ow 12 dezynfekcja - institute of oceanology polish academy...
TRANSCRIPT
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)