MOŽNOSTI A VÝHODY VÝROBY DEZINFEKČNÍHO PROSTŘEDKU V MÍSTĚ POUŽITÍ PRO DEZINFEKCI VODY Ing. Lubomír Macek, CSc. Aquion s.r.o., Praha Dělnická 38, 170 00 Praha 7, T: 283 872 265, E: Lubomír.macek@aquion.cz Abstrakt Využití elektrolýzy vody k výrobě směsných oxidantů chlóru v místě použití pro dezinfekci a hygienické zabezpečení vody je technologií, která ve vodním hospodářství nahrazuje použití plynného chlóru a chlornanu sodného. Pro výrobu chlóru je potřeba voda, chlorid sodný a elektrická energie. Výhodou technologie je její bezpečnost, jednoduchost a dostupnost. Výhodami směsných oxidantů je jejich dobrá inaktivační účinnost, nižší dávka a nižší produkce vedlejších produktů dezinfekce, odstraňování biofirmu a stabilita. Provozní náklady na dezinfekci vody pomocí směsných oxidantů leží mezi plynným chlórem a chlornanem sodným. Výroba dezinfekčního prostředku v místě použití Technologie MIOX používá pouze sůl, vodu a elektřinu k výrobě velmi zředěného roztoku chlóru. Koncentrace roztoku chlóru je nižší než 1 %, tedy pod hranicí nebezpečnosti, na rozdíl od 10-15 % koncentrace chlornanu sodného dodávaného ve velkém balení. Použití zařízení MIOX pro výrobu dezinfekčního roztoku v místě eliminuje transport a skladování nebezpečného plynného chlóru nebo chlornanu sodného, odstraňuje potenciální nehody a chrání nejen provozní zaměstnance úpravny, ale také sousedící domy a kanceláře před možným ohrožením. Ze zkušeností se ukázalo, že zařízení MIOX pro výrobu v místě použití se snadno udržuje a obsluhuje a provoz stojí méně než tradiční alternativy s chlórem, s možnou návratností investice mezi 1 až 5 lety. Dostupná technologie K dispozici jsou dvě základní řady elektrolyzérů pro výrobu chlornanu sodného a pro výrobu směsných oxidantů chlóru. Kapacita těchto zařízení se pohybuje od cca 1,3 kg směsných oxidantů chlóru až po několik set kilogramů chlóru za den. Vzhledem k tomu, že směsné oxidanty přinášejí uživateli na rozdíl od chlornanu sodného mnoho výhod, článek se zabývá především směsnými oxidanty. Vedle stabilních zařízení jsou k dispozici také přenosné a kapesní zařízení na dezinfekci vody. Studie složení Kalifornský technický institut ve spolupráci s Jet Propulsion Laboratory a Miami University v Ohiu, se pokusili stanovit složení oxidantů z buňky MIOX. Vzhledem k tomu, že výchozí surovinou je pouze chlorid sodný NaCl a voda H 2 O, jakýkoliv produkt elektrolytického procesu musí být sloučeninou kyslíku a chlóru z výchozích surovin. Je obecně známo, že mnoho dalších druhů oxidantů nemůže být v přítomnosti silného chlorného základu nejen detekováno standardními analytickými postupy, ale také nemůže po žádný čas koexistovat s chlórem. Ve všech předchozích studiích byl chlór posuzován jako doposud jediná měřitelná složka v roztoku směsných oxidantů. Za pomoci státem financovaného grantu zkoumá Univerzita Severní Karolíny (US) nové analytické postupy, abychom lépe rozuměli širšímu chemismu směsných oxidantů. 179
Legislativní požadavky Vzhledem k tomu, že studie složení detekovaly v roztoku pouze chlór, ale ne chlordioxid (ClO 2 ) nebo ozón (O 3 ), systémy se směsnými oxidanty podléhají shodným zákonným požadavkům EPA jako běžné chlorovací systémy, včetně použití hodnot CT chlóru (koncentrace x doba kontaktu). To také znamená, že EPA nevyžaduje, aby zákazníci, kteří používají směsné oxidanty sledovali zbytkový chlordioxid, chloritany nebo bromičnany. Navíc, systémy MIOX a zásobníky na směsné oxidanty jsou certifikovány NSF International jako bezpečné pro úpravu pitné vody, stejně jako pro plavecké bazény a lázně. Zkušenosti a certifikace S více než desetiletou zkušeností na trhu a úpravou několika milionů metrů krychlových vody každý den měla společnost MIOX dostatek příležitostí k různým inspekcím, vyhodnocením, výzkumu a četným certifikacím. Technologie MIOX pro použití v pitné vodě je plně akceptována americkou vládní společností pro ochranu životního prostředí a veřejného zdraví U. S. Environmental Protection Agency /US EPA) a bylo mezinárodní organizací NSF International certifikováno jako netoxické. Společnost má dnes instalováno přes 1 300 investičních celků ve více než 25 zemích celého světa. Technologie byla schválena SZÚ a dle vyjádření Ministerstva zdravotnictví vyhovuje požadavkům vyhlášky 409/2005 Sb pro styk technologie s pitnou vodou. Rozdíly kvality dezinfekce Výkonnost směsných oxidantů jasně ukazuje mnohem aktivnější chlor-kyslíkovou chemii než tradiční chlorace. Ačkoliv systémy společnosti MIOX pro výrobu směsných oxidantů a chlornanu sodného jsou oba navrhovány a dávkovány na základě koncentrace volného aktivního chlóru, roztok směsných oxidantů nabízí vyšší oxidační schopnosti než roztok chlornanu. Tyto schopnosti zahrnují Prvotřídní inaktivaci organizmů Eliminaci biofilmu Trvanlivější zbytkový chlór Sníženou tvorbu vedlejších produktů dezinfekce Inaktivace organizmů Množství nezávislých studií z posledních deseti let provedených různými organizacemi potvrdilo schopnost směsných oxidantů dosáhnout jak důkladnější tak rychlejší inaktivace mikroorganizmů než chlornan. Tyto prvotřídní dezinfekční schopnosti se stávají zřetelnějšími u organismů odolných k dezinfekci, jako je Legionella pneumophila, Pseudomonas aeruginosa, spóry Clostridium perfingens a oocysty Cryptosporidium parvum.** Když se v laboratorních testech porovnávaly směsné oxidanty přímo s chlornanem při stejných měřených koncentracích volného aktivního chlóru a kontaktní doby, směsné oxidanty dosáhly inaktivačních hodnot o dva řády větších než chlornan, s tím, že chlornan v mnoha případech vůbec nepůsobil inaktivačně. Tyto nezávislé laboratorní zkoušky, z nichž mnoho z nich bylo oponováno a/nebo publikováno, zobrazovalo měřitelné rozdíly mezi generovanými směsnými oxidanty použitými v místě a chlornanem. Míra účinnosti roztoku směsných oxidantů (MOS) při inaktivaci Legionelly Studie provedené Univerzitou v Novém Mexiku porovnávající množství chlóru ekvivalentní adekvátní koncentraci chlornanu sodného s MOS ukázaly, že po 10ti 180
minutové expozici při ph 8,0 dosáhly MOS totální likvidaci baktérií L. pneumophila a P. pseudomonas, což se samotnému chlóru nepodařilo. Tab. 1 Porovnání účinnosti inaktivace směsné oxidanty chlóru vs. chlornan sodný. Microorganizmus Počáteční koncentrace mikroorganizmů Směsné oxidanty MIOX (dávka 2 mg/l) NaClO (dávka 2 mg/l) Legionella 1 x 10 5 0 JTK/ml > 2 JTK/ml pneumophila Pseudomonas 1 x 10 5 0 JTK/ml 1,200 JTK/ml aeruginosa JTK Počet Jednotek tvořící kolonie na 1 mllarry Barton, PhD, Universita Nové Mexiko "Simulace dezinfekce vody z chladící věže 4. březen 1996 Eliminace biofilmu Prvotřídní dezinfekční schopnosti zajišťují odstranění biofilmu, který je odolný vůči chlornanu a plynnému chlóru, včetně nárostů v potrubí a na povrchu membránové filtrace. Dramatický případ odstranění biofilmu byl například při instalaci směsných oxidantů v Japonsku. V jednom dobře zdokumentovaném případě se v bazénu s horkou termální vodou, který byl původně upravován Při použití běžného Se směsnými chlornanem, objevily vysoké počty chlornanu sodného oxidanty MIOX koliformních baktérií a Legionelly. Průzkumná kamera ukázala Obr. 1 Příklad odstranění biofilmu rozsáhlé nárůsty biofilmu v potrubí, který poskytoval těmto nebezpečným baktériím útočiště. Po přechodu na směsné oxidanty se biofilm začal odloupávat a během tří týdnů byl úplně odstraněn. Výsledkem je trvalé odstranění baktérií z provozu lázní. Vodárna v Orange County Water District v Kalifornii studovala schopnosti směsných oxidantů odstranit biofilm na membránách reverzní osmózy. Na rozdíl od chlornanu jsou směsné oxidanty schopné odstranit nejen vlastní biofilm, ale také polysacharidový substrát, který biofilm vytváří, aby se přidržel na podkladu. Ukázalo se, že odstranění tohoto substrátu zamezilo po prodlouženou dobu následnému nárůstu biofilmu. Odstranění vlastního substrátu nebylo dříve za použití konvenčního chlóru pozorováno. Trvalejší koncentrace zbytkového chlóru v rozvodných systémech pitné vody Jakmile dojde k eliminaci materiálu, který spotřebovává oxidant, jako je biofilm, klesá ve vodovodních rozvodných sítích potřeba chlóru. Výsledný efekt je ten, že uživatelé směsných oxidantů mohou obecně snížit dávku chlóru a koncentraci volného aktivního chlóru v nádržích na čistou vodu o 30% a stále ještě dosáhnou požadované koncentrace 181
zbytkového chlóru v rozvodném systému. Dobrý příklad je Cedar Knox v Nebrasce. Ve svém 69 km dlouhém distribučním řadu nebyli při použití plynného chlóru schopni zajistit požadovaný zbytkový chlór. Po přechodu na směsné oxidanty zbytkový chlór přetrvává ve všech místech rozvodné sítě po více než sedm týdnů, dokonce při dávce snížené o 30 %. Snížená tvorba vedlejších produktů dezinfekce Celkové trihalometany (TTHM) vznikají reakcí mezi organickými prekurzory TTHM (humínové a fluvo kyseliny ve vodě a biofilm na stěně potrubí). Vzhledem k tomu, že TTHM jsou známé karcinogeny, česká legislativa reguluje jejich obsah v pitné vodě limitem 100 ppb tedy 100 μg/l. Pro snížení tvorby TTHM musí být snížena koncentrace buď organických prekurzorů nebo volného chlóru. Směsné oxidanty dosahují obou těchto požadavků tím, že redukují organický biofilm a zároveň snižují dávku chlóru. Poté, co je biofilm z rozvodného systému odstraněn a dávka chlóru je příslušně snížena, bylo v různých systémech pozorováno snížení tvorby TTHM od 30 do 50 %. Při mnoha případech aplikace MIOXu snížilo použití směsných oxidantů také tvorbu TTHM ve vlastní vodě (výlučně těch vytvořených reakcí s biofilmem) ve srovnání s běžným chlórem se stejnou finální zbytkovou koncentrací. Optimalizace vylepšení výkonu Společnost MIOX optimalizuje výše zmíněné efekty směsných oxidantů změnou návrhu buňky a provozních parametrů. Odlišný návrh buňky a provozních parametrů pro výrobu roztoku směsných oxidantů či chlornanu jsou vlastnictvím společnosti MIOX. Konečným výsledkem je ale schopnost získat účinnější roztok založený na bázi chlóru označený jako směsné oxidanty. Roztok směsných oxidantů nejen dosahuje přibližně o dva řády lepší inaktivace mikroorganizmů než chlornan, ale také mnohem rychlejší inaktivace v širším spektru mikroorganizmů. Společnost MIOX nakonfigurovala své elektrolytické buňky tak,aby optimalizovala dezinfekční účinnost při mírně zvýšené spotřebě energie. Buňky pro chlornan jsou oproti tomu typicky nakonfigurovány tak, aby byla co nejlepší účinnost spotřeby soli a energie. Generátory směsných oxidantů Kromě běžných generátorů pro výrobu chlornanu sodného v místě použití MIOX nabízí produkt nejvyšší kvality výrobu směsných oxidantů chlóru v místě použití. Ačkoliv je výsledný roztok založen na obsahu chlóru, poskytuje výhody daleko nad možnosti konvenčního chlóru: Prvotřídní inaktivace mikroorganismů Zabraňuje nežádoucímu růstu mikroorganizmů Snížená tvorba vedlejších produktů dezinfekce Déle trvající přítomnost zbytkového chlóru Zlepšená chuť a pach vody Mikroflokulace (redukce jak finálního zákalu, tak dávky chemického koagulantu) Inaktivace železitých baktérií Oxidace železa a manganu Oxidace sulfidů Oxidace amoniaku Reakce chlóru na bodu zlomu za nižších dávek chlóru 182
Proces výroby směsných oxidantů Pro napájení elektrolyzéru je potřeba měkká voda. Poté, co projde změkčovačem vody voda rozpouští co nejčistší chlorid sodný. Koncentrovaný roztok chloridu sodného je čerpán do elektrolyzéru. Pomocí velkého proudu a nízkého stejnosměrného napětí je elektrolýzou ze slané vody vyráběn chlór. Pří elektrolýze dochází také k vývinu vodíku, který je pomocí ventilačního systému odvětráván mimo budovu, do atmosféry. Sůl je skladována mokrým způsobem Podle velikosti úpravny vody je skladována buď v nádržích, do kterých se například jednou za týden doplňuje sůl, nebo v zásobnících, kam lze sůl doplňovat v mnohem delším intervalu. Vyrobené směsné oxidanty jsou skladovány v nádrži na oxidanty. Výroba a spotřeba oxidantů probíhá ve 24hodinovém cyklu a umožňuje tak, aby zařízení bylo navrženo na maximální denní kapacitu a/nebo využívalo období s nižší cenou elektrické energie. Obr. 2 Schéma technologie výroby směsných oxidantů Obr. 3 Příklady aplikace technologie MIOX 183
Ekonomika provozu Provozní náklady, pokud se vezmou čistě jen náklady na chemikálie na dezinfekci vody, jsou nejnižší u plynného chlóru. Směsné oxidanty, díky nižší potřebné dávce, mají provozní náklady pod náklady na chlornan sodný a vycházejí mezi 22 a 27 Kč/1 000 m 3 vody. Šetrnost k prostředí Plynný chlór je toxický plyn a představuje tak potenciální riziko pro provozovatele, okolí a životní prostředí. Chlornan sodný, nakupovaný ve velkém balení, vyžaduje zase velké přepravní objemy. Směsné oxidanty jsou z těchto hledisek bezpečnější a šetrnější k životnímu prostředí. Obr. 4 Porovnání nákladů na dopravu Koncentrace chlóru [mg/l] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 MIOX Dose Chlorine Residual Obr. 4 Porovnání dávky chlóru a koncentrace zbytkového aktivního chlóru. Na grafu jsou vidět dvě strategie dávkování směsných oxidantů stejnou počáteční koncentraci a zvýšení koncentrace zbytkového aktivního chlóru a snížení počáteční dávky při zachování zbytkové koncentrace aktivního chlóru. 184
Závěr Generátory na směsné oxidanty vyrábějí roztok dezinfekčního prostředku založeného na bázi chlóru elektrolytickým procesem. Změnou návrhu buňky a provozních parametrů může společnost MIOX maximalizovat dezinfekční účinnost roztoku, aby umožnil prvotřídní výsledky při inaktivaci mikroorganizmů, odstranění biofilmu, tvorbě stabilnějšího zbytkového volného chlóru a snížení tvorby vedlejších produktů dezinfekce. Směsné oxidanty jsou schváleny Státním zdravotním ústavem v Praze a plně akceptovány EPA, NSF a řadou dalších národních regulačních úřadů. S více než deseti lety zkušeností na trhu a s instalovanou základnou zařízení, které upravuje několik miliónů m 3 vody každý den, je společnost MIOX expertem na výrobu dezinfekce v místě použití. Tab. 2 Srovnání jednotlivých dezinfekčních technologií 185