, gdyż chloraminy są bardziej trwałe niż chlor w postaci kwasu pochlorawego jakkolwiek są mniej skuteczne.

Chloraminowanie wody jest coraz częściej stosowane ze względu na to, iż reakcja azotu amonowego z chlorem jest konkurencyjna w stosunku do reakcji chloru ze związkami organicznymi. W związku z tym stosowanie chloraminowania zmniejsza zdecydowanie ilość chlorowanych związków organicznych.

4. Chlorowanie do punktu przełamania zaleca się stosować wówczas, gdy woda zawiera bakterie, azot amonowy oraz związki organiczne

Urządzenia do przygotowania i dawkowania dezynfekantów

Woda chlorowa jest przygotowywana i dawkowana z użyciem chloratorów, które dzieli się na ciśnieniowe i próżniowe. W chloratorach ciśnieniowych chlor znajduje się pod ciśnieniem większym niż atmosferyczne, stąd w wypadku nieszczelności istnieje niebezpieczeństwo ulatniania się chloru na zewnątrz. Chloratory podciśnieniowe stanowią rozwiązanie nowocześniejsze i są bardziej bezpieczne dla obsługi, ponieważ wszystkie elementy atmosferyczne znajdujące się poza zaworem redukcyjnym aparatu mają ciśnienie mniejsze niż atmosferyczne i ulatnianie się z nich chloru na zewnątrz jest utrudnione.

Chloryn sodu (NaClO₂) ma postać białych kryształków, łatwo rozpuszczalnych w wodzie. Może łatwo eksplodować i bez trudności zapala wszystkie materiały palne.

Zbiorniki kontaktu wody z dezynfektantami

Rolę zbiorników kontaktu mogą odgrywać zbiorniki wody czystej lub rurociągi wody oczyszczonej, jeżeli czas przepływu wody w rurociągu pomiędzy miejscem wprowadzenia środka dezynfekującego a pierwszym odbiorcą wody jest wystarczający. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony bądź dezynfekowana woda wymaga dłuższego czasu kontaktu z dezynfekantem, to należy wówczas stosować zamknięte zbiorniki o właściwej objętości i geometrii oraz zapewniające wymieszanie wody z dezynfekantem.

Jeżeli woda jest dezynfekowana w zbiorniki wody czystej, to wodę chlorową należy wprowadzić do rurociągu (zabezpieczonego antykorozyjnie) wody czystej przed zbiornikiem. Do uzyskania wymieszania czynnika dezynfekującego z dezynfekowaną wodą można stosować mieszacze hydrauliczne zainstalowane w rurociągu.

Dechloracja wody

Przy stosowaniu dużych dawek chloru i chlorowaniu do punktu przełamania w wodzie pozostaje nadmiar chloru, który powinien być z niej usunięty. Można to uzyskać metodami chemicznymi, przez zastosowanie związków redukujących, takich jak siarczyn lub tiosiarczan sodu bądź dwutlenek siarki.

Do dechloracji dużych ilości wody najlepiej stosować dwutlenek siarki, który w postaci ciekłej może być transportowany w butlach, pojemnikach bądź cysternach, podobnie jak chlor.

Rozpuszczalność So₂ w wodzie wynosi 228 g/l w temperaturze 0°C i 5,8 g/l w temperaturze 90°C. Dwutlenek siarki jest silnie toksyczny i agresywny, a odporne na jego działanie są miedź i jej stopy. Dwutlenek siarki występuje w postaci bezbarwnego gazu, 2,26 raza cięższego od powietrza, który ulega łatwo skropleniu pod ciśnieniem >0,4 MPa. Jego temperatura wrzenia wynosi -10°C.

Zaletą dodatkową dwutlenku siarki jest możliwość jego dawkowania za pomocą chloratorów, które można łatwo przystosować do tego celu. Dwutlenek siarki jest stosowany również do odtleniania wody.

Nadmiar chloru może być również usuwany z wody w procesie adsorpcji na węglu aktywnym. Węgiel aktywny bardzo skutecznie eliminuje chlor przy filtracji przez złoże węglowe o wysokości 0,4 do 1,2 m i szybkości filtracji od 8 do 30 m/h. Po filtracji przez złoże węglowe wodę należy dodatkowo dochlorować, gdyż jest ona całkowicie pozbawiona chloru, a może być również dodatkowo skażona bakteriami saprofitycznymi, które znajdują dobre warunki rozwoju w dolnych partiach złoża, do których nie dociera już chlor.

Chlorowanie i magazyny dezynfekantów

Chloratory, pojemniki z chlorem oraz inne urządzenia pomocnicze, jak parowalniki chloru i instalacja do niszczenia chloru, powinny znajdować się w chlorowni, a pojemniki chloru zapewniające ciągłość dezynfekcji w magazynie chloru. Magazyny chloru i chlorownie, w których chlor jest stosowany w postaci ciekłej lub gazowej, powinny znajdować się w odrębnych budynkach.

Chlorowanie i magazyny chloru nie powinny być łączone z innymi budynkami technologicznymi. Powinny być one zlokalizowane od strony odwietrznej względem budynków mieszkalnych, dróg i innych obiektów, w których przebywają ludzie. Pomieszczenia w chlorowni i magazynie chlory powinny być oddzielone od siebie szczelnymi przegrodami.

Magazyn chloru powinien składać się z :

• pomieszczenia magazynowego

• pomieszczenia do unieszkodliwiania chloru w czasie awarii, wraz z magazynem odpowiednich środków chemicznych

W chlorowniach i magazynach chloru powinny być przewidziane odrębne pomieszczenie do przechowywania sprzętu ochrony osobistej i sprzętu ratowniczego. Pomieszczenia te powinny być zlokalizowane poza strefą zagrożenia i mieć odrębne wejście z zewnątrz budynku. W chlorowni powinny sie znajdować działające chloratory oraz chloratory rezerwowe, w liczbie 1 aparat na 5 zainstalowanych chloratorów i 2- przy liczbie większej niż 5 chloratorów. Liczba chloratorów powinna być tak dobrana, aby przy maksymalnej wydajności mogły one dawkować o 20-30% chloru więcej, niż wynosi największe zapotrzebowanie, nie licząc aparatów rezerwowych.

Ozonowanie wody

Ozon jest względnie trwałą odmianą alotropową tlenu, a jego cząsteczka składa się z 3 atomów tlenu. Ozon jest gazem bezbarwnym i dobrze rozpuszczającym się w wodzie, jest ona zarówno bardzo silnym utleniaczem, jak i dezynfekantem. Cechy te powodują, iż jest on stosowany w oczyszczaniu wody jako czynnik dezynfekujący lub jako utleniacz.

Zastosowanie ozonu jako dezynfekanta jest celowe wówczas, gdy zawodzi chlorowanie z powodu tworzenia chlorowych pochodnych związków organicznych lub związków nadających wodzie smak i zapach.

Ozon jest najskuteczniejszym środkiem dezynfekcji z tradycyjnie stosowanych utleniaczy; niszczy bakterie Escherichia coli od 600 do 3000 razy szybciej niż chlor wolny.

Ilości ozonu wymagane do dezynfekcji mogą być zmniejszone w wyniku łączonego stosowania ozonu z ultradźwiękami lub promieniami UV.

Ozon, podobnie jak dwutlenek chloru, nie reaguje z azotem amonowym. Istotna wadą ozonu jako dezynfekanta jest mała trwałość, a więc niebezpieczeństwo wtórnego rozwoju bakterii w sieci wodociągowej. W związku z tym woda po ozonowaniu powinna być chlorowana lub dezynfekowana dwutlenkiem chloru.

Ilość ozonu rozpuszczonego w wodzie zależy od ciśnienia parcjalnego ozonu w zaozonowanym powietrzu oraz stałej Henry'ego. Pod ciśnieniem cząstkowym ozonu równym 2 · 10³ kPa i odpowiadającym 3% wagowym ozonu w powietrzu, jego stężenie w wodzie w stanie równowagi wynosi 0,24 mol O₃/m³.

---