ĆWICZENIE 2

DEZYNFEKCJA

1. Cel i zakres badań

Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie zapotrzebowania chloru dla badanej wody.

2. Część doświadczalna

Dezynfekcja wody wolnym chlorem

W celu doświadczalnego wyznaczania zapotrzebowania chloru należy:

• przygotować roztwór roboczy wody chlorowej o stężeniu 100 mg Cl₂/dm³ (1 cm³ = 0,1 mg Cl₂). W stężonej wodzie chlorowej wykonać oznaczenie chloru metodą jodometryczną oraz sporządzić odpowiednie rozcieńczenie,

• określić w przybliżeniu granice zapotrzebowania chloru w następujący sposób: do dwóch butelek z doszlifowanym korkiem wprowadzić po 0,5 dm³ badanej wody i dodać dawki chloru w ilościach podanych przez prowadzącego ćwiczenia. Po upływie 30 minut oznaczyć chlor pozostały (metodą ortotolidynową).

Na podstawie oznaczonych wartości chloru pozostałego oraz konsultacji z prowadzącym ćwiczenia ustalić zakres dawkowania wody chlorowej tak, aby różnica pomiędzy kolejnymi dawkami wynosiła 0,2 mg Cl₂/dm³.

Do 6-ciu butelek z doszlifowanym korkiem wprowadzić po 0,5 dm³ badanej wody, dodać obliczone dawki chloru. Po 30-minutowym kontakcie wykonać oznaczenia chloru pozostałego.

Uzyskane wyniki zestawić tabelarycznie oraz sporządzić krzywą chlorowania wody, wyznaczając zapotrzebowanie chloru.

Tabela 1 Ilość chloru pozostałego w zależności od dawki chloru

Dawki chloru mg/dm^3 Cl2
Chlor pozostały mg/dm^3 Cl2

Oznaczanie chloru metodą miareczkową (jodometryczną)

Do kolby doszlifowanym korkiem odmierzyć 10 cm³ kwasu siarkowego (1+49), 10 cm³ jodku potasu i 100 cm³ badanej wody. Kolbę zamknąć, wymieszać i pozostawić w ciemnym miejscu na 5 minut. Następnie miareczkować tiosiarczanem sodowym. Pod koniec miareczkowania, kiedy roztwór wykazuje zabarwienie słomkowo-żółte, dodać około 3 krople skrobii i miareczkować do całkowitego odbarwienia.

mg Cl₂/dm³

gdzie:

a − ilość Na₂S₂O₃ zużytego do miareczkowania próby, cm³,

n − normalność roztworu Na₂S₂O₃, np. 0,025n,

V − objętość próby użytej do oznaczania, cm³,

R − równoważnik chemiczny chloru, R=35,5.

Oznaczanie chloru metodą kolorymetryczną (ortotolidynową)

Do cylindra Nesslera odmierzyć 5 cm³ ortotolidyny, dodać 100 cm³ badanej wody, wymieszać i porównać powstałe zabarwienie natychmiast i po 5 minutach ze skalą wzorców trwałych. Odczytać zawartość chloru wolnego i całkowitego w próbie, odpowiadającej wzorcom trwałym o intensywności zabarwienia zgodnej z zabarwieniem badanej wody.

Wprowadzenie do ćwiczenia

DEZYNFEKCJA WODY

Oprócz zanieczyszczeń organicznych i mineralnych wody naturalne zawierają również bakterie i wirusy. Dostają się one do otwartych zbiorników wodnych z wodami opadowymi lub ściekami, także wody podziemne nie zawsze są wolne od tych zanieczyszczeń. Bakterie i wirusy zawarte w wodzie mogą stanowić nie­bezpieczeństwo rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych i epidemii.

W poszczególnych etapach procesu uzdatniania wody część zanieczyszczeń bakteryjnych jest usuwana. Na przykład po filtrach powolnych ilość bakterii zmniejsza się o 99%, a po procesie koagulacji, sedymentacji i filtracji przez filtry pośpieszne liczba bakterii zmniejsza się o 70%. Jednak samo oczyszczanie nie zmniejsza bakterii w dostatecznym stopniu i dlatego w każdym przypadku na stacjach uzdatniania wodę należy dezynfekować. Dezynfekcja wody jest końcowym etapem procesu oczyszczania wody i ma na celu zabicie bakterii chorobotwórczych i wirusów.

Dezynfekcję wody można prowadzić metodami fizycznymi, oligodynamicznymi, chemicznymi.

Metody fizyczne dezynfekcja wody

Do fizycznych metod dezynfekcji zalicza się gotowanie wody, pasteryzację, naświetlanie promieniami ultrafioletowymi oraz zastosowanie ultradźwięków. Zaletą wszystkich metod fizycznych jest to, że nie zmieniają one właściwości fizykochemicznych wody (z wyjątkiem gotowania i pasteryzacji). Gotowanie i pasteryzacja wody jako metody dezynfekcji mają zastosowanie do małych ilości wody, głównie w gospodarstwie domowym. Wodę należy gotować w ciągu 10 minut w temperaturze 373 ⁰K.

Promienie ultrafioletowe

Źródłem promieni ultrafioletowych są lampy kwarcowe wypełnione parami rtęci. Działanie bakteriobójcze wykazują fale ultrafioletowe o długości (2-3)10^-7 m. Efekt odkażania wody promieniami ultrafioletowymi jest duży, bakterie giną w ciągu kilku minut po napromieniowaniu wody, następuje niszczenie nie tylko form wegetatywnych bakterii, ale i przetrwalnikowych.

W praktyce dla skutecznej dezynfekcji czas działania promieni na wodę przyjmuje się 10-30 s. Lampy kwarcowe instaluje się w kanałach reflektorach, przed zbiornikiem wody czystej pod warstwę przepływającej wody lub nad jej powierzchnią. Żywotność lamp zanurzonych jest krótka ze względu na osadzenie się na ich powierzchni osadów CaCO₃.

Efekt dezynfekcji tą metodą zależy od:

- temperatury,

- barwy i mętności wody, bowiem cząstki koloidalne i zawiesiny mogą rozpraszać promienie, utrudniając przenikanie w głąb warstwy wody, a tym samym zmniejszając skuteczność dezynfekcji,

- czas dezynfekcji.

Wadą tej metody jest to, że działanie dezynfekcyjne występuje tylko w czasie naświetlania, a więc nie ma gwarancji zapobiegania wtórnemu rozwojowi bakterii w sieci wodociągowej.

Również ta metoda wiąże się ze znacznymi nakładami finansowymi na instalację oraz na eksploatację.

Fale ultradźwiękowe

Źródłem ultradźwięków może być działanie piezoelektryczne płytek kwarcowych pod wpływem prądu zmiennego bądź generator elektromagnetyczny. Fale ultradźwiękowe o dużej częstotliwości drgań stosowane do dezynfekcji wody mają zdolność zabijania mikroorganizmów poprzez mechaniczne drgania fal, które powodują uszkodzenie żywych komórek (powodują zmiany czynnościowe) - bakterie giną lub tracą swe poprzednie własności chorobotwórcze. Efekt działania bakteriobójczego jest zależny od częstotliwości drgań, natężenia pola oraz czasu działania ultradźwięków. Przy zastosowaniu ultradźwięków o częstotliwości 20, 26, 30 kHz bakterie giną w ciągu 2 do 5 sekund.

Metoda ta nie ma jednak jeszcze powszechnego zastosowania do dezynfekcji wody pitnej, jest ona stosowana na razie w fazie badań laboratoryjnych i półtechnicznych i to raczej w połączeniu z metodami chemicznymi.

Oligodynamiczne metody dezynfekcji wody

Jony takich metali, jak sole miedzi, srebra i rtęci wykazują działanie bakteriobójcze. Jony tych metali powodują blokowanie układów enzymatycznych mikroorganizmów, a stopień aktywności jonów zależy od ich stężenia, temperatury wody i zawartych w niej zanieczyszczeniach. Dezynfekcja wody jonami srebra (tzw. katadynowanie) można prowadzić poprzez:

- kontakt z warstwą srebra pokrywającego piasek filtracyjny, przy czasie kontaktu około 0,5 godz.,

- rozpuszczenie soli srebra w wodzie,

- metody elektrolityczne.

Katadynowanie jest zaliczane do jednorazowej dezynfekcji, np. zbiorników, studni. Dawka srebra 0,005 mg/dm³ Ag powoduje zabicie wszystkich mikroorganizmów w ciągu 24 godz., przy stężeniu 0,25-0,5 mg/dm³ Ag całkowita dezynfekcja następuje w ciągu 1 do 2 godzin. Z soli miedzi najczęściej stosowany jest CuSO₄ i CuCl₂. Związki te mają zastosowanie do dezynfekcji wody w basenach kąpielowych oraz do niszczenia zakwitów i glonów w zbiornikach wodnych, przy czym dawka miedzi dla klarownej wody wynosi 1-3 mg/dm³ CuCO₄.

Metody chemiczne

Dezynfekcja wody metodami chemicznymi polega na dawkowaniu do wody silnych utleniaczy, jak chlor, dwutlenek chloru, podchloryn, ozon. Używane do dezynfekcji środki chemiczne przenikają do wnętrza komórki bakteryjnej, reagują z proteinami i aminozwiązkami, niszcząc otoczkę bakterii i jej enzymy. Przy zastosowaniu środków chemicznych zachodzą przede wszystkim procesy utleniające dzięki obecności czynnego tlenu.

Działanie środków chemicznych zależy od:

- ich rodzaju i stężenia,

- rodzaju i ilości mikroorganizmów,

- fizykochemicznych własności wody,

- czasu kontaktu mikroorganizmów ze środkiem dezynfekującym.

Efekt bakteriobójczy środka dezynfekującego zależy od jego stężenia i spada szybko ze zmniejszeniem się jego stężenia. Wzrost temperatury wody przyspiesza efekt dezynfekcji oraz obniża zużycia środka dezynfekującego. Organizmy wykazują różną odporność na działanie środka dezynfekującego i po pewnym czasie mogą się nawet do niego przystosować. Obecność substancji koloidalnych obniża efekt dezynfekcji, gdyż koloidy mogą być sorbowane na powierzchni bakterii, tworząc rodzaj "płaszcza ochronnego".

Wpływ na zużycie środka dezynfekującego ma również czas kontaktu i dobre wymieszanie z wodą. Ze względów eksploatacyjnych wymagany jest krótki czas kontaktu, a można to osiągnąć stosując duże rozproszenie środka dezynfekującego w wodzie. Środek używany do dezynfekcji wody powinien spełniać następujące warunki:

- działać szybko,

- nie zmieniać własności organoleptycznych wody,

- nie być szkodliwy dla zdrowia ludzkiego,

- w wodzie ulegać całkowitemu rozkładowi ewentualnie pozostawać w niej w ilościach śladowych,

- być tani w kosztach inwestycyjnych.

Biorąc pod uwagę powyższe wymagania chlor spełnia je w zasadzie całkowicie.

Chlorowanie wody

Chlorowanie wody jest najbardziej rozpowszechnionym sposobem dezynfekcji wody. Chlorowanie polega na bezpośrednim wprowadzeniu chloru gazowego lub w postaci roztworu do wody oraz stosowaniu związków zawierających chlor czynny, takich jak: wapno chlorowane, podchloryny NaOCl i KOCl, dwutlenek chloru CIO₂, chloraminy organiczne i nieorganiczne.

Chlor czynny występujący w postaci Cl₂, HOCl, OCl^- nazywa się użytecznym chlorem wolnym, chlor w postaci chloramin - użytecznym chlorem związanym, z tym że działanie chloru użytecznego jest znacznie szybsze niż związanego. Najczęściej do dezynfekcji wody używa się chloru gazowego, dodawanego do wody w postaci wody chlorowej. Chlor w normalnych warunkach ciśnienia i temperatury jest gazem o brawie żółtozielonkawej o własnościach trujących. Przy stężeniu chloru w powietrzu 0,01 g/m³ Cl₂ - jest wyczuwalny, przy stężeniu 0,088 g/m³ Cl₂ - powoduje podrażnienie dróg oddechowych i kaszel, przy stężeniu 0,3-0,45 g/m³ Cl₂ - powoduje śmierć po 15 minutach, a przy 2,9 g/m³ Cl₂ - zgon następuje po kilku oddechach.

Jest on nieagresywny w stanie suchym, natomiast silnie agresywny w stanie wilgotnym. Przechowuje się go w butlach (w postaci cieczy pod ciśnieniem 6-10 at).

Chlor dodany do wody ulega:

- hydrolizie,

H₂O + Cl₂ HCl + HOCl

- łączy się ze składnikami wody, głównie związkami amonowymi, tworząc chloraminy,

- działa bakteriobójczo.

Działanie to jest bezpośrednie oraz poprzez wolny tlen wydzielany w wyniku rozkładu kwasu podchlorawego

HOCl HCl + O

Powstający tlen atomowy działa utleniająco na mikroorganizmy, natomiast kwas solny jest zobojętniany przez związki powodujące zasadowość wody.

Duży wpływ na efekt dezynfekcji chlorem ma wielkość odczynu wody. Przy odczynie pH 5 praktycznie cały chlor czynny znajduje się w postaci HOCl, podczas gdy przy odczynie pH 10 chlor występuje jako jon OCl^- , przy czym własności bakteriobójcze kwasu HOCl są większe niż jonu OCl^- .

Stosowany do dezynfekcji dwutlenek chloru CIO₂ jest środkiem utleniającym 2,5-krotnie silniejszym niż chlor i daje dobre wyniki dezynfekcji. Reaguje natychmiast po dodaniu do wody, a w porównaniu z chlorem jego działanie bakteriobójcze w mniejszym stopniu zależy od odczynu wody. Działa również niezależnie od zawartości związków azotowych w wodzie.

CIO₂ może być stosowany w przypadku wód zawierających fenole, gdyż nie powstają wówczas chlorofenole o przykrym zapachu. Efekt bakteriobójczy CIO₂ maleje ze wzrostem mętności wody.

Chlorowanie wody należy prowadzić taką dawką, aby po związaniu części chloru przez domieszki wody pozostała część była wystarczająca do celów bakteriobójczych.

W celu zapewnienia właściwego efektu dezynfekcji w każdej wodzie należy doświadczalnie wyznaczyć zapotrzebowanie chloru.

Zapotrzebowanie chloru jest to najmniejsza ilość wolnego chloru dodanego do 1 dm³ wody o temp. 293⁰K, która po 30-minutowym kontakcie chloru z wodą daje 0,1 mg/dm³ pozostałego chloru użytecznego. Wprowadzając do wody różne dawki chloru i oznaczając chlor pozostały otrzymuje się krzywą chlorowania, której przebieg zależy od obecności w wodzie azotu amonowego.

Chlorowanie wody zawierającej amoniak prowadzi do tworzenia się chloramin wg reakcji:

NH₃ + Cl₂ NH₂Cl + H⁺ + Cl^-

NH₂Cl + Cl₂ NHCl₂ + H⁺ + Cl^-

0

Rys. 1 Krzywa przebiegu chlorowania wody nie zawierającej amoniaku

0 A E

Rys. 2 Krzywa przebiegu chlorowania wody zawierająca amoniak

Tworzenie się chloramin jest najszybsze przy pH około 8,4, przy obniżeniu lub podwyższeniu odczynu szybkość reakcji maleje.

Z krzywej przedstawionej na rys. 1 wynika, że przy zwiększeniu dawki chloru w wodzie nie zawierającej azotu amonowego zawartość pozostałego chloru użytecznego wzrasta proporcjonalnie. Odcinek OA wyraża zapotrzebowanie chloru.

Z krzywej przedstawionej na rys. 2 widać, że jeśli dodawać wzrastające dawki chloru wolnego do wody zawierającej azot amonowy lub organiczne związki azotowe, to początkowo zawartość chloru użytecznego wzrasta, osiągając maksimum w pkt. B, a następnie spada do pkt. C, po czym ponownie zaczyna wzrastać. Odcinek OE wyraża zapotrzebowanie chloru. Punkt C nazywa się punktem przełamania chlorowania. Na krzywej maksimum chloru pozostałego odpowiada powstawaniu chloraminy (NH₂Cl) o mniejszych własnościach utleniających niż chlor. Minimum na krzywej można wyjaśnić utlenieniem powstałej chloraminy pod wpływem działania nadmiaru chloru.

Przy stosunku chloru do amoniaku Cl₂:NH3 > 4,4:1 chloraminy ulegają utle­nieniu wg równania:

2 NH₂Cl + 2 Cl₂ + H₂O N₂O + 6 HCl

Zwiększenie ilości chloru w stosunku do amoniaku 7,34:1 doprowadza reakcję do końca i w wodzie pojawia się wolny chlor.

Ten rodzaj chlorowania określa się jako chlorowanie do punktu przełamania i zaleca się stosować wówczas, gdy woda zawiera bakterie, azot amonowy oraz związki organiczne. Jest to proces trudny do przeprowadzenia w przypadku nagłych zmian składu wody. Przy dużych ilościach azotu amonowego w wodzie dawki chloru mogą być tak duże, że proces ten nie może być stosowany.

Gdy woda wykazuje małe zapotrzebowanie na chlor oraz zawiera niewielką liczbę bakterii, to chlorowanie można przeprowadzić małą dawką chloru, wprowadzając go do zbiorników wody czystej. W przypadku wód silnie zanieczyszczonych, gdy zawierają one znaczne ilości bakterii lub charakteryzują się zapachem pochodzenia naturalnego chlorowanie można prowadzić zwiększonymi dawkami chloru.

Wodę należy w tych przypadkach chlorować na początku procesu jej uzdatniania zwiększonymi dawkami chloru, aby zapewnić możliwie najdłuższy czas kontaktu. Przechlorowanie wody pozwala na usunięcie zapachów, zabija bakterie i utlenia związki organiczne. Nadmiar chloru usuwa się, stosując dechlorację tiosiarczanem sodu Na₂S₂O₃, siarczynem sodu Na₂SO₃ lub na węglu aktywnym.

Jeżeli woda zawiera azot amonowy, a sieć wodociągowa jest dość rozległa, to można stosować chloraminowanie, gdyż chloraminy są bardziej trwałe od chloru w postaci kwasu podchlorawego, lecz są mniej skuteczne. Chloraminowanie można stosować w przypadku, gdy woda nie zawiera azotu amonowego, lecz występują w niej niewielkie ilości związków fenolowych, które z chlorem tworzą chlorofenole, a nie tworzą ich z chloraminą. Należy wówczas dodać do wody najpierw amoniak, a potem chlor. Stosunek chloru do azotu amonowego powinien wynosić 3:1 do 5:1. Skuteczność bakteriobójcza chloramin jest mniejsza od chloru wolnego, lecz wykazują większą trwałość w sieci wodociągowej. Jednym z problemów występujących w procesie chlorowania wody jest wytworzenie się chlorowcopochodnych organicznych. Zastosowanie chlorowania w obecności związków humusowych powoduje powstanie utlenionych form organicznych - trójhalometanów (THM). Jest to grupa związków organicznych o ogólnym wzorze CH₃X, gdzie X oznacza Br, CI, F lub J. Najczęściej występujące trójhalometany to: chloroform CHCl₃, chlorodwubromometan CHCIBr₂ , dwuchlorobromometan CHCI₂Br i bromoform CHBr.

Trójhalometany uważane są za substancje kumulujące się w organizmach żywych i prawdopodobnie rakotwórcze.

W USA obowiązują normy, ustalające maksymalny dopuszczalny poziom stężenia sumy trójhalometanów (w wodociągach zaopatrujących 75000 mieszkańców) na 100 µg/dm³ . W krajach Europy zachodniej wartość tę ustala się na poziomie 25 µg/dm³ , w Polsce na 30 µg/dm³.

W przypadku obecności kwasów humusowych w wodzie poddawanej dezynfekcji, niebezpieczeństwa powstania CHCl₃ można uniknąć stosując chloraminownie. Przy braku jonów NH₄⁺ w oczyszczonej wodzie jony te należy wprowadzić do wody zachowując 30-minutowe wyprzedzenie dawkowania NH₄⁺ względem Cl₂ . Przy stosowaniu chlor aminowania dopuszczalne stężenie chloru w wodzie do picia i potrzeb gospodarczych nie może przekraczać 2 mg/ dm³. W celu zmniejszenia stężenia haloformów organicznych proces chlorowania należy prowadzić po uprzednim usunięciu z wody prekursorów trójhalometanów. Należy więc zaniechać w technologii uzdatniania wody stosowania wstępnego utleniania. Usuwanie bowiem już powstałych trójhalometanów z wody jest trudne.

1

dawka chloru w mg/dm³ Cl₂

chlor pozostały, mg/dm³ Cl₂

dawka chloru w mg/dm³ Cl₂

chlor pozostały, mg/dm³ Cl₂

---