Środki i metody dezynfekcji– mechanizmy działania 29/10/2007 - Fulda Dezynfekcja Wody Przeznaczonej do Spożycia i Urządzeń do jej Uzdatniania Środki i metody dezynfekcji– mechanizmy działania Dr inż. Burkhard Wricke E-mail: wricke@tzw-dresden.de

Punkty prezentacji Wymogi podstawowe Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych - Chlor i podchloryn - Dwutlenek chloru - Ozon Dezynfekcja promieniami UV Zakres zastosowania środków i metod dezynfekcji

Wymogi podstawowe Cel dezynfekcji Zmniejszenie liczby lub inaktywacja organizmów chorobotwórczych (wirusów, bakterii i pasożytów) oraz mikroorganizmów niespecyficznych (niechorobotwórczych)

Czynniki wpływające na skuteczność dezynfekcji: Wymogi podstawowe Czynniki wpływające na skuteczność dezynfekcji: Odporność mikroorganizmów Rodzaj środka lub metody dezynfekcji Stężenie substancji dezynfekującej Czas działania środka dezynfekującego

Wymogi podstawowe Inaktywacja E.coli (ATCC 11229) za pomocą poszczególnych środków dezynfekujących (Hoff i Geldreich 1980, z Brunnera 1992)

(Brunner 1992) Wymogi podstawowe Inaktywacja poszczególnych mikroorganizmów za pomocą ozonu (Brunner 1992)

Wymogi podstawowe Koncepcja: c x t

Wymogi podstawowe Wartości c x t dla redukcji mikroorganizmów o 99 % za pomocą ozonu; (Wartości c x t zostały podane w mg x min/l) [z 3]

Wymogi podstawowe Stopień przeżywalności E.coli przy ozonowaniu (0,4 mgO3/l po 10 min) w zależności od zawartości ciał stałych w wodzie (po [4])

Warunki dla zapewnienia dezynfekcji: Wymogi podstawowe Warunki dla zapewnienia dezynfekcji: Możliwie jak najmniejsza liczba cząstek stałych w wodzie Odpowiedni czas działania środka dezynfekującego lub promieniowania UV Zapewnienie wymaganej dawki

Wymogi podstawowe Wymogi w zakresie środków i metod dezynfekcji (fragment) Lit: Federalne Pismo Zdrowotne - 8 (2007) S. 1105 – 1107 Składniki środków dezynfekujących muszą być znane. Skuteczność dezynfekcji musi być co najmniej taka sama jak dotychczasowo dozwolonych środków. Utrzymanie warunków koniecznych dla skutecznej dezynfekcji musi podlegać kontroli. Odpowiednie produkty reakcji oraz zanieczyszczenia muszą zostać zidentyfikowane.

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych Mechanizmy działania utleniania w dezynfekcji chemicznej Nieodwracalne zmiany płaszcza zewnętrznego oraz Rozbicie wewnętrznych struktur komórkowych białek i kwasów nukleinowych

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych Lista substancji oraz metod dezynfekcji na podstawie § 11 Rozporządzenia ws. Wody do Spożycia z 2001r., Cz. III dopuszczone chemiczne środki dezynfekcyjne, Pkt. c Środki do uzdatniania wody Wyjątek: w przypadku braku możliwości zapewnienia dezynfekcji lub gdy na skuteczność dezynfekcji czasowo wpływa obecność amoniaku 2) Wymóg usunięcia z listy

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych Lista substancji oraz metod dezynfekcji na podstawie § 11 Rozporządzenia ws. Wody do Spożycia z 2001r – dopuszczone metody chemicznej dezynfekcji 1) W stosowaniu metod dezynfekcji wody powierzchniowej lub wody, na którą może wpływać woda powierzchniowa, należy mieć na uwadze oderwanie cząsteczek. W procesie tym wartości mętności nie mogą przekraczać 0,1 - 0,2 FNU –(formalnie wskazane przez UBA w 1997r.).

Technika stosowania chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Technika stosowania chloru Dozowanie chloru (DIN EN 937, W623) Dozowanie podchlorynu sodu (DIN EN 901, W623) Dozowanie podchlorynu wapnia (DIN EN 900, W623) Przetwarzanie elektrolityczne i dozowanie chloru gazowego, roztworów chloru i roztworów podchlorynu sodu (W229, W623)

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Urządzenie dozujące podchloryn sodu wraz z pompą dozującą Natriumhypochlorit mit Dosier-pumpe

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Urządzenie dozujące, regulujące i mierzące podawanie chloru gazowego w stacji uzdatniania wody (w: Roeske, Wallace i Tiernan (1992))

Komora elektrolityczna Elektroliza membranowa Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Przetwarzanie elektrolityczne i dozowanie chloru gazowego, roztworów chloru i roztworów podchlorynu sodu Komora elektrolityczna Elektroliza membranowa Podchlorynu sodu Kwasu solnego

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Zasada działania urządzania do otrzymywania chloru metodą elektrolizy w elektrolizerze jednokomorowym

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Zasada działania urządzania do otrzymywania chloru metodą elektrolizy w dzielonym elektrolizerze membranowym przy użyciu podchlorynu sodu oraz alkalicznego roztworu chlorku sodu

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Zasada działania urządzania do otrzymywania chloru metodą elektrolizy w dzielonym elektrolizerze membranowym kwasem solnym

Wymogi przy zastosowaniu metody elektrolizy na miejscu Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Wymogi przy zastosowaniu metody elektrolizy na miejscu Wytwarzanie stosowanych substancji chemicznych (NaCl, HCl) musi spełniać odpowiednie normy (DIN EN 14805 lub DIN EN 973). Substancje przeciwzbrylające w NaCl mogą prowadzić do zakłóceń. Produkowane substancje chemiczne (chlor, podchloryn) muszą spełniać odpowiednie normy (DIN EN 937 lub DIN EN 901). Producent urządzenia musi wykazać, że wyprodukowany roztwór dozowany spełnia odpowiednie wymogi. Produkcja wodnego roztworu NaCl z roztworów NaCl- wymaga zastosowania dejonizowanej lub zmiękczonej wody. Wymagane jest regularne mycie elektrod.

Stężenia roztworów dozowanych Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Stężenia roztworów dozowanych dostępny na rynku roztwór podchlorynu sodu 150 g/l chloru wolnego Elektrolizer membranowy1) 20 – 30 g/l chloru wolnego Elektrolizer jednokomorowy 5 – 8 g/l chloru wolnego 1) przy użyciu rozcieńczonego kwasu solnego lub roztworu podchlorynu sodu - ok. 1g /l

Reakcje chloru przy podawaniu do wody Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Reakcje chloru przy podawaniu do wody

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Cl2-HClO-ClO- Równowaga w wodzie przy wprowadzeniu Cl2 z [Cl-] = 1mval/l (w: Axt 1970)

Reakcje chloru z amoniakiem Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Reakcje chloru z amoniakiem NH4+ + HOCl NH2Cl + H2O NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O NHCl + HOCl NCl3 + H2O

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Schemat: Punkt przełomowy chlorowania

Prekursorzy i produkty reakcji chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Prekursorzy i produkty reakcji chloru

Czynniki wpływające na powstawanie haloformów Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Czynniki wpływające na powstawanie haloformów stężenie i rodzaj prekursorów wartość pH temperatura stężenie bromków

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Minimalna zawartość THM-ów po 24 godzinach w wybranych stacjach uzdatniania wody

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Przykład powstawania trihalogenometanów w zależności od dawki chloru i czasu reakcji (SAK254 nm = 1,55m-1; minimalna dawka chloru = 0,32 mg/l (aus [18])

Uzdatnianie wody ze zbiornika retencyjnego - [wg Petzoldt] Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – chlor i podchloryn Wpływ dozowania chloru lub dwutlenku chloru na ponowne zanieczyszczenie i powstawanie THM-ów – Uzdatnianie wody ze zbiornika retencyjnego - [wg Petzoldt]

Uzasadnienie dla zwiększenia dozowania dwutlenku chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Uzasadnienie dla zwiększenia dozowania dwutlenku chloru Unikanie lub zmniejszenie powstawania THM-ów Lepsze działanie przy wyższych wartościach pH – w porównaniu do chloru Mniejszy wpływ smaku i zapachu - przy uzdatnianiu wody powierzchniowej Przestarzała technika produkcji i dozowania

Potencjał redox: dwutlenek chloru i chloru w zależności od wartości pH Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Potencjał redox: dwutlenek chloru i chloru w zależności od wartości pH

Porównanie własności i wartości granicznych chloru i dwutlenku chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Porównanie własności i wartości granicznych chloru i dwutlenku chloru Własności Chlor Dwutlenek chloru Rozpuszczalność w wodzie (10°C, 1 bar) 10 g/l ok. 30 g/l Hydroliza, dysocjacja HClO, HCl H+ ClO- brak, gaz rozpuszczony w wodzie Smak i zapach 0,05 mg/l od 0,08 mg/l Wielkość dawki 1,2 – 6 mg/l max. 0,4 mg/l Wartości graniczne w wodzie do spożycia min. 0,1 mg/l max. 0,3 mg/l min. 0,05 mg/l max. 0,2 mg/l

Postępowanie przy produkcji dwutlenku chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Postępowanie przy produkcji dwutlenku chloru

Generator dwutlenku chloru (źródło: www.prominent.de) Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Generator dwutlenku chloru (źródło: www.prominent.de)

Reakcje dwutlenku chloru Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Reakcje dwutlenku chloru

Powstawanie chlorynu przy różnych wartościach pH Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Powstawanie chlorynu przy różnych wartościach pH

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Redukcja stężenia dwutlenku chloru i zwiększenie się stężenia chlorynu w czasie

Względne powstawanie chloru (zależnie od dawki dwutlenku chloru) Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Względne powstawanie chloru (zależnie od dawki dwutlenku chloru) pod wpływem działania chloru 20 Czas kontaktu: 0,5 h Czas kontaktu: 24 h 10 A B C D E F Różnica w powstawaniu chlorynu w % -10 -20 -30 -40 Stacja uzdatniania wody

Reakcje chemiczne z substancjami zawartymi w wodzie Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – dwutlenek chloru Reakcje chemiczne z substancjami zawartymi w wodzie Chlor Dwutlenek chloru Amoniak Chloramina Brak reakcji Fenole Chlorfenol Utlenianie Substancje humusowe Chlorowanie, THM, AOX Żelazo-II, Mangan-II

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – Ozon Produkcja prądu ok. 10 kV Powietrze Uzdatnianie powietrza Uszczelnienie i uzdatnienie wstępne; Odwilżenie powietrza Gaz pozbawiony ołowiu Woda zimna Generator ozonu Usuwanie pozostałości ozonu Woda System wejściowy Woda zawierająca ozon Gaz zawierający ozon Reaktor Uzdatniona woda Schemat: Urządzenie do wytwarzania ozonu

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – Ozon Istotne cele dezynfekcji ozonem ramach uzdatniania wody do spożycia

Dezynfekcja przy zastosowaniu substancji chemicznych – Ozon Wymogi w zakresie ozonowania dla zapewnienia dezynfekcji

Dezynfekcja promieniami UV Mechanizm skuteczności dezynfekcji promieniami UV

Dezynfekcja promieniami UV Lista substancji oraz metod dezynfekcji na podstawie § 11 Rozporządzenia ws. Wody do Spożycia z 2001r., Cz. II Metody dezynfekcji Dezynfekcja promieniami UV (240 – 290 nm) Użycie jedynie zgodnie z normami technicznymi (W294-1 do 3 oraz Ö-Norm (normy austriackie), skontrolowane urządzenia (wg norm austriackich skontrolowane urządzenia muszą spełnić dalsze warunki) Sprawdzona skuteczność dezynfekcji odpowiadająca promieniowaniu = 400 J/m2 (w odniesieniu do 254 nm) Kontrola starszych urządzeń (urządzenia działające przed 1.1.2003r. jedynie po pozytywnej kontroli mogą być stosowane przez kolejne 5 lat).

Dezynfekcja promieniami UV UV – rodzaje promieniowania Promiennik niskociśnieniowy (ND9) Wysokowydajny promiennik niskociśnieniowy (HND9) Promiennik średniociśnieniowy (MDS) Temperatura pracy 50°C 90°C 900°C Pobór prądu elektrycznego 0,3 – 0,5 W/cm 2-3 W/cm Ca. 100 W/cm Emisja 253,7nm, ca. 0,1 W/cm 253,7 nm, 0,3-0,5 W/cm 200 – 300 nm, 5 – 10 W/cm < 2400 nm - wykluczone Zalety/wady Niska gęstość mocy Wyższa gęstość mocy, dłuższy czas osiągania wysokiej wydajności Bardzo wysoka gęstość mocy, szybka regulacja, ale wysokie zużycie energii Zakres zastosowania Tylko dla urządzeń UV o niskich przepływach Urządzenia dla każdej wielkości Preferowany przy dużych przepływach

Dezynfekcja promieniami UV Rozkład widma emisji promiennika niskociśnieniowego (NDS)

Dezynfekcja promieniami UV Rozkład widma emisji promiennika średniociśnieniowego (MDS).

Dezynfekcja promieniami UV Schemat urządzenia do dezynfekcji promieniami UV z funkcją monitorowania promieniowania, średniej wartości promieniowania oraz jego przepływu (po lewej). Na rysunku po prawej stronie zaprezentowano: promiennik UV, płaszcz zewnętrzny, przestrzeń promieniowania i czujnik monitorujący promieniowanie UV.

Dezynfekcja promieniami UV Przykłady urządzeń do dezynfekcji promieniami UV w zakresie zaopatrzenia w wodę (Źródła: www.wedeco.de; www.trojanuv.com)

Dezynfekcja promieniami UV Czujnik pomiarowy zgodny z normą - arkuszem roboczym W 294 i przykład radiometru (148 (2007) Nr 13, S 20)

Dezynfekcja promieniami UV Schemat badania biodozymetrycznego (bbr 03/03 S. 65)

Dezynfekcja promieniami UV Wykres w trakcie pracy i wykres zdolności procesu dla urządzenia do dezynfekcji promieniami UV na podstawie arkusza roboczego DVGW- W 294. (Przykład z W294-1)

Wartości c.t- dla redukcji o 2 log Działanie dezynfekcji Wartości c.t- dla redukcji o 2 log

Działanie dezynfekcji Teoretyczne wartości c.t przy przeciętnych warunkach dezynfekcji w Niemczech

Działanie dezynfekcji Wymagana dawka promieniowania dla redukcji szczepów bakterii o 2 / 4 log (dane z literatury)

Zakres i skrajne warunki zastosowania środków i metod dezynfekcji