Metode de dezinfecţie a apei – sinteză

Abstract:

Keywords

1. IntroducereAccesul la apă potabilă de bună calitate reprezintă o condiţie esenţială pentru sănătatea

umană şi unul din drepturile fundamentale ale omului, fiind una dintre componentele unei politici eficiente de protecţie a sănătăţii.

Obiectivul principal al tratării apei pentru consum uman îl constituie îndepărtarea turbidităţii şi a contaminanţilor fizici şi patogeni, prin aplicarea celor mai bune tehnologii disponibile.

Dezinfecţia apei este necesară înaintea distribuirii către consumatori, deoarece prin procesele de coagulare, floculare şi filtrare nu se înlătură toate bacteriile patogene.

Până de curând se credea că singura modalitate viabilă de dezinfecţie a apei este dezinfecţia cu clor, având în vedere că acesta este un dezinfectant puternic. Şi la această oră există aceeaşi convingere la nivel global. Totuşi, există îndoieli în privinţa acestuia, datorate produşilor secundari rezultaţi în urma dezinfecţiei cu clor, produşi cu potenţial nociv asupra sănătăţii oamenilor.

În aceste condiţii la nivel global nu se doreşte încetarea dezinfecţiei (în vederea evitării unor epidemii, cum a fost cea din Peru din anul 1991), ci se încearcă dezvoltarea şi inovarea de metode alternative, ce nu au produşi secundari atât de periculoşi. [1-3]

2. Metode de dezinfecţie chimice

2.1 Dezinfecţia cu clorClorul este cel mai răspândit dezinfectant la această oră, atât pentru apa potabilă,

destinată consumului uman, cât şi pentru apa uzată, înaintea deversării în emisar. Poate fi aplicat, măsurat şi controlat uşor în acelaşi timp oferind remanenţă. Costul de achiziţionare este foarte scăzut.

Efectul germicid aupra bacteriilor şi virusurilor se bazează pe ruperea legăturilor chimice din moleculele acestora.

Eficacitatea procesului de dezinfecţie depinde de pH-ul apei, având o eficacitate maximă la un pH cuprins între 5.5 şi 7.5.

În momentul în care se face dozarea clorului, trebuie avut în vedere că doza trebuie să fie îndeajuns de mare încât să rămână o doză de clor rezidual în apă, care să asigure remanenţa procesului. Clorul rezidual reacţionează cu materia organică din apă şi formează anumiţi compuşi chimici nedoriţi, toxici, numiţi produşi secundari ai dezinfecţiei sau DBP – disinfection by-products. Cei mai cunoscuţi, dar şi cei mai toxici dintre aceştia sunt trihalometanii (THM) şi acizii haloacetici (HAA) [4].

Doza de clor necesară este cuprinsă între 0.2 şi 0.4 mg/L, dar concentraţia de clor adăugată în apă este mai mare de obicei, pentru a asigura doza de clor rezidual[5].

Factorii ce determină eficacitatea dezinfecţiei cu clor sunt concentraţia de clor, timpul de contact, temperatura, pH-ul apei, numărul şi tipul microorganismelor şi concentraţia de materie organică din apă.

Tabel 1. Timpul necesar pentru dezinfecţia cu clor a unei ape încărcate cu diferite microorganisme patogene; doza de clor: 1 mg/l, pH = 7.5, T = 2.5°C

Microorganism Timp de dezinfecţieBacteria E. Coli 0157 H7 <1 minutVirusul Hepatitei A Aproximativ 16 minGiardia Aproximativ 45 minCryptosporidium Aproximativ 9600 min (6.7 zile)

Avantajele dezinfecţiei cu clor sunt eficacitatea împotriva majorităţii microorganismelor, remanenţa în sistem, tehnologia aplicată este uşoară şi deja cunoscută.

Dezavantajele dezinfecţiei cu clor sunt formarea DBP, cu efect mutagenic şi carcinogenic, nu are eficacitate împortiva protozoarelor Giardia şi Cryptosporidium, poate cauza gust şi miros neplăcut al apei.

2.2 Dezinfecţia folosind cloramineCloraminele sunt produse prin reacţia clorului cu amoniacul. Ca şi dezinfectant este la

fel de eficient ca şi clorul la distrugerea bacteriilor şi a altor microorganisme, dar reacţia este lentă.

Fiind oxidante, distrug patogenii prin pătrunderea prin peretele celular, blocarea metabolismului microorganismului şi reacţia directă cu aminoacizii din AND-ul bacterian. În timpul dezactivării cloraminele distrug învelişul protector al virusului.

Cloraminele reacţionează cu materia organică din apă într-o măsură mai mică decât clorul iar astfel sunt puţini produşi secundari produşi, însă amoniacul este o sursă de nutrienţi pentru microorganismele din apă, iar acest lucru duce la creşterea nivelului de nitraţi din apă, compuşi consideraţi carcinogenici

Avantajele dezinfecţiei cu cloramine sunt formarea de produşi reziduali mai stabili decât cei ai clorului, produce un număr mai redus de produşi secundari faţă de clor, afectează într-o măsură redusă gustul şi mirosul apei tratate iar tehnologia este cunoscută.

Dezavantajele dezinfecţiei cu cloramine sunt eficacitatea mai scăzută decât a clorului în eliminarea microorganismelor din apă.

2.3 Dezinfecţia folosind dioxidul de clorAvantajele dezinfecţiei cu dioxid de clor sunt formarea mai puţinor produşi secundari

faţă de clor, eficienţă mai ridicată în eliminarea microorganismelor faţă de clor sau cloramine.Dezavantajele dezinfecţiei cu clor sunt producerea in situ, formarea de produşi

secundari toxici (cloriţi, cloraţi), monitorizarea zilnică a cloriţilor şi dioxidului de clor, cost ridicat al echipamentelor necesare şi nivel ridicat de cunoştinţe tehnice pentru operatori.

2.5.Dezinfecţia cu ozonOzonul este un gaz instabil ce se descompune rapid într-o moleculă de oxigen şi un

atom de oxigen liber. Această reacţie de descompunere face ca ozonul să fie un oxidant

extrem de puternic şi de asemenea unul din cei mai puternici dezinfectanţi, nefiind influenţat de temperatură sau pH.

Contaminanţii organici sunt transformaţi în urma procesului de dezinfecţie în dioxid de carbon şi apă iar metalele sunt precipitate şi sunt filtrate ulterior cu ajutorul filtrelor rapide de nisip sau prin filtre cu carbune activ.

Studiile efectuate au arătat că distrugerea E-coli se realizează în proporţie de 99,99% în mai puţin de 100 s la o doză de 10 mg ozon/l apă.

Fiind foarte instabil, este produs in situ prin descărcare electrică de înaltă tensiune în aer uscat.

Avantajele folosirii ozonului la dezinfecţia apei sunt eficacitatea extrem de ridicată, chiar şi împotriva protozoarelor rezistente.

Dezavantajele folosirii ozonului ca şi dezinfectant sunt costul ridicat, lipsa remanenţei, instabilitatea crescută, nivel ridicat de cunoştinţe tehnice pentru operatori şi formarea de produşi secundari toxici (bromaţi).

3. Metode de dezinfecţie fizice

3.1 Dezinfecţia cu raze ultravioleteSpre deosebire de majoritatea dezinfectanţilor utilizaţi la ora actuală, radiaţia

ultravioletă nu dezactivează microorganismele folosind o reacţie chimică. Inactivarea are la bază o reacţie fotochimică declanşată de absorbţia luminii. Aceasta produce, în general, lizarea AND-ului şi moartea microorganismelor expuse.

Eficienţa maximă se înregistreză în intervalul 2500 - 2650 Å, dar este condiţionată de următorii factori: nu trebuie să existe în apă materii în suspensie, apa trebuie să fie curată, nu trebuie să conţină fier, coloizi organici sau microorganisme planctonice (se depun pe instalaţie), curgerea trebuie să fie în film subţire, de aproximativ 120 mm iar doza şi timpul de expunere trebuie să fie corect calculate.

Radiaţia este produsă de o lampă cu mercur construită din cuarţ sau sticlă.Deşi radiaţia UV poate dezinfecta apa până la 99,99 %, unele studii au îndoieli asupra

eficienţei procesului, dozele necesare pentru dezactivarea microoganismelor rezistente (Giardia şi Cryptosporidium) fiind foarte mari.[6-8]

Avantajele acestei metode sunt faptul că nu modifică mirosul şi gustul apei, expunerea este de scurtă durată, asigură o distrugere completă a microorganismelor, inclusiv a protozoarelor rezistente şi nu formează produşi secundari.

Dezavantajele folosirii dezinfecţiei cu radiaţie ultravioletă sunt faptul că eficienţa procesului depinde de turbiditate şi materii dizolvate, echipamentele necesare sunt complexe, operatorii au nevoie de o instruire prealabilă şi nu prezintă remanenţă.

3.2 Dezinfecţia solară (SODIS)Eficienţa acestei metode este recunoscută la scară redusă (sub 3:l), dar aplicarea la

scară mare a acestei metode este încă studiată. În lume sunt construite staţii pilot ce dezinfectează apa folosind această metodă (în Spania şi Bolivia), iar efecienţa înregistrată este ridicată. [9]

Printre patogenii înlăturaţi se numără Campylobacter jejuni, Yersinia enterocolitica, E. Coli, Staphylococcus epidermis şi Bacilus subtilis.

Dezinfecţia solară depinde de radiaţia UV, radiaţia din spectrul vizibil şi radiaţia infraroşie. Cele mai importante, însă, sunt radiaţiile UVA şi UVB cu o pondere de 70% din

efectul dezinfectant. Celelalte 30% sunt ”acoperite” de radiaţia din spectrul vizibil. Radiaţia infraroşie are rolul de a mări temperatura apei la peste 50°C pentru minim 60 minute.

Pentru fiecare patogen există un anumit nivel de radiaţie pe care acesta trebuie să îl absoarbă înainte de a fi dezactivat. Bacteriile şi majoritatea virusurilor sunt uşor de distrus, în timp ce sporii bacterieni şi ouăle parazite, cyst-urile şi oocyst-urile sunt mai dificil de înlăturat. Microorganismul patogen cel mai greu de distrus este Bacilus subtilis, ce necesită o radiaţie de 0.22J/cm2. Dacă se măsoară 200 Bacilus subtilis într-un ml de apă, avem 200.000 într-un litru şi avem nevoie de 11.600.000.000 s ≈ 367 ani la expunerea la o radiaţie de 254 nm. Dacă puterea radiaţiei se măreşte la 16000 uM/ cm2 este nevoie de doar 8750 s ≈ 2 ore.

Reacţiile de dezactivare a microorganismelor sunt similare celor de la dezinfecţia cu raze UV: în momentul în care radiaţia solară ajunge în contact cu apa, eliberează atomi de oxigen ce afectează celulele printr-un proces de oxidare a membranei celulare. Distrugerea celulei este cauzată de afectarea directă a ADN-ului şi a diferitor organe.

Deşi metoda este eficientă împotriva anumitor patogeni ce cauzează boli hidrice, anumite specii pot fi rezistente la acest tip de dezinfecţie.

Printre avantajele acestei metode se numără faptul că nu produce compuşi ce alterează gustul sau mirosul apei tratate şi distrugerea completă a microorganismelor.

4. ConcluziiÎn tabelele de mai jos sunt sintetizate rezultatele documentării:

Criteriu UV Ozon Clor Cloramine Dioxid de Clor SODISDBP NU DA DA DA DA NUEliminare bacterii DA DA DA DA DA MajoritateaEliminare virusuri DA DA DA DA DA MajoritateaCorectare miros şi gust NU DA NU NU NU NU

Singurele variante viabile pentru dezinfecţia apei sunt ozonul şi radiaţia UV. Ce le poate departaja sunt însă costurile.

Criteriu UV OzonCosturi de operare Scăzute ScăzuteCosturi de investiţie Medii RidicateMentenanţă Ridicate MediiComplexitate proces Scăzută spre medie, necesită

instruire Medie spre ridicată, necesită instruire personal şi prezintă pericol de explozie

În concluzie o soluţia viabilă pentru dezinfecţia apei ar fi radiaţia UV, cu condiţia cercetărilor viitoare în vederea asigurării unei remanenţe.

Bibliografie

1. P.R. Hunter, et. al, Water Supply and Health, PLOS Medicine, Vol. 7, 20102. S. Cairncross, et. al, Hygiene, sanitation and water: what needs to be done?, PLOS Medicine, Vol. 7, 20103. J. Bartram, et. al, Hygiene, sanitation and water: forgotten foundations of health, PLOS Medicine, Vol. 7, 20104. K.J. Rothman, Defining safe drinking water, Epidemiology, Vol. 8, 1997, pag. 607-609

5. K. Steenland, C. Moe, Are we running dry?, Epidemiology, Vol. 14, 2003, pag. 635-6366. S.B. Somani, N.W. Ingole, Alternative approach to chlorination for disinfection of drinking water – an overview, IJAERS, Vol I, 2011, pag. 47-507. M. Salama, The replacement of chlorination in the treatment of municipal drinking water, Technical Paper II, 1997.8. EPA Guidance Manual – Alternative Disinfectants and Oxidants, Cap. 8 Ultraviolet Radiation, Aprilie 19999. M. Boyle, et. al, Bactericidal effect of solar water disinfection under real sunlight conditions, Applied and Environmental Microbiology, 2008, pag. 2997 – 3001