FERTŐTLENÍTÉS

Fertőtlenítés Feladata: a vízben található mikroorganizmusok egyedszámának csökkentése az érvényes előírásoknak megfelelő szintre. Fentiek értelmében pl. a kórokozó mikroorganizmusok egyedszáma az ivóvízben nem haladja meg egy adott térfogatban a zérus értéket. Nem-kórokozó mikroorganizmusok esetében zérusnál nagyobb egyedszámok is megengedhetőek. A fertőtlenítést az esetek többségében kémiai úton, tehát megfelelő vegyszerek adagolásával valósítjuk meg. Ezek a vegyszerek erős oxidálószerek. Az erős oxidálószerek veszélyesek az élő szervezetekre, lényegében mérgező hatást fejtenek ki, ezért alkalmasak fertőtlenítésre. Alkalmazásuk fokozott figyelmet és elővigyázatosságot igényel.

Cryptosporidium parvum Fertőtlenítés Célja: vízben élő patogének számának csökkentése baktériumok, vírusok, protozoák Vibrio Cholerae Giardia lamblia Cryptosporidium parvum 1910-től klór alkalmazása (olcsó, hatékony) 1970-es évek: klór káros melléktermékeinek felfedezése egyéb fertőtlenítőszerek vizsgálata

Matematikai modellek Chick modell -dN/dt = k1N Nt = N0 exp(-kt) -ln(N/N0) Cnt Ct Cnt Ct Chick modell -dN/dt = k1N Nt = N0 exp(-kt) Chick-Watson modell -dN/dt = k Cn N Nt = N0 exp(-kCnt) CT koncepció n = 1 Nt = N0 exp(-kCt)

Vegyszereket alkalmazó fertőtlenítési eljárások Fertőtlenítőszerek Klórtartalmú fertőtlenítőszerek A klór és származékai Klórdioxid Mono-klóramin Egyéb fertőtlenítőszerek Ózon Kálium-permanganát Vegyszereket nem alkalmazó fertőtlenítési eljárások UV sugárzás Membrántechnológiák

Klór és alkalmazási formái Klórgáz Klóros víz Nátrium-hypoklorit (Hypo) Klórmész

Klóros víz Klórgáz és víz reakciójaként keletkezik a következők szerint: Cl2 + H2O  HOCl + HCl A hypoklórossav (HOCl) is képes a disszociációra, de annak mértéke a pH függvénye: HOCl  H+ + OCl- Savas közegben a hypoklórossav, míg lúgos közegben a hypoklorit ion stabil. Erősebb fertőtlenítő hatása a hypoklórossavnak van, tehát annak jelenléte fontos.

A hatékony fertőtlenítés szempontjából az enyhén savas közeg lenne a legkedvezőbb (5,0 < pH < 6,0), de a fellépő korrózió miatt a nagyon enyhén lúgos közeg (7,0 < pH < 7,5) alkalmazása célszerű. A klórgáz és a víz reakciójával előállított klóros víz adagolása biztonságos és jól szabályozható. A klóros víz előállítása azonban felügyeletet és gyakori beavatkozást igényel.

Klór, hipoklórossav és hipoklorit ion egyensúlya a pH függvényében OCl- = [OCl-] C T Cl Cl2 = [Cl2] C T Cl 1,0 HOCl = [HOCl] C T Cl 0,5 -2 2 4 6 8 10 [Cl-] = 10-3 M, C T Cl = [Cl2] + [HOCl] + [OCl-]

Fertőtlenítés klórgázzal A klór rendkívűl erős oxidáló és mérgező hatású gáz. Biztonsági okokból a klórgáz direkt használatát az ivóvizek klórozásánál hosszú ideig nem alkalmazták (a ’60-as évekig). Jelenlegi széleskörű alkalmazását az tette lehetővé, hogy biztonságos adagoló-szabályozó eszközt dolgoztak ki, mely alkalmas a klórgáz vízbe történő közvetlen adagolására. Magyarországon a ’70-es évek közepétől gyártják az Advance típusú klórgáz adagoló berendezéseket. A klórgázt tartalmazó tartályból (mely lehet 150 bar nyomású palack, vagy 10-12 bar nyomású 0,5 t vagy 1,0 t gázt tartalmazó „hordó”) vákuum létrehozásával „veszik ki” a klórgázt. A légritkítást a fertőtlenítésre kerülő víz áramlása hozza létre (Bernoulli tv.).

Ha a víz áramlása leáll, megszűnik a vákuum, automatikusan leáll a klórgáz adagolása. A klór „reális gáz”, azaz a nagynyomású tároló tartályt elhagyva térfogata megnő. Ez a folyamat energiaigényes, és erősen lehűti a környezetet. Télen feltétlenül gondoskodni kell a tartály környezetének fűtéséről, hogy az adagoló rendszer ne fagyjon be.

A klór alkalmazásának előnyei: Könnyen előállítható Nagy mennyiségben rendelkezésre áll Olcsó Biztonságosan szállítható, tárolható Adagolása jól szabályozható, biztonságos Erős fertőtlenítőszer Fertőtlenítő hatását hosszú ideig, a vízelosztó hálózatban is megtartja

A klór alkalmazásának hátrányai: Reakcióba lép a jelen lévő ammónium ionokkal, és a kevésbé hatékony mono-klóramin, majd a fertőtlenítés szempontjából hatástalan di-, és tri-klóramin képződik A természetes eredetű szerves anyagokkal reakcióba lépve rákkeltő tri-halo-metánok képződnek Szerves anyagokkal mutagén hatású rövid szénláncú klórozott szén-hidrogének alakulnak ki Fenolokkal már a néhány μg/L koncentráció tartományban rendkívül erős íz- és szag- hatást okozó klór-fenolok képződésére kerül sor AOX képződés

A klór alkalmazásának feltételei: 0,5 mg/L, vagy kisebb ammónium ion koncentráció Lehetőleg 3,5 mg/L-nél kisebb KOIps értékkel jellemezhető szerves anyag tartalom 1 μg/L-nél kisebb fenol, vagy fenol-származék koncentráció Ha a felsorolt feltételek nem teljesülnek, káros melléktermékek képződnek, melyek eltávolítását meg kell oldani egy másik technológiai lépcsőben.

Klór A vízbe adagolt klórgáz a következő egyensúlyra vezető reakció szerint reagál a vízzel, közben hipoklórossav és sósav képződik: Cl2 + HOH  HOCl + H+ + Cl- Az így képződött hipoklórossav a pH függvényében disszociál: HOCl  H+ + OCl-

A tapasztalatok szerint a hipoklóros-sav a vízben található oxidálható anyagok egy részét (melyeknek kisebb a redox potenciáljuk mint a Cl2/2Cl- rendszeré) oxidálja. ennek megfelelően pl. sor kerül a vas(II) vegyületek oxidálására, tehát a klórgáz adagolása megkönnyíti, meggyorsítja a vastalanítás folyamatát.

Reakció az ammónium ionokkal NH4+ + HOCl  NH2Cl + HOH + H+ Ha a hipoklórossav feleslegben van, reakcióba lép a korábban képződött monoklór-aminnal, és diklór-amin képződik, mely a hipoklóros-sav további feleslege esetén triklór-aminná alakul. NH2Cl + HOCl  NHCl2 + HOH NHCl2 + HOCl  NCl3 + HOH

NH4+ + HOCl  NH2Cl + HOH + H+ NH2Cl + HOCl  NHCl2 + HOH NHCl2 + HOCl  NCl3 + HOH Forrás: Szekeres A., László B.

Törésponti klórozás Klór koncentráció Összes adagolt klór Összes aktív klór Töréspont Szabad klór Kötött klór 5 7,6 Cl2 : NH4-N tömegarány

A klór (valójában a hipoklóros-sav) az emberi tevékenység következtében a felszíni, vagy felszínalatti befogadókba jutott szerves szennyezőanyagok, valamint a természetes eredetű szerves anyagok egyes csoportjaival reakcióba léphet daganatos megbetegedést is okozó THM (trihalo-metán) vegyületek képződését eredményezve. Ezek legjellegzetesebb képviselője a kloroform (CHCl3). Meg kell azonban említeni a diklór-bróm-metánt (CHCl2Br) és a dibróm-klór metánt (CHClBr2) is, melyek lényegesen kisebb mennyiségben keletkeznek, mint a kloroform, de a klórozáskor mindig jelen vannak. A THM vegyületek képződésének elsősorban azokban a vizekben nagy a valószínűsége, melyek néhány mg/L koncentrációban természetes eredetű humin, fulvin, illetve lignin anyagokat tartalmaznak.

A vízbe fertőtlenítési céllal adagolt klór egyéb szerves anyagokkal, pl. az ipari szennyvizekkel kibocsátott fenolokkal, fenolszármazékokkal is reagál, a néhány μg/L koncentrációban már kellemetlen szagot okozó klór-fenolok képződése közben. A szerves anyagok és a vízbe adagolt klór reakciója során olyan klórozott szerves vegyületek is képződhetnek, melyek mutagén tulajdonsággal rendelkeznek, azaz a sejtekben az átöröklés folyamatát módosíthatják. A klórt, mint fertőtlenítőszert nagy körültekintéssel kell alkalmazni. A fertőtlenítésre kerülő víz minősége alapvetően befolyásolja, hogy milyen kockázati tényezővel alkalmazhatjuk a klórt. Elsősorban viszonylag nagy mennyiségű ammónium iont, illetve szerves anyagot tartalmazó vizek kezelésénél kell nagy figyelmet fordítani a fertőtlenítés körülményeire.

Klórozási melléktermékként keletkezik (hasonlóan a THM- hez) AOX (Adsorbable Organic Halogenids - Adszorbeálható Halogénezett Szerves Vegyületek) Bevezetés Klórozási melléktermékként keletkezik (hasonlóan a THM- hez) Mutagén, karcinogén Gyűjtőparaméter (szemben a THM-mel, ami jól definiált) Mérési nehézségek Határértékek: Európai Unió 98/86 (1998) ivóvizes direktíva – nincs előírás WHO Guidelines for Drinking-water Quality (2004) – nincs ajánlás 201/2001-es Kormányrendelet – nincs előírás (Forrás: László B.)

Nincs ugyan határérték, de a helyi ÁNTSZ előírhat ajánlott értéket Bevezetés Nincs ugyan határérték, de a helyi ÁNTSZ előírhat ajánlott értéket „a technológia során, a klórozási melléktermékként képződő AOX vegyületek mennyisége a tisztított vízben legalább az egészségügyi szempontból még tolerálható 50 µgCl/L-re csökkenjen. Az üzemelés során törekedni kell az egészségügyi kockázat szempontjából elfogadható 25 µgCl/L irányérték elérésére. -A képződő AOX vegyületek eltávolítása legalább 30%-os hatásfokot érjen el úgy, hogy a fenti érték folyamatosan biztosított legyen.” ÁNTSZ Dél-dunántúli Regionális Intézete

Nátrium-hypoklorit Jól ismert vegyület, csak oldat formájában használjuk, lúgos kémhatású. Leggyakrabban 9 %-os oldatként forgalmazzák. Adagolása egyszerű, biztonságos, jól szabályozható. Hosszú ideig a „klórozást” Na-hypoklorit adagolással valósították meg. A Na-hypoklorit vízbe adagolva gyorsan és jól disszociál a következők szerint: NaOCl  Na+ + OCl- A fertőtlenítést a hypoklorit (OCl-) anion biztosítja. A Na-hypoklorit disszociációja növeli a víz pH értékét, de ez a növekedés nem számottevő.

Klórmész Bizonytalan kémiai összetételű szürkésfehér szilárd anyag. Vízben mérsékelten oldódik. Ivóvízfertőtlenítésre ma már ritkán alkalmazzák. Ca(OCl)2  Ca2+ + 2OCl-

Klórdioxid A klórdioxid mint fertőtlenítőszer a hetvenes évek második felétől került a vízkezeléssel foglalkozó szakemberek érdeklődésének középpontjába. Ennek oka abban keresendő, hogy ez az anyag a vízben előforduló szerves vegyületekkel nem képez THM vegyületeket, és nem reagál az ammónium ionokkal sem. Klórdioxid jelenlétében azonban klórozott aromás vegyületek képződhetnek, és a fertőtlenítés során klorát, illetve klorit ionok képződnek. Közülük a klorit iont az ivóvízben egészségre ártalmas anyagnak minősítették mérgező hatása miatt. Ez az oka annak, hogy a WHO 1993-ban kiadott ajánlásában μg/L-ben határozta meg az ivóvízben maximálisan megengedhető klorit ion koncentrációt.

Klorit ionok az ivóvízbe csak klórdioxiddal megvalósított fertőtlenítés során kerülhetnek, tehát a klorit ionokra vonatkozó szabályozás egyúttal a maximálisan alkalmazható klórdioxid koncentrációra is utal. A klórdioxidot a felhasználás helyén kell előállítani, ugyanis nem célszerű szállítani robbanásveszélyessége miatt.

Klór-dioxid előállítása A klór-dioxidot a felhasználás helyszínén állítják elő nátrium-kloritból (NaClO2) A nátrium-kloritot savval reagáltatva klór-dioxid képződik a következő egyenlet szerint: 5 NaClO2 + 4 HCl  4 ClO2 + 5 NaCl + 2 H2O (forrás: Öllős, 1987; egyéb előaállítási módok: ld. Víztisztítás jegyzet)

A klórdioxid savas közegben nagyon erős oxidálószer, a ClO2/Cl- rendszer redox potenciálja lényegesen nagyobb mint a Cl2/2Cl- rendszeré. ClO2 + 5 e- + HOH  Cl- + 4OH- A vízkezelésre jellemző körülmények között a klórdioxid a következő reakció szerint oxidál: ClO2 + e-  ClO2- A ClO2/ClO2- rendszer redox potenciálja azonban lényegesen kisebb mint a Cl2/2Cl- rendszeré. A klórdioxid megközelítően 30 %-kal geyngébb oxidálószer a vízkezelésre jellemző körülmények között, mint a klór. Ennek megfelelően fertőtlenítő hatása is gyengébb.

Ózon alkalmazása az ivóvízkezelésben 1886 - fertőtlenítő hatás felismerése Kezdeti alkalmazások fertőtlenítés íz- és szaganyagok eltávolítása 1960 - új alkalmazások vas- és mangán eltávolítás színanyagok eltávolítása a koaguláció-flokkuláció hatékonyabbá tétele mikroszennyezők eltávolítása alga eltávolítás

Ózon Az ózon rendkívül erős oxidálószer, már kis koncentrációban is veszélyes az élő szervezetekre, beleértve a magasabbrendű élőlényeket, így az embert is. Előállítása a levegő oxigénjéből, vagy oxigén gázból történik nagyfeszültségű elektromos kisülések alkalmazásával: 3O2 + E  2O3 Az ózon rendkívül erős oxidáló hatása a felszabaduló nasscens oxigénnek köszönhető. O3  O2 + ,O’

Ha ez a nasscens oxigén nem talál oxidálandó anyagot, egy másik nasscens oxigénnel azonnal átalakul viszonylag gyenge oxidációs hatást kifejtő kétatomos oxigén-molekulává. ,O’ + ,O’  O2 Ezek a folyamatok az okai annak, hogy az ózon (vízbe adagolásától számítva) hosszú ideig nem tudja erőteljes oxidációs tulajdonságát kifejteni.

Az ózon fertőtlenítő hatása függ a víz aktuális pH értékétől. 8,0-nál nagyobb pH értékeken nagyon nagy reakcióképességű hidroxil- és szerves- gyökök képződhetnek a vízben ózon és szerves anyagok jelenlétében. Ezek a nagy reakcióképességű hidroxil- és szerves- gyökök katalizálják az ózon bomlását, és a szerves anyagok oxidációját, reprodukálva önmagukat. Enyhén savas közegben az ózon viszonylag lassan, de szelektív módon oxidál. A mikroorganizmusok elpusztítása szempontjából az enyhén savas közegben lejátszódó oxidáció a kedvezőbb. A vízkezelésre leggyakrabban alkalmazott pH tartományban (7,0 ≤ pH ≤ 8,0) viszont az ózon spontán bomlása és a szerves anyagok nem-szelektív oxidációja kerül előtérbe.

Láncreakciót kezdeményező anyagok Láncreakciót elősegítő anyagok Láncreakciót akadályozó anyagok

Oxidáció az OH gyökök által Oxidációs lehetőségek M Mox Oxidáció az ózon által O3 OH- M M’ox Oxidáció az OH gyökök által OH

terelőfalak  kedvezőbb hidraulika kontaktidő biztosítása ózon bevezetés

Ózondús gáz Ózonmentes víz Ózondús víz

Klóramin A mono-klóramin jelentős fertőtlenítő hatással rendelkezik, de a közvetlen mikroorganizmus pusztító képessége nem közelíti meg a korábban említett fertőtlenítőszerekét. Ez is az egyik oka annak, hogy a klórral történő fertőtlenítés jelentősen veszít hatékonyságából ammónium ionok jelenlétében, azaz a klóraminok képződése során. A mono-klóramin enyhe, de kellemesnek nem mondható szagot kölcsönöz a víznek. Fenntartó fertőtlenítésre jól felhasználható.

Ultraibolya sugárzás Meghatározott hullámhossz tartományban az ultraibolya sugárzás erős fertőtlenítő hatással rendelkezik. A fertőtlenítés hatékonysága nem függ a kezelésre kerülő víz pH értékétől. Az UV sugárzással történő fertőtlenítés során nem képződnek egészségre ártalmas melléktermékek, a kezelés hatékonyságát az ammónium, vagy egyéb ionok jelenléte nem befolyásolja.

fizikai úton hatástalanítja a mikroorganizmusokat UV sugárzás – fizikai úton hatástalanítja a mikroorganizmusokat DNS Nitrogén tartalmú szerves bázisok: adenin, timin, citozin, guanin (a bázissorrend határozza meg az információt) UV 253,7 nm T G A C KETTŐS KÖTÉS KIALAKULÁSA  SEJTOSZTÓDÁS GÁTLÁSA

Ultraibolya sugárzás Az ultraibolya sugárzás azonban csak néhány centiméteres vízrétegben tudja fertőtlenítő hatását a kívánt mértékben kifejteni. A sugárzás fertőtlenítő hatását csak a sugárzás időtartama alatt tudja kifejteni. Az ózonhoz és a klóraminhoz hasonlóan vezetékes ivóvíz- ellátásban fertőtlenítőszerként csak más anyagokkal kombinálva alkalmazható.

Korlátozott hatástalanítás Részleges áthatolás UV fény szóródás Árnyékolás Korlátozott hatástalanítás Teljes áthatolás UV lámpa

UV sugárzás – előnyök és hátrányok fizikai úton hatástalanítja a mikroorganizmusokat egészségre ártalmas fertőtlenítési melléktermékek nem keletkeznek rövid kontakt idő Hátrányok maradék fertőtlenítőszer hiánya vízminőség hatása a fertőtlenítés hatékonyságára vas, magnézium, kálcium lerakódás biofilm képződés fényelnyelés, részecskék hatása

Biofilm képződés Ózonnal kezelt Fertőtlenítés nélkül g/m2 belső csőfelület Ózonnal kezelt Fertőtlenítés nélkül UV sugárzással kezelt Klórral kezelt (Lund et al.)

Membrántechnológiák Megfelelő pórusméretű membránon (a pórusméret nanométer nagyságrendű!) nagy nyomás alkalmazásával az oldatokból kis méretű molekulák – vizes oldatokból értelemszerűen vízmolekulák – átpréselhetők a membránon, míg a nagy molekulák (azaz az oldott anyagok) eredeti helyükön maradnak. Ezzel az eljárással lényegében molekula-szeparáció biztosítható. Tekintettel arra, hogy a mikroorganizmusok mérete lényegesen meghaladja az oldott anyagok molekuláinak méretét, a membrántechnológiák a molekula-szeparáció mellett a mikroorganizmusokat is eredeti helyükön tartják, azaz nem jutnak át a tisztított vízzel a membránon.

Egyéb eljárások Ezüst – házi víztisztítók KMnO4 H2O2