ODNOWA WODY

Wykład 11

DEZYNFEKCJA �CIEKÓW

Drogi rozprzestrzeniania si� chorób pochodzenia ‘wodnego’

�CIEKI

WODA GLEBA

CZŁOWIEK WODA WARZYWA

CZŁOWIEK

1. Organizmy chorobotwórcze w wodach powierzchniowych i podziemnych

a) saprobowe

b) patogenne— wirusy— bakterie (spory)— pierwotniaki (cysty)— robaki (jaja)— grzyby

Mikroorganizmy. Podział na grupy

Nale�y wybra� kryterium podziału

1. stopie� zorganizowania: wirusy, bakterie, pierwotniaki, grzyby, robaki

2. faza rozwoju: stadium przetrwalnikowe, stadium fizjologicznie aktywne

3. pochodzenie: alochtoniczne, autochtoniczne

4. szkodliwo��: patogenne (chorobotwórcze), saprobowe

5. sposób pozyskiwania energii: autotrofy, heterotrofy (zwi�zki organiczne, zwi�zki nieorganiczne)

2. Główne gatunki mikro-organizmów chorobotwórczych przenoszonych przez wod�

Organizm typ Infekcja/chorobaSalmonella typhi bakteria dur brzusznyShigella bakteria czerwonka

dysenteruaeLegionnella bakteria choroba legionistówPolio wirus choroba

Heinego-MedinaCoxackie A wirus zapalenie

opon mózgowychHepatitis A wirus zapalenie w�trobyEntamoeba wiciowce zespół

histotylica w�trobowo-trzustkowyCryptosporidium kokcydia zespół dwunastnicy

parvum

Choroby zaka�ne przenoszone drog�‘wodn�’

MIKROORGANIZMY CHOROBYWIRUSY-zapalenia w�troby A - zaka�ne zapalenie w�troby-ECHO - letnie’przezi�bienia’i biegunki dzieci

zapal.spojówek, zaka�enia jelit-Coxackie - zapalenie opon mózgowych, zapalenie

mi��nia sercowego i ukł.oddechowegoBAKTERIE-Singella - czerwonka bakteryjna-Salmonella - zatrucia pokarmowe, dur brzuszny-Vibrio - cholera-Bacillus anthracis - w�glik-Mycobacterium tuberculosis - gru�lica

Choroby zaka�ne przenoszone drog�‘wodn�’-cd.

BAKTERIE cd.-Lertispira -�ółtaczka zaka�na-Proteus -zaka�enie układu moczowego, zapal.

płuc, zatrucia pokarmowe, biegunki-Legionella - zapalenie płuc, legionelozaPIERWOTNIAKI -Giardia Lambdia - lamblioza-Entamoeba histolytica - czerwonka pełzakowa-Cryptosporidium - zapalenie błony �luzowej �oł�dkaROBAKI-Przywry(urz�sione larwy) -przetoki p�cherzowe, marsko�� w�troby-Glisda ludzka -nudno�ci, wymioty

MIKROORGANIZMY CHOROBY

3. Mikrobiologiczne badanie czysto�ci wód

3.1. Organizmy wska�nikowe

— Escherchia coli (CC)— Streptococus faecalis (SC)— iloraz CC/SC

1.

2.3. 4.

9. Place all three Petri dishes upside down in anincubator maintained at 44°C (± 0.5°C).10. After incubation for 24 h, count the number ofyellow colonies, irrespective of size, on each of thethree membrane filters (Fig. 23). (Faecal coliformbacteria produce acid from the lactose in membranelauryl sulfate broth, and the acid changes the colourof the phenol red pH-indicator to yellow.) Calculatethe mean of these three colony counts; since thesecounts are for 5 ml (the volume of sample filtered),multiply this figure by 20 to obtain the faecal coliform

count per 100 ml.Fig. 23. After incubation at 44°C for 24 h, the yellowcolonies on the membrane filter are counted. Here, the number of colonies was 40; this is the countper 5 ml (the volume filtered), so the correspondingfaecal coliform count per 100 ml is 800.

Most published methods that involve the use of centrifuges quote centrifuge speed in termsof relative centrifugal force. However, in some papers, speed is expressed in revolutionsper minute (rpm). To convert rpm to force, the following formula is used:RCF = r(rpm)2/kwhere RCF = relative centrifugal force (g),r = radius of the centrifuge from the spindle to the centre of the bucket (cm), k = 89 456.

To convert force to rpm:rpm = (k RCF r)1/2

Category

Reuse conditions Exposedgroup

Intestinalnematodesb

(arithmeticmean no. of

eggs per litrec)

Faecalconforms(geometric

mean no. per 100 mlc)

Wastewater treatment expectedto achievethe required microbiological quality

A Irrigation of crops likely to beeaten uncooked, sports fields, public parks

Workers, consumers,public

≤1 ≤1000d A series of stabilization ponds designed to achievethe microbiological quality indicated, or equivalenttreatment

Dopuszczalne ska�enie sanitarne osadów �ciekowych

12

34

56

Ska�enie sanitarne osadów �ciekowych

Plate I. Ascaris lumbricoides

Plate II. Ascaris lumbricoides (infertile)

1 2

Oznaczanie NPL E.coli

3.2. Wska�niki

— wska�nik coli (CC/100 cm3)— najbardziej prawdopodobna liczba

bakterii grupy coli (NPL – CC/100 cm3)— miano coli (najmniejsza obj�to��

zawieraj�ca przynajmniej jedn�komórk� bakterii grupy coli)

Miano coli =100

wska�nik coli

= 100NPL

4. Zanieczyszczenie wód mikroorganizmami chorobotwórczymi

— wody powierzchniowe— k�pieliska i pla�e— wody gruntowe— ryby

5. Usuwanie mikroorganizmów patogennych

5.1. Czynniki �rodowiskowe

— zawiesina

— �wiatło słoneczne— zasolenie— współzawodnictwo— temperatura i zasoby pokarmowe

5.2. Metody eliminacji organizmówpatogennych

a) metody chemiczne, fizyczne

b) dezynfekcja, sterylizacja

c) wska�niki eliminacji

d) metody chemiczne— Cl2

— ClO2— O3

e) metody fizyczne— uv— ultrad�wi�ki

f) kombinacyjne

Spadek wska�nika ‘Indeks Coli’ w procesie oczyszczania �cieków i odnowy wody

Ow Ocz Sw Fil Dez

lgCC7

5

3

1

0

�m Wod

Etap oczyszczania

Dezynfekcja - podział metod

Mikroorganizmy zbudowane s� z komórek, a te z organelli, a tewreszcie z zwi�zków organicznych (np. białka, kwasy nukleinowe). Zatem zjawiska prowadz�ce do modyfikacji zwi�zków organicznych b�d� niszczyły mikroorganizmy.

Metody niszczenia mikroorganizmów w technologii wody dzielimy:1. Fizyczne (temp.,promieniowanie, cedzenie, u-d�wi�ki)2. Chemiczne (utlenianie, głównie Cl2, 03)

Fizyczne metody dezynfekcji

1. Gotowanie i pasteryzacja

2. Promieniowanie uv, γγγγ, µµµµ-fale

3. Ultrad�wi�ki

4. Cedzenie (ultrafiltracja, odwrócona osmoza)

Ultrad�wi�ki

- generator elektromagnetyczny- kwarcowe płytki piezoelektryczne

Mechaniczne ni-szczenie �cianykomórkowej na skutek kawitacji

Uwarunkowania skuteczno�ci:1. Nat��enie d�wi�ku2. Cz�stotliwo��3. Czas działania4. Rodzaj i liczba

mikroorganizmów W/m2 v(kHz)1 20

10 200200 500

50000 3000

Ultrad�wi�ki

1. Mechanizm działania– zjawisko kawitacji– powoduj� niszczenie (mechaniczne) �ciany komórkowej

2. Czynniki warunkuj�ce skuteczno��

– cz�stotliwo��– czas działania– nat��enie– rodzaj i liczba mikroorganizmów

Ultrafiltracja

1. Rozmiary mikroorganizmów (formy przetrwalnikowe ?)

a) Robaki – mm - 100 µµµµmb) Grzyby – mm - 10 µµµµmc) Pierwotniaki – 100 µµµµm - 10 µµµµmd) Bakterie – 10 µµµµm - 1 µµµµme) Wirusy – 0,1 µµµµm - 0,01 µµµµm

2. Filtracja / Ultrafiltracja / 00

a) filtracja – 1 µµµµmb) ultrafiltracja – 0.01 µµµµmc) OO – 0.001 µµµµm

2.2. Składniki wód w przyrodzie

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg ΦΦ (µm)

10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 102 103

krzemionkaglonycystybakterie

minerały ilaste

kwasy fulwowe

kwasy huminowe

wirusyj.pr. j.zło�one

k zr k

3. Rozmiary składników wód

J. nieorg.Makrocz�st.KoloidyZawiesinyWirusyBakterieGlonyPierwotniaki

OkoMikroskop opt.Mikroskop elek.

FiltracjaFilt. Membr,µµµµ-filtu-Filtrn-FiltrOOsmoza

10-4 -3 -2 -11

1 2 30φ φ φ φ (µµµµm)

2.3. Metody fizyczne rozdzielania

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg ΦΦ (µm)

10-6 10-5 10-4 10-3 0.01 0.1 1 10 102 103

Φfiltry

n u µ cedzenie

Φ,ςfiltracja

u-wir. wirow. sedymentacjaRO

ED

Destyl.

D

T, Rozp.

ρ

ZANIECZYSZCZENIA MECHANICZNE-podział metod usuwania

przegrody

-kraty-sita-µ-sita-przegrody-membrany

zło�a porowate

-jednowarstwowe-wielowarstwowe

-powolne-szybkie

-ci�głe-okresowe(płukane)

-od�elazianie-wymiana jonowa-adsorpcja

zło�a namywane

-µ-filtracja-u-filtracja-n-filtracja-oo (RO)

-liczba warstw

-szybko�c filtracji

-ciagło�� pracy

-specjalne

-perforowane

-siatkowe

Sedymentacja/Flotacja Filtracja

PROMIENIOWANIE ELEKTOMAGNETYCZNE

0,8 < λ < 1,5 µm (promieniowanie podczerwone)0,4 < λ < 0,8 µm (promieniowanie widzialne)0,1 < λ < 0,4 µm (promieniowanie nadfioletowe - uv)

� h E ⋅=E - energia (wła�ciwo�ci)h - stała Plancka

- cz�sto���

1 � =

Energia kwantu promieniowania

Promieniowanie uv

280 315 400 υ(nm)

C B A zakres uv

Int.uv

265 350 λ(nm)

Abs DNALampy uv

-niskoci�. �rednioci�

Czynniki warunkuj�ce efektywno��działania promieniowania uv

— nat��enie

— długo�� fali

— czas

— skład �cieków (barwa, zawiesina)

— jako�� i ilo��mikroorganizmów

Praktyka dezynfekcji uv

a) �ródła promieniowania - lampy rt�ciowe— wysokoci�nieniowe— niskoci�nieniowe

b) umiejscowienie lamp

D = I · tD - dawkaI - nat��eniet - czas

2msW

250 D⋅>

2mW

10 I

s 30 t

≅

≅

ABSORPCJA �WIATŁA

x - droga optycznaa - liniowy współczynnik absorpcjiI - nat��enie promieniowania po przej�ciu

przez warstw� roztworu o grubo�ci xI - nat��enie promieniowania padaj�cego

ax-

0

e II =

T II

0

=

ax- Tln =

ax 0,4343 T1

lg A ==T - transmisja (przepuszczalno��)

- absorbancja (pochłanianie)

0,4343 a - współczynnik absorbancji(współczynnik ekstynkcji)

T1

lg

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,2x 0,4x 0,6x 0,8x 1,0x

A a1 > a2a2 > a’2

A1 = f(x) dla λλλλ1

A’1 = f(x) dla λλλλ2

A2 = f(x) dla λλλλ2

ZALENO�ABSORBANCJI OD x, a

ax 0,4343 T1

lg A ==

WŁA�CIWY WSPÓŁCZYNNIK ABSORBANCJI

c-a'e T ⋅=T - transmisjac - st��eniea’ - ?

( )-axe T =

x-a"ce T ⋅=

cxa" 0,4343 A T1

lg ==

0,4343a’’ - wła�ciwy współczynnik absoorbancjiA - ?

Metody chemiczne

-dodanie do �cieków substancji powoduj�cych dezynfekcj�

Szybko�� dezynfekcji

( )NK dtdy = y - l. org. zniszczonych

N0 - pocz�tkowa liczbaN - ko�cowa liczba

tc K n ⋅= K - współcz. skut. dezynfekcjit - czasn - stała = f (w,d,o) ≅≅≅≅

Kt-

O

c N N =

— kinetyka dezynfekcji

No,t – liczba mikroorganizmów

t – czask – współczynnik

szybko�ci

— zale�no�� od st��enia

tc k' k n ⋅⋅= k’ – stała proporcjonalno�cin – współczynnik

rozcieczeniat – czas niezb�dny dla

usuni�cia 99% populacji

-kt0t eN N ⋅=

Szybko�� dezynfekcji (c.d.)

Dezynfektant Warto�� cn

E.coli (b) Polio (w) Entamaeba (c)

O3 2300 920 3,1

HOCl 120 5 0,2

ClO2 16 2,5 -

OCl- 5 0,5 -

NHCl2 1 0,01 -

Metody chemiczne dezynfekcji– dodawanie do wody silnych utleniaczy

En

O3 ClO2 Cl2 Br2 NH2Cl> > > >

O2 Cl- Cl- Cl-Br-

2,07 1,91 1,36 1,09 0.23

– En wskazuje na zdolno�� utleniania innych zwi�zków

– zdolno�� bakteriobójcza zale�y od zdolno�ci przenikania do komórki i od stabilno�ci

Schemat instalacji do ozono-wania �cieków, 1-filtr do odp.powietrza, 2-spr��arka, 3-chło-dnica powietrza, 4-osuszaniepowietrza, 5-w�zownica chło.,6-ozonator, 7-dopływ wodychłodz�cej, 8-transformator, 9-reaktor, 10-przewody perf.,11-dopływ �cieków, 12-komo-ra boczna, 13-odpływ scieków,14-odpr.powietrza

Ozonator rurowy, 1-rura stalowa, 2-rura szklana, 3-elektrody wysokiego napiecia,4-dopływ powietrza do ozonatora, 5-odpływ ozonu, 6-dopływ wody chłodz�cej,7-odpływ wody chłodzacej, 8-transformator, 9-przestrze wyładowa elektrycznych

Chlorowanie - Reakcje chemiczneReakcja Cl2 w wodzie (dysproporcjonowanie)

Cl2 + H2O H+ + HOCl + Cl-

H+ + OCl-

Chlorowanie - Reakcje chemiczneReakcja Cl2 w wodzie (dysproporcjonowanie)

Cl2 + H2O H+ + HOCl + Cl-

H+ + OCl-HClO100%

20

40

60

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9

OCl -

HOCl

Cl2

Cl2 - nieskuteczny OCl - nieskuteczny

80 )(ClO K

(HClO) K- =

Skuteczny

Chlorowanie - Reakcje chemiczne

Reakcje w obecno�ci NH4+

NH4+ + HOCl

NHCl2 + H2ONH2Cl + HOClNH2Cl + H2O + H+

NCl3 + H2ONHCl2 + HOCl2NCl3 + 9Cl2 N2 + 24Cl -

Reakcje w obecno�ci reduktorów

HOCl + 2Fe2+ + H+

HOCl + C6H5OH2Fe3+ + Cl - + H2OClC6H4OH + H2O

Chlor pozostałyChlor pozost.(g Cl2/m3)

86

1

2

3

42 (g Cl2/m3)

woda destylowana

woda destylowana+ reduktory

woda destylowana+ reduktory+ amoniak

A - niezwłoczne zu�ycie chloruB - tworzenie chloraminC - degradacja chloramin

CBA

1.

2.

3.

Krzywa 1.

Fe2+; C 6H 5O

H

NHCl2’ NH2Cl

Uproszczony schemat zestawu do chlorowania �cieków: 1-woda, 2-butla z chlorem,3-�cieki, 4-in�ektor, 5-reduktor, 6-zbiornik wyrównawczy, 7-rotametr, 8-manometr,9-przewód wody chlorowanej

Zastosowanie ClO2

– historia

– zalety: bakteriobójczy, niereaktywnya) amoniakb) fenolec) zwi�zki organiczne

– wadya) wybuchowyb) chlorany i chloryny

Schemat instalacji do otrzymywania dwutlenku chloru metod� chloryn/kwas solny

�cieki

6. Zanieczyszczenia organiczne w �ciekach

— wska�niki: BZT5, ChZTCr, ChZTMn, OWO

— ilorazy wska�ników

7. Mikroflora w układach chłodniczych

a) typy mikroorganizmów— bakterie: siarkowe, �elaziste— glony: zielenice, sinice

b) dezynfekcja— utleniacze— metale ci��kie— biocydy organiczne

Nowe metody dezynfekcji

1. M.d. stosowane dotychczas maj� wody

– Cl2

– UV

Nowe metody dezynfekcji (c.d.)

2. Nowe czynniki chemiczne

– PAAO

CH3 — CO-O-H

• nieszkodliwy• degradowalny• bardzo silny utleniacz• w Europie - testy

– biocydy• zwi�zki cynoorganiczne• atracyny

Dezynfekcja - zakres

1.Definicja2.Mikroorganizmy- podział,-w �rodowisku3.D-m.fizyczne4.D-m.chemiczne5.D-opis matematyczny6.Biocydy

Advantages over competitive mercury low pressure and medium pressure UV lamps:• High intensity UV lamp with 3 - 4 times more UV-C output than standard low-pressure lamps • Fewer lamps required to disinfect a given flow • Smaller equipment size • Better penetration of fluids by UV light • Lower overall capital, maintenance, and lamp replacement costs• Higher operating efficiency versus medium pressure lamps • Lower operating costs due to decreased overall power consumption • No production of by-products in the water because of narrow UV output spectrum • Higher UV-C output stability with varying water temperature (see graph) • No loss in performance in high temp. liquid disinfection applications (sugar syrup solutions) • Unaffected by seasonal water temperature changes (drinking water) • Longer lamp lifetime • Up to 25% longer guaranteed lifetime than other low-pressure lamps • Up to 100% longer guaranteed lifetime than medium pressure lamps • No danger for environment • No liquid mercury inside SPEKTROTHERM lamp • No pollution to the environment in case of lamp breakage (solid mercury can easily be collected in contrast to liquid mercury)The WEDECO SPEKTROTHERM lamp exhibits a slower aging characteristic than competitive lamps and therefore has a guaranteed design life of 12,000 hours (this guarantee is on a pro-rated basis, the expected lamp life is approx. 15,000 hours). The longer lamp life results in lower overall operating costs for the system due to the lower lamp replacement and consequent maintenance labor costs.

Water Treatment Plant Assessments

Parameters

Raw Water:

turbidity, pH, alkalinity, coliforms, major ions,

nutrients, known problem substances

Coagulation-flocculation-settling:

turbidity, pH, residual aluminum, residual

acrylamide, coliforms

Prefiltration:

turbidity, pH, coliforms

Sand filtration (rapid/slow):

turbidity, pH, coliforms

Disinfection:

residual (usually chlorine), pH, turbidity, coliforms

(thermotolerant and total)