FERTŐTLENÍTÉS

Cryptosporidium parvum Fertőtlenítés Célja: vízben élő patogének számának csökkentése baktériumok, vírusok, protozoák Cryptosporidium parvum Vibrio Cholerae Giardia lamblia

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.

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 szaghatást okozó klór-fenolok képződésére kerül sor

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.

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

Törésponti klórozás Összes adagolt klór Aktív klór koncentráció Szabad klór Kötött klór 5 7,6 Cl2 : N arány

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.

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.

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 gyengébb oxidálószer a vízkezelésre jellemző körülmények között, mint a klór. Ennek megfelelően fertőtlenítő hatása is gyengébb.

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

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.

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

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.

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