Wykład 11

O ^DNOWA W ^ODY

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/choroba

Salmonella typhi bakteria dur brzuszny Shigella bakteria czerwonka

dysenteruae

Legionnella bakteria choroba legionistów

Polio wirus choroba

Heinego-Medina Coxackie A wirus zapalenie

opon mózgowych Hepatitis A wirus zapalenie w troby

Entamoeba wiciowce zespół

histotylica w trobowo-trzustkowy Cryptosporidium kokcydia zespół dwunastnicy

parvum

Choroby zaka ne przenoszone drog

‘wodn ’

MIKROORGANIZMY CHOROBY

WIRUSY

-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.oddechowego BAKTERIE

-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, legioneloza

PIERWOTNIAKI

-Giardia Lambdia - lamblioza

-Entamoeba histolytica - czerwonka pełzakowa

-Cryptosporidium - zapalenie błony luzowej oł dka ROBAKI

-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 an incubator maintained at 44°C (± 0.5°C).

10. After incubation for 24 h, count the number of yellow colonies, irrespective of size, on each of the three membrane filters (Fig. 23). (Faecal coliform bacteria produce acid from the lactose in membrane lauryl sulfate broth, and the acid changes the colour of the phenol red pH-indicator to yellow.) Calculate the mean of these three colony counts; since these counts 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 yellow colonies on the membrane filter are counted. Here, the number of colonies was 40; this is the count per 5 ml (the volume filtered), so the corresponding faecal coliform count per 100 ml is 800.

Most published methods that involve the use of centrifuges quote centrifuge speed in terms of relative centrifugal force. However, in some papers, speed is expressed in revolutions per minute (rpm). To convert rpm to force, the following formula is used:

RCF = r(rpm)²/k

where 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

Cate gory

Reuse conditions Exposed

group Intestinal nematodes^b

(arithmetic mean no. of eggs per litre^c)

Faecal conforms (geometric mean no. per

100 ml^c)

Wastewater treatment expected to achieve

the required microbiological quality

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

Workers, consumers ,

public

≤1 ≤1000^d A series of stabilization ponds designed to achieve

the microbiological quality indicated, or equivalent treatment

Dopuszczalne ska enie sanitarne osadów ciekowych

1 2

3 4

5

6

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 cm

)

— najbardziej prawdopodobna liczba

bakterii grupy coli (NPL – CC/100 cm

)

— miano coli (najmniejsza obj to zawieraj ca przynajmniej jedn komórk bakterii grupy coli

Miano coli = 100

wska nik coli

= 100

NPL

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 organizmów patogennych

a) metody chemiczne, fizyczne b) dezynfekcja, sterylizacja

c) wska niki eliminacji

d) metody chemiczne

— Cl

— ClO

— O

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

lgCC 7 5 3 1 0

m Wod

Etap oczyszczania

Dezynfekcja - podział metod

Mikroorganizmy zbudowane s z komórek, a te z organelli, a te wreszcie 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 ciany komórkowej na skutek kawitacji

Uwarunkowania skuteczno ci:

1. Nat enie d wi ku 2. Cz stotliwo

3. Czas działania 4. Rodzaj i liczba

mikroorganizmów W/m² v(kHz)

1 20 10 200 200 500 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 µµµµm

b) Grzyby – mm - 10 µµµµm

c) Pierwotniaki – 100 µµµµm - 10 µµµµm d) Bakterie – 10 µµµµm - 1 µµµµm e) Wirusy – 0,1 µµµµm - 0,01 µµµµm 2. Filtracja / Ultrafiltracja / 00

a) filtracja – 1 µµµµm b) ultrafiltracja – 0.01 µµµµm c) OO – 0.001 µµµµm

2.2. Składniki wód w przyrodzie

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

krzemionka glony

cysty bakterie

minerały ilaste kwasy

fulwowe kwasy huminowe wirusy

j.pr. j.zło one

k z

r k

3. Rozmiary składników wód

J. nieorg.

Makrocz st.

Koloidy Zawiesiny Wirusy Bakterie Glony

Pierwotniaki OkoMikroskop opt.

Mikroskop elek.

Filtracja

Filt. Membr,µµµµ-filt u-Filtr

n-Filtr OOsmoza

10^{-4 -3 -2 -1} 1^{0 1 2 3}

φ φ φ

φ (µµµµm)

2.3. Metody fizyczne rozdzielania

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 lg Φ Φ (µm) 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 0.01 0.1 1 10 10² 10³

filtry

Φ

n u µ cedzenie

Φ,ς

filtracja u-wir. wirow. sedymentacja RO

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 DNA

Lampy 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 · t

m

s 250 W

D > ⋅

m

10 W I

s 30 t

≅

≅

A BSORPCJA WIATŁA

x - droga optyczna

a - liniowy współczynnik absorpcji

I - nat enie promieniowania po przej ciu przez warstw roztworu o grubo ci x I - nat enie promieniowania padaj cego

ax - 0

I I = e

I T I

0

=

ax - T

ln =

ax 0,4343 T

lg 1

A = =

T - transmisja (przepuszczalno ) - absorbancja (pochłanianie) 0,4343 a - współczynnik absorbancji

(współczynnik ekstynkcji)

T lg 1

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

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

A a₁ > a₂ a₂ > a’₂

A₁ = f(x) dla λλλλ₁

A’₁ = f(x) dla λλλλ₂ A₂ = f(x) dla λλλλ₂ ZALE NO ABSORBANCJI OD x, a

ax 0,4343 T

lg 1

A = =

W ŁA CIWY W SPÓŁCZYNNIK A BSORBANCJI

c

e

T =

T - transmisja c - st enie a’ - ?

( ^{T = e}

)

x -a"c

e

T =

cx a"

0,4343

A

T

lg 1 = =

0,4343a’’ - wła ciwy współczynnik absoorbancji A - ?

Metody chemiczne

-dodanie do cieków substancji powoduj cych

dezynfekcj

Szybko dezynfekcji

( ) ^N

dt K

dy =

N₀ - pocz tkowa liczba N - ko cowa liczba

t c

K =

⋅

n - stała = f (w,d,o) ≅≅≅≅

Kt - O

N N = c

— kinetyka dezynfekcji

N

– liczba

mikroorganizmów t – czas

k – współczynnik szybko ci

— zale no od st enia

t c

k'

k = ⋅ ⁿ ⋅ k’ – stała proporcjonalno ci n – współczynnik

rozcie czenia

t – czas niezb dny dla

usuni cia 99% populacji

0 -kt

t N e

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

E_n

O₃ > ClO₂ > Cl₂ > Br₂ > NH₂Cl

O₂ Cl^- Cl^- Br^- Cl^-

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-osuszanie powietrza, 5-w zownica chło., 6-ozonator, 7-dopływ wody chłodz 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 chemiczne

Reakcja Cl₂ w wodzie (dysproporcjonowanie)

Cl

+ H

O H

+ HOCl + Cl

H

+ OCl

Chlorowanie - Reakcje chemiczne

Reakcja Cl₂ w wodzie (dysproporcjonowanie)

Cl₂ + H₂O H⁺ + HOCl + Cl^- H⁺ + OCl^-

HClO 100%

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 + H₂O NH₂Cl + HOCl

NH₂Cl + H₂O + H⁺ NCl₃ + H₂O

NHCl₂ + HOCl

2NCl₃ + 9Cl₂ N₂ + 24Cl ^- Reakcje w obecno ci reduktorów

HOCl + 2Fe²⁺ + H⁺

HOCl + C₆H₅OH 2Fe³⁺ + Cl ^- + H₂O ClC₆H₄OH + H₂O

Chlor pozostały

Chlor pozost.

(g Cl₂/m³)

8 6

1 2 3

4

2 (g Cl₂/m³)

woda

destylowana woda

destylowana + reduktory woda

destylowana + reduktory + amoniak

A - niezwłoczne zu ycie chloru B - tworzenie chloramin

C - degradacja chloramin

C A B

1.

2.

3.

Krzywa 1.

Fe^2+;C⁶H⁵OH

NHCl^2’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 ClO

– historia

– zalety: bakteriobójczy, niereaktywny a) amoniak

b) fenole

c) zwi zki organiczne – wady

a) wybuchowy

b) chlorany i chloryny

Schemat instalacji do otrzymywania dwutlenku chloru metod chloryn/kwas solny

cieki

6. Zanieczyszczenia organiczne w ciekach

— wska niki: BZT

, ChZT

, ChZT

, 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 – PAA

CH₃ — C O

O-O-H

• nieszkodliwy

• degradowalny

• bardzo silny utleniacz

• w Europie - testy

– biocydy

• zwi zki cynoorganiczne

• atracyny

Dezynfekcja - zakres

1.Definicja

2.Mikroorganizmy- podział,-w rodowisku 3.D-m.fizyczne

4.D-m.chemiczne

5.D-opis matematyczny

6.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)