12. Διεργασίες επεξεργασίας νερού

Transcript

1 Γενικά Τα φυσικά νερά, κυρίως τα επιφανειακά, δεν πληρούν ποτέ τις προδιαγραφές ποιότητας που τίθενται από τη νομοθεσία για το «νερό ανθρώπινης κατανάλωσης». Θα πρέπει συνεπώς να απομακρυνθούν κάποια ανεπιθύμητα συστατικά του νερού ή να καταστούν αβλαβή με κατάλληλες φυσικές ή χημικές διεργασίες, οι οποίες πραγματοποιούνται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού. Ο κύριος στόχος των διεργασιών σε μια εγκατάσταση επεξεργασίας νερού είναι η εκμετάλλευση διαφόρων φυσικοχημικών φαινομένων για την απομάκρυνση των ανεπιθύμητων συστατικών του νερού και για το σκοπό αυτό εφαρμόζονται τεχνικές όπως η διήθηση, η καθίζηση, η επίπλευση, η κροκίδωση, η χημική κατακρήμνιση, η ιζηματοποίηση, η προσρόφηση, η ιοντοεναλλαγή, η αντίστροφη όσμωση η απολύμανση, κ.λ.π. Εάν για παράδειγμα το ειδικό βάρος των αιωρουμένων σωματιδίων που περιέχει το νερό είναι μεγαλύτερο από αυτό του νερού, μπορούν να διαχωριστούν με καθίζηση ενώ εάν είναι μικρότερο μπορούν να διαχωριστούν με επίπλευση. Φύκια και μεγαλύτερα σωματίδια μπορούν να απομακρυνθούν με διάφορα κόσκινα και σωματίδια πολύ μικρού μεγέθους (κολλοειδή) μπορούν να απομακρυνθούν με κροκίδωση, κατά την οποία με τη βοήθεια ορισμένων χημικών ουσιών όπως τα κροκιδωτικά υλικά, επιταχύνεται η συνένωση των αιωρουμένων κολλοειδών ώστε αυτά να απομακρυνθούν με καθίζηση. Προκειμένου να επιλεγεί η κατάλληλη μέθοδος επεξεργασίας σε οποιαδήποτε εγκατάσταση επεξεργασίας νερού, πέρα από το κόστος κατασκευής και λειτουργίας, απαιτείται λεπτομερέστατος ποιοτικός έλεγχος (πλήρης χημική και μικροβιολογική εξέταση) του προς επεξεργασία νερού. Πολλές φορές απαιτείται προκαταρκτικός σχεδιασμός και έλεγχος των φυσικοχημικών διεργασιών που θα εφαρμοστούν σε πειραματική μονάδα (Pilot Plant). Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά οι κυριότερες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία του νερού. Καθίζηση Η καθίζηση είναι μια φυσική διεργασία διαχωρισμού των αιωρούμενων σωματιδίων, το ειδικό βάρος των οποίων είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του νερού. Για σωματίδια με μέσο μέγεθος μεγαλύτερο από 100 μm και συγκέντρωση μεγαλύτερη από 50 mg/l, η καθίζηση είναι η κατ εξοχήν εφαρμοζόμενη μέθοδος διαχωρισμού. Στηρίζεται στo φαινόμενο της βαρύτητας και εφαρμόζεται για την απομάκρυνση των στερεών, μικροοργανισμών (φυκιών και βακτηρίων), αργίλων, χουμικών οξέων κ.ά. Εικόνα 12.1 Επίπλευση - καθίζηση Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 74

2 Στον πίνακα 12.1 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά καθίζησης ορισμένων αιωρουμένων σωματιδίων. Τα σωματίδια καθιζάνουν με βαρύτητα και η ταχύτητα καθίζησης σε ηρεμία εξαρτάται από το μέγεθος, το ειδικό βάρος και το σχήμα των σωματιδίων καθώς και την κινηματική συνεκτικότητα του ρευστού, η οποία είναι συνάρτηση και της θερμοκρασίας. Η καθίζηση αποτελεί το πρώτο στάδιο στην απομάκρυνση των αιωρουμένων σωματιδίων από το νερό και ακολουθεί η διήθηση όπου επιτυγχάνεται η πλήρης απομάκρυνσή τους. Πίνακας Χαρακτηριστικά καθίζησης αιωρουμένων σωματιδίων Υλικό Μέγεθος (μm) Χρόνος καθίζησης (1 m) Χαλαζίας δευτερόλεπτο δευτερόλεπτα δευτερόλεπτα Ιλύς λεπτά Βακτήρια ώρες Κολλοειδή 0,1 755 ημέρες Η ευρεία χρήση της καθίζησης οφείλεται στην απλότητα της μεθόδου, παρά τις περιπλοκές που παρουσιάζουν πολλές φορές διάφορες δεξαμενές καθίζησης, και στη μικρή κατανάλωση ενέργειας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την καθίζηση, δηλαδή την απόδοση των δεξαμενών καθίζησης είναι η μεταβολή της πυκνότητας του νερού (συγκέντρωση αλάτων, θολότητα, θερμοκρασία), οι διατάξεις ηρεμίας κατά την εισροή του νερού, οι άνεμοι (ιδιαίτερα σε ανοικτές δεξαμενές) και οι μηχανισμοί απομάκρυνσης της ιλύος. Κροκίδωση συσσωμάτωση Η κροκίδωση (coagulation) - συσσωμάτωση (flocculation) είναι μια φυσικοχημική - ηλεκτροχημική διεργασία κατά την οποία τα κολλοειδή και αδρομερή αιωρούμενα σωματίδια του νερού προετοιμάζονται με κατάλληλα αντιδραστήρια για την αποσταθεροποίηση, τη συνένωση και την απομάκρυνσή τους. Είναι δηλαδή διεργασίες που εφαρμόζονται στην επεξεργασία του νερού για την απομάκρυνση αιωρουμένων στερεών μικρού μεγέθους (< 10 μm). Κολλοειδή ονομάζονται τα συστήματα διασποράς σε μορφή σωματιδίων τάξης μεγέθους cm (0,01-1,0 μm) που ονομάζονται μικκύλια. Τα μικκύλια μπορεί να είναι συσσωματώματα μορίων, μικροκρύσταλλοι, ή μεγαλομόρια (μόρια πολύ μεγάλου μοριακού βάρους και διαστάσεων, όπως πρωτεΐνες, πολυμερή, νουκλεϊνικά οξέα, πολυσακχαρίτες κ.ά.). Οπτικά φαίνονται ότι είναι ομογενή μίγματα. Η απομάκρυνσή τους με απλή καθίζηση είναι αδύνατη. Τα σωματίδια αυτά φέρουν συνήθως αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και η αυθόρμητη συνένωσή τους, λόγω των δυνάμεων έλξεως Van der Waals, εξουδετερώνεται από τις ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις οι οποίες αυξάνονται όσο μικρότερα είναι τα κολλοειδή, λόγω της μεγάλης ειδικής επιφάνειας και των κολλοειδών ιδιοτήτων που αυτά παρουσιάζουν. Συνεπώς πρέπει πρώτα να αποσταθεροποιηθούν και στη συνέχεια να συνενωθούν σε μεγαλύτερους σχηματισμούς (κροκίδες, flocs) για πιο αποτελεσματική απομάκρυνση (σχήμα 12.1). Ανάλογα με την ικανότητα ή όχι να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους, τα μικκύλια διακρίνονται σε υδρόφοβα, (αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν δεν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και δεν αυξάνουν το μέγεθός τους και σε υδρόφιλα, (αν το κύριο συστατικό είναι το νερό) αν έχουν την ικανότητα να προσροφούν μόρια του κύριου συστατικού και να αυξάνουν το μέγεθός τους. Ενώ λοιπόν τα μικκύλια των κολλοειδών είναι σχετικά μεγάλα και βαριά, δεν καταβυθίζονται όπως θα περίμενε κανείς, γιατί απωθούνται Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 75

3 αμοιβαία μεταξύ τους, επειδή έχουν εξωτερικά ομοειδές ηλεκτρικό φορτίο (θετικό ή αρνητικό). Η σταθερότητα των υδροφόβων κολλοειδών οφείλεται στις απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις, ενώ των υδρόφιλων οφείλεται περισσότερο στη συγγένεια τους με το νερό (διασκορπίζονται εύκολα στη μάζα του) και λιγότερο στα ηλεκτρικά φορτία που διαθέτουν. Ένας επιπλέον λόγος σταθερότητας των κολλοειδών είναι η προστασία που τους παρέχουν ορισμένες ουσίες που προσροφώνται σε αυτά. Η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου σε ένα διάλυμα που περιέχει κολλοειδή προκαλεί κίνηση των σωματιδίων, συνεπώς τα κολλοειδή σωματίδια θεωρούνται ως μερικώς ιονισμένα επιφανειακά. Στην επιφάνεια ενός φορτισμένου κολλοειδούς σωματιδίου προσκολλώνται ιόντα με αντίθετο φορτίο σχηματίζοντας ένα συμπαγές στρώμα, το οποίο καλείται στρώμα Stern. Γύρω από το συμπαγές αυτό στρώμα σχηματίζεται ένα πιο χαλαρό, που αποτελείται από ένα διάχυτο νέφος ιόντων. Η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ του στρώματος Stern και της κυρίως μάζας του διαλύματος ορίζεται ως δυναμικό Ζ ή ηλεκτροκινητικό δυναμικό. Το δυναμικό αυτό δρα παρεμποδίζοντας την συνένωση των κολλοειδών. Άρα, για να γίνει συνένωση των κολλοειδών πρέπει το διάλυμα να αποσταθεροποιηθεί είτε με ελάττωση του δυναμικού Ζ είτε με παρεμπόδιση της δράσης του. H αποσταθεροποίηση αυτή βασίζεται σε δύο βασικές λειτουργίες, την κροκίδωση και την συσσωμάτωση. Αρνητικά φορτισμένα κολλοειδή σωματίδια Προσθήκη κροκιδωτικού (Άλατα του αργιλίου ή του σιδήρου). Εξουδετέρωση του αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου και συσσωμάτωση σε Μικροκροκίδες και στη συνέχεια σε κροκίδες οι οποίες καθιζάνουν πιο εύκολα Σχήμα Ο μηχανισμός της κροκίδωσης - συσσωμάτωσης Κροκίδωση ή θρόμβωση ονομάζεται το φαινόμενο της εξουδετέρωσης του ηλεκτρικού φορτίου των μικκυλίων κολλοειδούς διασποράς, με αποτέλεσμα τη συνένωση των αποσταθεροποιημένων κολλοειδών και τη δημιουργία μεγάλων σχηματισμών, δηλαδή κροκίδων. Ακολουθεί η συσσωμάτωση και καταβύθισή τους. Φυσικά ο όρος καταβύθιση έχει νόημα όταν τα πρώην κολλοειδή συστατικά είναι βαρύτερα από το κύριο συστατικό του πρώην κολλοειδούς συστήματος. Αν είναι ελαφρύτερα τότε και πάλι απομακρύνονται, αλλά προς τα πάνω (π.χ. ως φυσαλίδες, αν είναι αέρια). Σε κάθε περίπτωση, με την κροκίδωση το συνολικό σύστημα παύει να φαίνεται ομογενές. Κι αυτό γιατί όταν με τη συσσωμάτωση τα τεμαχίδια των συστατικών ξεπεράσουν το όριο των 10-4 cm, γίνονται πλέον ορατά. Συσσωμάτωση είναι η διεργασία κατά την οποία τα κολλοειδή και λεπτομερή αιωρούμενα υλικά ενός υδατικού διαλύματος προετοιμάζονται με κατάλληλα μέσα για συνένωση. Πρακτικά, η συσσωμάτωση αποτελεί διεργασία αποσταθεροποίησης του σταθερού κολλοειδούς διαλύματος. Τα κυριότερα χημικά μέσα που χρησιμοποιούνται σαν κροκιδωτικά ή θρομβωτικά (coagulants) είναι: Θειικό αργίλιο (Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O), Θειικός σίδηρος (Fe 2 (SO 4 ) 3 ), Θειικός υποσίδηρος (FeSO 4.7H 2 O), Χλωριούχος σίδηρος (FeCl 3.6Η 2 Ο), Αργιλικό νάτριο (NaAlO 2 ), Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 76

4 Υδράσβεστος (Ca(OH) 2 ), Θειικό οξύ (H 2 SO 4 ), Διοξείδιο του θείου (SO 2 ). Χρησιμοποιούνται ακόμα διάφοροι πολυηλεκτρολύτες (πολυοξέα και πολυαμίδια με ηλεκτρικά ενεργές ομάδες όπως COOH-, CH 2 COH-CO-, NH 2 -, κ.λ.π. που κυκλοφορούν με διάφορες εμπορικές ονομασίες) σαν βοηθητικά θρόμβωσης. Η αποτελεσματικότητα των κροκιδωτικών υλικών καθώς επίσης και το περιβάλλον στο οποίο δρουν καλύτερα (θερμοκρασία, ph, ρυθμός ανάδευσης κ.λ.π.) ελέγχεται με εργαστηριακές δοκιμές (Jar test) (εικόνα 12.2). Εικόνα Εργαστηριακή δοκιμή κροκίδωσης (Jar test) Συνήθως η μονάδα κροκίδωσης συνοδεύεται από χωριστή μονάδα καθίζησης για την καταβύθιση των σχηματιζόμενων κροκίδων. Ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να λαμβάνεται για την (συνήθως αυξημένη) ποσότητα της παραγόμενης ιλύος. Οι μηχανισμοί με τους οποίους επιτυγχάνεται η κροκίδωση και η συσσωμάτωση των κολλοειδών είναι οι εξής: Αμοιβαία Συσσωμάτωση Με την προσθήκη, συνήθως, μεταλλικών οξειδίων (π.χ. θειικού αργιλίου) παρουσιάζονται πολυσθενή θετικά ιόντα τα οποία εξουδετερώνουν τα αρνητικά φορτισμένα κολλοειδή. Ηλεκτροστατική συσσωμάτωση Με την προσθήκη ηλεκτρολυτών, προκαλείται αποσταθεροποίηση των κολλοειδών λόγω μείωσης της ηλεκτροστατικής άπωσης, δηλαδή μείωση του δυναμικού Ζ. Η ποσότητα του προστιθέμενου ηλεκτρολύτη είναι ανάλογη του δυναμικού Ζ και όχι της ποσότητας των κολλοειδών και εξαρτάται από το σθένος των ιόντων του κροκιδωτικού μέσου. Η ικανότητα κροκίδωσης αυξάνει γεωμετρικά με το σθένος του προστιθέμενου ιόντος π.χ. Nα +1 : Μg +2 : Al +3 = 1 : 60 : 600. Η πιο αποτελεσματική κροκίδωση πραγματοποιείται όταν το δυναμικό Ζ γίνεται μηδέν (ισοηλεκτρικό σημείο), ωστόσο είναι αρκετά ικανοποιητική και για τιμές του δυναμικού ±0.5 mv. Συσσωμάτωση με προσρόφηση Η αποσταθεροποίηση του κολλοειδούς διαλύματος γίνεται με την προσθήκη πολυηλεκτρολυτών οι οποίοι μεταβάλλουν το φορτίο των κολλοειδών, μέσω του μηχανισμού της προσρόφησης. Συσσωμάτωση με γεφύρωση Η αποσταθεροποίηση του κολλοειδούς διαλύματος είναι αποτέλεσμα της προσθήκης μακρομορίων ή πολυηλεκτρολυτών, που προσροφώνται στην επιφάνεια των κολλοειδών, δημιουργώντας γεφυρώσεις. Συσσωμάτωση με σάρωση Η σάρωση των κολλοειδών σωματιδίων γίνεται από τα αδιάλυτα υδροξείδια των μετάλλων τα οποία καθώς καθιζάνουν αργά, συμπαρασύρουν τα αιωρούμενα σωματίδια. Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 77

5 Μηχανισμοί δράσης των χημικών μέσων κροκίδωσης Θειικό αργίλιο Με την προσθήκη θειικού αργιλίου, γίνεται αρχικά διάλυση και ιονισμός του κατά την αντίδραση: Αl 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O 2Al SO H 2 O Στη συνέχεια, τα διαθέσιμα ιόντα του Al 3+ εξουδετερώνουν με το θετικό τους φορτίο το αντίστοιχο αρνητικό φορτίο των κολλοειδών (πραγματοποιείται δηλαδή αμοιβαία συσσωμάτωση). Επιπλέον, τα ιόντα αργιλίου αντιδρούν με τα υδροξυλιόντα (ΟΗ - ) του νερού κατά την αντίδραση: 2Al OH - Al 2 O 3. xh 2 O Το θειικό αργίλιο μπορεί να αντιδράσει απευθείας με τα όξινα ανθρακικά άλατα του Ca (και του Mg) κατά την αντίδραση: Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O + 3Ca(HCO 3 ) 2 3CaSO 4 + 2Al(OH) 3 + 6CO H 2 O Και στις δύο περιπτώσεις, τα σχηματιζόμενα αδιάλυτα ιζήματα παρασύρουν τα αιωρούμενα λεπτομερή σωματίδια (πραγματοποιείται δηλαδή συσσωμάτωση με σάρωση). Με την επιπλέον προσθήκη υδρασβέστου (συνδυασμός alum και lime), αυξάνεται η ποσότητα του σχηματιζόμενου αδιάλυτου ιζήματος υδροξειδίου του αργιλίου, Al(OH) 3, άρα και η ικανότητα κατακρήμνισης των κολλοειδών. Θειικός σίδηρος Ο θειικός σίδηρος συμπεριφέρεται όπως και το θειικό αργίλιο. Με τη διάλυσή του ελευθερώνονται ιόντα τρισθενούς σιδήρου (Fe 3+ ), τα οποία εξουδετερώνουν τα ηλεκτρικά φορτία των κολλοειδών (αμοιβαία συσσωμάτωση). Ο θειικός σίδηρος αντιδρά με τα όξινα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου κατά την αντίδραση: Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3Ca(HCO 3 ) 2 3CaSO 4 + 2Fe(OH) 3 + 6CO 2 Ο συνδυασμός του με υδράσβεστο οδηγεί στην αντίδραση: Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3Ca(OH) 2 3CaSO 4 + 2Fe(OH) 3 Το σχηματιζόμενο, και στις δύο περιπτώσεις, αδιάλυτο ίζημα υδροξειδίου του τρισθενούς σιδήρου, Fe(OH) 3 συμπαρασύρει τα αιωρούμενα κολλοειδή σωματίδια (συσσωμάτωση με σάρωση). Θειικός υποσίδηρος Κατά κανόνα, ο θειικός υποσίδηρος χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με υδράσβεστο για το σχηματισμό κροκίδων. Η αντίδρασή του αρχικά με τα όξινα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου δίνει: FeSO 4.7H 2 O + Ca(HCO 3 ) 2 Fe(HCO 3 ) 2 + CaSO4 + 7H 2 O και Fe(HCO 3 ) 2 Fe(OH) 2 + CO 2 Με περαιτέρω προσθήκη υδρασβέστου, ο διττανθρακικός υποσίδηρος γίνεται: Fe(HCO 3 ) 2 +2Ca(OH) 2 Fe(OH) 2 +2CaCO 3 +2H 2 O Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 78

6 Στη συνέχεια, το σχηματισθέν υδροξείδιο του δισθενούς σιδήρου, Fe(OH) 2 οξειδώνεται από το διαλυμένο οξυγόνο σε υδροξείδιο του τρισθενούς σιδήρου, Fe(OH) 3, που είναι η επιθυμητή τελική μορφή: 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3 Η οξείδωση ευνοείται από την υψηλή τιμή του ph η οποία οφείλεται κατά μεγάλο μέρος στην προσθήκη της υδρασβέστου. Παρατηρείται ότι και στην περίπτωση αυτή λαμβάνουν χώρα τόσο η αμοιβαία συσσωμάτωση (Fe 3+ ) όσο και η συσσωμάτωση με σάρωση (Fe(OH) 3 ). Χλωριούχος σίδηρος Ο χλωριούχος σίδηρος, όταν διαλυθεί στο νερό, υδρολύεται ή αντιδρά με τα όξινα ανθρακικά άλατα του ασβεστίου ή με την προστιθέμενη υδράσβεστο, κατά τις αντιδράσεις: FeCl 3 + 3H 2 O Fe(OH) 3 + 3H + + 3Cl - 2FeCl 3 + 3Ca(HCO 3 ) 2 2Fe(OH) 3 + 3CaCl + 6CO 2 2FeCl 3 + 3Ca(OH) 2 2Fe(OH) 3 + 3CaCl 2 Και στις τρεις περιπτώσεις παράγεται ίζημα υδροξειδίου του τρισθενούς σιδήρου (Fe(OH) 3 ) το οποίο ευνοεί τη συσσωμάτωση με σάρωση. Υδράσβεστος Όταν χρησιμοποιηθεί ως μέσο συσσωμάτωσης μόνο υδράσβεστος, εκτός από την παρουσία των δισθενών θετικών ιόντων του ασβεστίου (Ca 2+ ) γίνεται αντίδραση με το ελεύθερο ανθρακικό οξύ (H 2 CO 3 ) και τα διττανθρακικά άλατα παράγοντας αδιάλυτο ανθρακικό ασβέστιο (CaCO 3 ), που αποτελεί τους πυρήνες κροκιδώσεως των κολλοειδών: Ca(OH) 2 Ca (OH) - Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 CaCO 3 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + Ca(HCO 3 ) 2 2CaCO 3 + 2H 2 O Λόγω των πολλών παραλλήλων αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα, απαιτείται αρκετή ποσότητα υδρασβέστου για να ικανοποιηθούν όλες οι απαιτήσεις. Η ποσότητα αυτή περιορίζεται σημαντικά αν γίνει συνδυασμός της χρήσης του με άλλα κροκιδωτικά μέσα (π.χ. θειικό αργίλιο). Ιζηματοποίηση Η ιζηματοποίηση (precipitation) είναι ταυτόχρονα φυσική και χημική διεργασία που εφαρμόζεται στην επεξεργασία του νερού. Στην ουσία πρόκειται για διεργασία αδιαλυτοποίησης ορισμένων ανεπιθύμητων συστατικών του νερού με σχηματισμό αδιάλυτων ενώσεων, λόγω αλλαγής της διαλυτότητάς τους. Η ιζηματοποίηση των διαφόρων συστατικών μπορεί να επιτευχθεί με: μεταβολή του ph (αύξηση ή μείωση), προσθήκη κατάλληλων αντιδραστηρίων, αλλαγή του αριθμού οξείδωσης των στοιχείων που πρόκειται να μετατραπούν σε ίζημα. Πρωτεύοντα ρόλο στη διεργασία αυτή παίζει η ιονική ισχύς του νερού και η οξειδωτική βαθμίδα των περιεχομένων στοιχείων. Οι μεταβολές του ph παίζουν σπουδαιότατο ρόλο στην ιζηματοποίηση, η οποία εφαρμόζεται σε συνδυασμό με τις διεργασίες της κροκίδωσης και της συσσωμάτωσης, στην ελάττωση της σκληρότητας του νερού (απομάκρυνση αλάτων Ca, Mg), για την απομάκρυνση των όξινων ανθρακικών (HCO 3 - ), των Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 79

7 βαρέων μετάλλων, των φθοριούχων (F - ), των φωσφορικών (PO 4 3- ) και των θειούχων ιόντων (S 2- ) με τη μορφή ιζημάτων. Με τη μέθοδο της χημικής κατακρήμνισης (ιζηματοποίησης) διαχωρίζονται ουσίες όπως για παράδειγμα οι ενώσεις διαφόρων μεταλλικών ιόντων (Fe 2+, Fe 3+, Cu 2+, Zn 2+, Cr 3+ κ.λ.π.). Τα πιο συνηθισμένα αντιδραστήρια κατακρήμνισης περιλαμβάνουν συνήθως τα υδροξείδια (ΟΗ - ) και τα σουλφίδια (S 2- ) και πιο σπάνια τα ανθρακικά ιόντα (CO 3 2- ). Τα προϊόντα των αντιδράσεων είναι αδιάλυτα άλατα που καθιζάνουν στον πυθμένα των δεξαμενών αντίδρασης ή των δεξαμενών τελικής καθίζησης. Τα χημικά αντιδραστήρια τα οποία χρησιμοποιούνται είναι συνήθως ισχυρά οξειδωτικά μέσα, όπως το όζον (O 3 ), το διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), το χλώριο (Cl 2 ), το υποχλωριώδες οξύ (HOCl), το υπεροξείδιο του υδρογόνου (H 2 O 2 ), το υπερμαγγανικό κάλιο (KMnO 4 ) κ.ά. Προσρόφηση σε ενεργό άνθρακα Εικόνα Πείραμα χημικής κατακρήμνισης Προσρόφηση είναι το φαινόμενο μεταφοράς μάζας από την υγρή ή αέρια φάση στην επιφάνεια ενός στερεού. Πρόκειται για διεργασία συσσώρευσης των συστατικών τα οποία βρίσκονται σε ένα διάλυμα πάνω σε μια κατάλληλη επιφάνεια. Η προσρόφηση των συστατικών στο προσροφητικό μέσο πραγματοποιείται δια μέσου των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που έλκουν το προσροφούμενο συστατικό από το διάλυμα στη στερεά επιφάνεια του προσροφητικού. Οι δυνάμεις ή ο μηχανισμός με τον οποίο το προσροφούμενο συστατικό έλκεται στην επιφάνεια του προσροφητικού υλικού, μπορεί να είναι φυσικές ή χημικές χωρίς σαφή προσδιορισμό μεταξύ των φυσικών και χημικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται. Επιτυγχάνεται με στερεά προσροφητικά μέσα, όπως ο ενεργός άνθρακας, διάφορα συνθετικά πολυμερή και κάποια προσροφητικά μέσα που βασίζονται στο πυρίτιο και εφαρμόζεται για την απομάκρυνση οργανικών ενώσεων και ιχνοστοιχείων. Ο ενεργός άνθρακας παράγεται από ποικίλες οργανικές πρώτες ύλες (ύλες με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα), όπως ξύλο, λιγνίτη κ.ά. Η πρώτη ύλη απανθρακώνεται απουσία αέρα στους 650 o C περίπου ή οξειδώνεται με κατάλληλους ατμούς και αέρια, όπως ο υδρατμός και το διοξείδιο του άνθρακα, στους 850 o C περίπου. Με τη θερμική επεξεργασία α άνθρακας αποκτά πόρους με πολύ μεγάλη ειδική επιφάνεια ( m 2 /g). Στην επιφάνεια αυτή μπορεί να γίνει προσρόφηση των διαλυμένων οργανικών ουσιών οι οποίες υπάρχουν στο νερό. Υπάρχουν δύο είδη ενεργού άνθρακα, ο κοκκοποιημένος (Granular Activated Carbon GAC) και ο κονιορτοποιημένος (Powdered Activated Carbon PAC). Ο κοκκώδης (κοκκοποιημένος) ενεργός άνθρακας έχει συνήθως την κοκκομετρική σύνθεση της άμμου των διυλιστηρίων (0.1 1,0 mm). Η διάμετρος του κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα κυμαίνεται μεταξύ mm. Η προσροφητική ικανότητά του είναι μεγάλη γιατί μισό κιλό λεπτού κονιορτοποιημένου ενεργού άνθρακα περιέχει κόκκους ενώ 30 περίπου λίτρα κόκκων έχουν ολική επιφάνεια περίπου 28 Km 2. Ο κοκκώδης ενεργός άνθρακας απομακρύνει αποτελεσματικά τα διαλυμένα οργανικά συστατικά ακόμα και όταν αυτά βρίσκονται στο νερό σε χαμηλές Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 80

8 συγκεντρώσεις. Οι οργανικές ουσίες προσροφώνται στη μεγάλη ειδική επιφάνεια του άνθρακα ενώ, παράλληλα, η βιολογική αποικοδόμηση ανοίγει ξανά τους πόρους και τις διόδους μεταξύ των κόκκων. Γενικά, έχει παρατηρηθεί ότι με τη χρήση του ενεργού άνθρακα, για την απομάκρυνση των οργανικών ενώσεων, τα οργανικά συστατικά μικρού μοριακού βάρους δεν δεσμεύονται από το σύστημα του ενεργού άνθρακα. Η προσρόφηση των ρύπων εξασφαλίζεται σε κλίνες, οι οποίες περιέχουν ενεργό άνθρακα σε κοκκώδη μορφή. Οι κλίνες που περιέχουν κονιορτοποιημένο ενεργό άνθρακα παρουσιάζουν προβλήματα απόφραξης των πόρων τους από τα σωματίδια που περιέχει το νερό. Μετά από αρκετές χρήσεις ο άνθρακας πρέπει να αναγεννηθεί. Αυτό επιτυγχάνεται με τη θέρμανσή του στους o C. Οι μονάδες επαφής του άνθρακα με το νερό αποτελούνται είτε από κλίνες με καθοδική ροή, που προσροφούν και διυλίζουν ταυτόχρονα τα αιωρούμενα στερεά είτε από στήλες με ανοδική ή καθοδική ροή. Ο χρόνος επαφής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περιορισμένος διότι οι αυξημένοι χρόνοι, παρ όλο που δεν βελτιώνουν ουσιαστικά την απόδοση, οδηγούν στη δημιουργία ανεπιθύμητων αναερόβιων συνθηκών. Ο σχεδιασμός των μονάδων επεξεργασίας με ενεργό άνθρακα γίνεται με βάση έξι σημαντικές παραμέτρους οι οποίες είναι: η ποσότητα ενεργού άνθρακα (απαίτηση αναγέννησης), ο χρόνος επαφής, το υδραυλικό φορτίο, ο ρυθμός καθαρισμού, η διάταξη ροής (ανοδική ή καθοδική, ένα ή πολλά στάδια) και η λειτουργία και είδος δεξαμενής επαφής (με βαρύτητα ή πίεση, χαλύβδινη ή από σκυρόδεμα). Ο κονιορτοποιημένος ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται με επιτυχία σε ταμιευτήρες νερού και σε δεξαμενές καθίζησης, όπου ενεργεί τόσο σαν προσροφητικό μέσο των στοιχείων που προκαλούν οσμή και γεύση όσο και σαν εμπόδιο στην είσοδο του ηλιακού φωτός και συνεπώς στην ανάπτυξη μικροοργανισμών. Ιοντοανταλλαγή Η ιοντοεναλλαγή είναι μια φυσικοχημική διεργασία με την οποία επιτυγχάνεται μεταφορά ιόντων από ένα αδιάλυτο στερεό σε μια υγρή φάση και αντίστροφα. Πιο απλά, ιόντα ενός είδους που βρίσκονται σε ένα αδιάλυτο μέσο ανταλλαγής αντικαθίστανται από ιόντα διαφορετικού είδους που βρίσκονται στο διάλυμα. Το αδιάλυτο στερεό διαθέτει ευκίνητα ανιόντα ή κατιόντα ικανά για αντιστρεπτή και στοιχειομετρική εναλλαγή με ιόντα ίδιου φορτίου από το διάλυμα ενός ηλεκτρολύτη με το οποίο έρχεται σε επαφή. Η διεργασία αυτή βασίζεται στην ικανότητα κάποιων υλικών - ορυκτών (ζεόλιθοι) ή συνθετικών (ρητίνες) - να δεσμεύουν εκλεκτικά διάφορα ιόντα. Μέσα από μια υψίκορμη κυλινδρική δεξαμενή που περιέχει τον ιοντοεναλλάκτη, διέρχεται το νερό και ο ιοντοεναλλάκτης δεσμεύει τα προς απομάκρυνση ιόντα. Ένα ιόν ανταλλάσσεται με κάποιο άλλο, κρατείται προσωρινά στο μέσο και κατόπιν απελευθερώνεται στο διάλυμα αναγέννησης. Μετά από πολλές χρήσεις ο ιοντοεναλλάκτης (η ρητίνη) αναγεννιέται για να επαναχρησιμοποιηθεί. Η εκλεκτικότητα των ρητινών εξαρτάται από το σθένος, τον ατομικό αριθμό και την ακτίνα των ενυδατωμένων ιόντων, καθώς και από τη συγκέντρωση των διαλυμένων στερεών (TDS). Η σειρά εκλεκτικότητας μιας ισχυρά κατιονικής ρητίνης για TDS<1000 mg/l είναι: Sr 2+ >Ca 2+ >Mg 2+ >NH 4 + >Na +. Αυτό σημαίνει ότι όταν δεσμευθούν όλα τα ιόντα στην κλίνη, τα πρώτα ιόντα που θα εμφανιστούν στην έξοδο θα είναι NH 4 + και Na +. Η σειρά εκλεκτικότητας μιας ισχυρά ανιονικής ρητίνης είναι: SO 4 2- >NO 3 - >Br - >Cl - >HCO 3 - >HSiO 3 -. Η σειρά εκλεκτικότητας δείχνει ότι το SiO 2 θα είναι το πρώτο συστατικό που θα εμφανιστεί στην έξοδο. Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 81

9 Ο κύκλος λειτουργίας μιας κλίνης ρητινών περιλαμβάνει τη δέσμευση ιόντων, την αντίστροφη πλύση, την αναγέννηση, την εκτόπιση - αργή έκπλυση και την έκπλυση. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ιοντοεναλλαγής αποτελεί ο απιονισμός και η αποσκλήρυνση του νερού. Κατά τον απιονισμό απομακρύνονται όλα τα διαλυμένα ιόντα με συνδυασμένη χρήση κατιονικών και ανιονικών ρητινών. Κατά την αποσκλήρυνση απομακρύνονται τα ιόντα ασβεστίου (Ca 2+ ) και μαγνησίου (Mg 2+ ) από το νερό με τη χρήση ισχυρά κατιονικών ρητινών σε κύκλο νατρίου. Η ρητίνη (RNa) δεσμεύει το ασβέστιο και το μαγνήσιο και το εναλλάσσει με νάτριο (σχήμα 12.2). Ρητίνες χρησιμοποιούνται επίσης στην απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων, των αμμωνιακών (ΝΗ 4 + ), των νιτρικών (ΝΟ 3 - ) ιόντων, ακόμα και στην επεξεργασία των ραδιενεργών αποβλήτων. Σχήμα Απομάκρυνση ιόντων ασβεστίου με ιοντοεναλλαγή Η αντιστροφή της διεργασίας (δηλαδή η αναγέννηση της ρητίνης) επιτυγχάνεται με τη διαβίβαση διαμέσου της ρητίνης κορεσμένου διαλύματος χλωριούχου νατρίου (NaCl) Ca ( R) Mg ( R) 2 RNa + Ca + 2Na RNa + Mg + 2Na + + Οι ρητίνες ιοντοεναλλαγής ταξινομούνται ανάλογα με τη λειτουργική ικανότητά τους που προσδιορίζεται από τις ιονιζόμενες μονάδες που είναι προσκολλημένες στις ρητινικές «σφαίρες» (0,3 mm 1,2 mm, ειδικό βάρος 1,1-1,5). Υπάρχουν δηλαδή: Κατιοντικές ισχυρού οξέος (SAC), οι οποίες μπορούν να εξουδετερώνουν ισχυρές βάσεις και να μετατρέπουν ουδέτερα άλατα στα αντίστοιχα οξέα (σουλφονικές ομάδες HSO 3 - ). Οι ρητίνες αυτές απομακρύνουν όλα τα κατιόντα. Κατιοντικές ασθενούς οξέος (WAC), οι οποίες μπορούν να εξουδετερώνουν ισχυρές βάσεις (καρβοξυλικές ομάδες, -COOH). Οι ρητίνες αυτές δεν απομακρύνουν όλα τα κατιόντα και χαρακτηρίζονται από υψηλή ικανότητα αναγέννησης. Ανιοντικές ισχυρής βάσης (SBA), οι οποίες μπορούν να εξουδετερώνουν ισχυρά οξέα και να μετατρέπουν ουδέτερα άλατα στις αντίστοιχες βάσεις (τεταρτοταγές αμμώνιο). Οι ρητίνες αυτές απομακρύνουν όλα τα κοινά ανιόντα, αναγέννηση με NaOH. Ανιοντικές ασθενούς βάσης (WBA), οι οποίες μπορούν να εξουδετερώνουν ισχυρά οξέα (τεταρτοταγείς αμίνες). Οι ρητίνες αυτές απομακρύνουν τα περισσότερα οξέα. Διήθηση Η διήθηση επιτυγχάνεται με κοκκώδη υλικά σε κλίνες και εφαρμόζεται για την απομάκρυνση αργίλων, μικροοργανισμών και προϊόντων ιζηματοποίησης. Περιλαμβάνει πολλές παραλλαγές όπως η διήθηση Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 82

10 χώρου, η διήθηση επιφάνειας κ.λ.π. που βασίζονται στη διήθηση του νερού, με βαρύτητα ή υπό πίεση, με διάφορους συνδυασμούς διηθητικών μέσων όπως η άμμος, ο ανθρακίτης και διάφορες συνθετικές ίνες και μεμβράνες. Στις εφαρμογές μεμβρανών ανήκει η μικροδιήθηση (MF), η υπερδιήθηση (UF), η νανοδιήθηση (NF) και η αντίστροφη όσμωση (RO). Η εφαρμογή των μεμβρανών στην προχωρημένη επεξεργασία του νερού είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία πολλά υποσχόμενη, που κερδίζει συνεχώς έδαφος έναντι άλλων διεργασιών. Βασικό μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος και η μεγάλη κατανάλωση ενέργειας. Τα αποτελέσματα όμως είναι εκπληκτικά (πίνακας 12.2). Οι μεμβράνες κατασκευάζονται συνήθως από οξική κυτταρίνη (rayon) ή από ιδιοσκευάσματα πολυμερών όπως τα πολυαμίδια. Κάθε μεμβράνη παρουσιάζει βέλτιστες τιμές απόδοσης σε ορισμένο εύρος θερμοκρασίας, ph και ποιοτικών χαρακτηριστικών ενός υγρού, γεγονός που απαιτεί πειραματικά στοιχεία για την επιλογή της. Ενδεικτικά στις μεθόδους διαχωρισμού στερεών με μεμβράνες αναφέρεται η μικροδιήθηση (MF) με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 0,05 2,0 μm, η υπερδιήθηση (UF), με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 2,0 0,05 μm, και η νανοδιήθηση (NF) με μέγεθος πόρων μεμβράνης από 0,5 2,0 nm. Πίνακας Απομάκρυνση διαφόρων συστατικών με τη χρήση μεμβρανών Συστατικό MF UF NF RO Βιοαποικοδομήσιμες οργανικές ενώσεις - TDS - - TSS - - Βαριά μέταλλα - - Σκληρότητα - - Νιτρικά ιόντα - - Συνθετικές οργανικές ενώσεις - - Οργανικοί ρύποι προτεραιότητας - Βακτήρια Κύστες πρωτόζωων, ωοκύστεις και ωάρια ελμίνθων Ιοί - - Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της χρήσης μεμβρανών είναι ο μεγάλος βαθμός απομάκρυνσης οργανικών ουσιών και διαλυτών αλάτων, ενώ τα σημαντικότερα μειονεκτήματα τα οποία περιορίζουν την ευρεία εφαρμογή της, είναι το υψηλό κόστος των διατάξεων και το υψηλό κόστος λειτουργίας που οφείλεται κυρίως στις μεγάλες καταναλώσεις ενέργειας για την επίτευξη της απαιτούμενης υπερπίεσης και στις απαιτήσεις για τακτικές αντικαταστάσεις ή καθαρισμό των μεμβρανών. Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 83

11 Εικόνα Κεραμικές μεμβράνες Αντίστροφη όσμωση Οι (ημιπερατές) μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στην αντίστροφη όσμωση (RO) θεωρητικά δεν έχουν πόρους. Μ αυτές επιτυγχάνεται πλήρης απομάκρυνση διαλυτών αλάτων και οργανικών μικρορυπαντών από το νερό, το οποίο διαβιβάζεται σε συνθήκες υπερπίεσης στην ημιπερατή μεμβράνη, οπότε τα μόρια του νερού και μικρό μέρος των διαλυτών ενώσεων διέρχονται από τη μεμβράνη ενώ το μεγαλύτερο μέρος των διαλυτών ενώσεων δεν διέρχεται και συμπυκνώνεται. Η καλή λειτουργία των διατάξεων αντίστροφης όσμωσης επηρεάζεται από την ύπαρξη πολλών κολλοειδών και αιωρουμένων σωματιδίων, τα οποία φράζουν τους πόρους της μεμβράνης. Σε περίπτωση λοιπόν υψηλών απαιτήσεων απομάκρυνσης σωματιδίων και κολλοειδών οι διατάξεις αντίστροφης όσμωσης ακολουθούν τις διατάξεις διαύγασης που είναι οι διεργασίες καθίζησης, θρόμβωσης, αμμοδιύλισης και προσρόφησης σε ενεργό άνθρακα. Η αντίστροφη όσμωση είναι μια μέθοδος αντιστροφής της φυσικοχημικής διεργασίας που καλείται όσμωση. Είναι μια διεργασία κατά την οποία μια μεμβράνη (σχήμα 12.3) δρα σαν μοριακό φίλτρο που συγκρατεί τα διαλυμένα συστατικά ενός υδατικού διαλύματος. Η διεργασία αυτή χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό διαλυτών συστατικών του νερού. Ωθούσα δύναμη είναι η πίεση που εφαρμόζεται σε ένα υδατικό διάλυμα η οποία υπερβαίνει την οσμωτική πίεση του διαλύματος έναντι μιας ημιπερατής μεμβράνης. Η δύναμη αυτή εξαναγκάζει τη διέλευση καθαρού νερού διαμέσου της ημιπερατής μεμβράνης και όχι των διαλυτών συστατικών του (σχήμα 12.4). Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 84

12 Σχήμα Ωθούσα δύναμη Όσμωση Στο σχήμα 12.4 παρίσταται το φαινόμενο της όσμωσης (α), της οσμωτικής ισορροπίας (β) και της αντίστροφης όσμωσης (γ). Σχήμα Σχηματική παράσταση της όσμωσης (α), της οσμωτικής ισορροπίας (β) και της αντίστροφης όσμωσης (γ) Όταν δύο διαλύματα διαφορετικής συγκέντρωσης διαχωρίζονται από μια ημιπερατή μεμβράνη, τότε το καθαρό νερό διέρχεται διαμέσου της μεμβράνης από το διάλυμα (Α) με τη μικρότερη συγκέντρωση προς το διάλυμα (Β) με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση (α). Η οσμωτική ροή συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία, η οποία χαρακτηρίζεται από την υψηλότερη στάθμη του διαλύματος με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Αυτή η κατάσταση ισορροπίας είναι γνωστή ως οσμωτική και η διαφορά της στάθμης των διαλυμάτων αντιστοιχεί στην οσμωτική πίεση του συστήματος των δύο διαλυμάτων (β). Εάν στο διάλυμα Β εφαρμοστεί εξωτερική πίεση (P) μεγαλύτερη από την οσμωτική, τότε διέρχεται διαμέσου της μεμβράνης καθαρό νερό προς το διάλυμα Α (γ). Η διεργασία αυτή ονομάζεται αντίστροφη όσμωση (Reverse Osmosis RO). Η κύρια εφαρμογή της αντίστροφης όσμωσης είναι η αφαλάτωση του νερού. Για την εφαρμογή της μεθόδου απαιτείται προκατεργασία του νερού για την αποφυγή σχηματισμού επικαθίσεων από κολλοειδή σωματίδια, διαλυμένα άλατα (CaCO 3, CaSO 4, BaSO 4, SiO 2 κ.ά.) και μικροοργανισμούς. Επίσης, συχνά απαιτείται και μετεπεξεργασία (π.χ. διόρθωση ph). Η πίεση λειτουργίας για τα υφάλμυρα νερά είναι περίπου bar και για τα θαλασσινά περίπου 60 bar. Απολύμανση Η απολύμανση είναι συνήθως το τελευταίο στάδιο στην επεξεργασία του νερού (και των υγρών αποβλήτων) και έχει ως στόχο την καταστροφή ή την αδρανοποίηση των παθογόνων μικροοργανισμών ώστε να προστατευτεί η δημόσια υγεία. Όλες οι μέθοδοι απολύμανσης στοχεύουν στην καταστροφή των βακτηρίων, ιών και των λοιπών μικροοργανισμών που πιθανό να είναι φορείς ασθενειών, ή μπορούν να εξελιχθούν σε τέτοιους. Η μικροβιοκτόνος δράση του απολυμαντικού επιτυγχάνεται με καταστροφή ή εξασθένηση της οργάνωσης της κυτταρικής δομής των μικροοργανισμών, με παρέμβαση στον μεταβολισμό που είναι υπεύθυνος για την παραγωγή ενέργειας και με παρέμβαση στη βιοσύνθεση και την ανάπτυξη του μικροοργανισμού. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της απολύμανσης είναι το ίδιο το απολυμαντικό, ο χρόνος επαφής και ορισμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού όπως η θολότητα, η οργανική ύλη που περιέχει, το ph, η θερμοκρασία, οι αιωρούμενες ουσίες κ.λ.π. Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 85

13 Το απολυμαντικό μέσο πρέπει: να είναι δραστικό σε όλες τις κατηγορίες μικροοργανισμών που παρουσιάζονται ή αναμένεται να παρουσιασθούν στο σύστημα, να συμφέρει οικονομικά η εφαρμογή του, να μην δημιουργεί παρενέργειες στο σύστημα και να μη διευκολύνει την ανεξέλεγκτη ανάπτυξη ανεπιθύμητων ειδών, να μην δημιουργεί σοβαρούς κινδύνους για το προσωπικό και το περιβάλλον. Επισημαίνεται τέλος ότι οι παθογόνοι μικροοργανισμοί παρουσιάζουν διαφορετική ανθεκτικότητα στα διάφορα απολυμαντικά μέσα. Οι σπόροι των βακτηρίων και των πρωτόζωων παρουσιάζουν μεγάλη ανθεκτικότητα και ακολουθούν οι ιοί και τα βακτήρια. Ταξινόμηση των απολυμαντικών μέσων Τα απολυμαντικά μέσα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, μη χημικά και χημικά απολυμαντικά: τα μη χημικά μέσα είναι η υπεριώδης ακτινοβολία (UV), η ραδιενεργός ακτινοβολία, η αποστειρωτική διήθηση και η θερμότητα τα χημικά απολυμαντικά μέσα τα οποία διαχωρίζονται σε οξειδωτικά και μη οξειδωτικά. Οξειδωτικά απολυμαντικά τα οποία χρησιμοποιούνται στον έλεγχο της ανάπτυξης μικροοργανισμών στις δεξαμενές της εγκατάστασης επεξεργασίας νερού, στον αποχρωματισμό, στη βελτίωση οργανοληπτικών χαρακτηριστικών (οσμή, γεύση), στη καταστροφή ορισμένων οργανικών ρυπαντών και στην ιζηματοποίηση μετάλλων είναι: αέριο χλώριο (Cl 2 ), υποχλωριώδες (NaOCl) ή χλωριώδες νάτριο (NaOCl 2 ), διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), βρώμιο (Br 2 ), ιώδιο (I 2 ), υπεροξείδιο του υδρογόνου (H 2 O 2 ), όζον (O 3 ). Μη οξειδωτικά απολυμαντικά μέσα, συνήθως οργανικές ενώσεις οι οποίες δρουν ανεξάρτητα από την τιμή του ph, έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής και χρησιμοποιούνται στον έλεγχο μικροοργανισμών όπως είναι οι μύκητες, τα βακτήρια και τα φύκια: μεθυλενοδιθειοκυάνιο, διβρωμονιτριλοπροπιοαμίδιο, χλωριωμένες φαινόλες, ισοθειαζόλες, δι-τριβουτυλοξείδιο του κασσιτέρου. Χλωρίωση Η πιο συνηθισμένη σήμερα μέθοδος απολύμανσης είναι η χλωρίωση η οποία επιτυγχάνεται με προσθήκη στο νερό είτε ελεύθερου χλωρίου είτε χημικών ενώσεων του χλωρίου. Στον πίνακα 12.3 παρουσιάζονται οι χημικοί τύποι και η ονοματολογία των διαφόρων ιόντων του χλωρίου καθώς και οι χλωραμίνες που συνδέονται με τη χλωρίωση. Πίνακας Μορφές του χλωρίου και ουσίες που συνδέονται με τη χλωρίωση Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 86

14 Χημικός τύπος Cl 2 Cl - ClO - - ClO 2 - ClO 3 - ClO 4 Cl 2 O ClO 2 NH 2 Cl NHCl 2 NCl 3 Ονοματολογία Χλώριο Χλωριούχο ιόν Υποχλωριώδες ιόν Χλωριώδες ιόν Χλωρικό ιόν Υπερχλωρικό ιόν Μονοξείδιο χλωρίου Διοξείδιο του χλωρίου Μονοχλωραμίνη Διχλωραμίνη Τριχλωραμίνη Το χλώριο (Cl 2 ) είναι ουσία τοξική για τον άνθρωπο και τα ζώα, σε χαμηλές όμως συγκεντρώσεις οι οποίες απαιτούνται για την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών είναι αβλαβές. Η συνήθης περιεκτικότητα του χλωρίου στο νερό δεν υπερβαίνει το 1 mg/l (ppm) ενώ και 50 mg/l έχουν αποδειχθεί ακίνδυνα για τον ανθρώπινο οργανισμό. Η από το χλώριο προσδιδόμενη γεύση και οσμή, ακόμη και για περιεκτικότητες πολύ κατώτερες από το επικίνδυνο όριο, είναι τόσο δυσάρεστες που αποκλείουν την πόση του. Το χλώριο σαν ισχυρό οξειδωτικό μέσο αντιδρά με διάφορες ενώσεις (Fe 2+, NH 4 +, Mn 2+, S 2-, CN - κ.ά.) οι οποίες υπάρχουν στο νερό και τα απόβλητα. Το ποσό του χλωρίου που αντιδρά με τις ουσίες αυτές πριν αρχίσει η καθαρά απολυμαντική του δράση λέγεται απαιτούμενο χλώριο. Πέρα από την οξειδωτική του δράση, το χλώριο έχει μεγάλη καταστρεπτική δύναμη στους με το νερό μεταδιδόμενους παθογόνους μικροοργανισμούς. Η ποσότητα του χλωρίου που απαιτείται για απολύμανση εξαρτάται από την περιεκτικότητα των οργανικών ουσιών στο νερό. Σε συνήθεις περιπτώσεις πλήρης απολύμανση επιτυγχάνεται όταν, μετά την ανάμιξη και οξείδωση, η περιεκτικότητα του ελεύθερου χλωρίου, στο οποίο αναφερόμαστε παρακάτω, είναι περίπου 0,2 ppm. Περισσότερη χλωρίωση προσδίδει στο νερό οσμή και γεύση ενώ για περιεκτικότητα μικρότερη από το παραπάνω όριο (0,2 ppm) δεν εξασφαλίζεται πλήρης απολύμανση. Για να μην επιδρά δυσμενώς το ελεύθερο χλώριο στον φυσικό αποδέκτη πρέπει να ελέγχεται η περιεκτικότητα του. Επί πλέον της μικροβιοκτόνου του ικανότητας το χλώριο ενεργεί και σαν οξειδωτικός παράγοντας, διασπά τις οργανικές ουσίες, καθυστερεί την ανάπτυξη των φυκιών και μετατρέπει τον σίδηρο και το μαγνήσιο στα αντίστοιχα οξείδιά τους. Η ενέργεια του χλωρίου δεν είναι στιγμιαία. Σαν ελάχιστος χρόνος χλωρίωσης για τις καλύτερες περιπτώσεις θεωρούνται τα λεπτά. Γενικά, το ποσοστό καταστροφής των βακτηρίων εξαρτάται από τον χρόνο επαφής τους με το χλώριο. Σε νερά που χλωριώνονται πρέπει να μετρηθεί το υπολειμματικό χλώριο. Η τιμή του μας δείχνει αν η χλωρίωση που γίνεται είναι επαρκής. Όταν το αέριο χλώριο αναμιγνύεται με το νερό σχηματίζεται υποχλωριώδες οξύ (HOCI) κατά την εξίσωση: + + Cl2 + H2O HOCl+ H Cl Το υποχλωριώδες οξύ είναι ένα ασθενές οξύ που διασπάται στη συνέχεια σε ιόντα υδρογόνου (Η + ) και υποχλωριώδη ιόντα (ΟCl - ): HOCl H + + OCl Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 87

15 Η παρουσία του υποχλωριώδους οξέως στο νερό εξαρτάται κυρίως από το pη. Έτσι, σε χαμηλές τιμές ph υπερισχύει το HOCl, ενώ σε υψηλές τιμές υπερισχύουν τα υποχλωριώδη ιόντα (ΟCl - ). Η βακτηριοκτόνος δράση του υποχλωριώδους οξέως (HOCI) είναι ισχυρότερη από αυτήν του υποχλωριώδους ιόντος. Το υδροχλωρικό οξύ (HCl) που παράγεται κατά την αντίδραση εξουδετερώνεται από τα όξινα ανθρακικά (HCO 3 - ) του νερού. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή του ph και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο περισσότερη ποσότητα χλωρίου απαιτείται για την επιτυχή απολύμανση. Εάν χρησιμοποιηθεί χλωριώδες νάτριο (NaOCl 2 ) και αέριο χλώριο δημιουργείται διοξείδιο του χλωρίου το οποίο είναι το βακτηριοκτόνο μέσο: NaOCl + Cl 2ClO 2NaCl Το διοξείδιο του χλωρίου είναι σταθερό αέριο που παραμένει σαν υπόλειμμα στο νερό για μικρό χρονικό διάστημα και είναι ιδιαίτερα δραστικό σε υψηλές τιμές του ph. Εάν χρησιμοποιηθεί υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl) προκύπτει υποχλωριώδες οξύ και για υψηλές τιμές του ph μετατρέπεται σε υποχλωριώδες ιόν του οποίου η βακτηριοκτόνος δράση δεν είναι αποτελεσματική: NaOCl H O HOCl NaOH Στην περίπτωση αυτή απαιτείται διόρθωση του ph ώστε η τιμή του να είναι μικρότερη από 7,5. Το φως, η θερμοκρασία και ίχνη βαρέων μετάλλων δημιουργούν απώλειες ενεργού χλωρίου λόγω μετατροπής του σε χλωρικό και χλωριώδες νάτριο. Το τμήμα του συνολικά υπάρχοντος ενεργού χλωρίου, το οποίο βρίσκεται σε μορφή υποχλωριώδους οξέως (HOCl) και υποχλωριωδών ιόντων (ΟCl - ) είναι γνωστό σαν ελεύθερο διαθέσιμο χλώριο ή υπολειμματικό χλώριο. Σημειώνεται ότι σαν ενεργό χλώριο εννοείται το άθροισμα όλων των ενώσεων χλωρίου που υπάρχουν σε κάποια χρονική στιγμή στο νερό και έχουν απολυμαντική δράση. Ο πίνακας 12.4 δίνει το υποχλωριώδες οξύ σαν ποσοστιαία αναλογία του ελεύθερου διαθέσιμου χλωρίου για διάφορες τιμές του ph. Για μικρές εγκαταστάσεις είναι οικονομικότερη η χρήση του υποχλωριούχου ασβεστίου (Ca 2 OCl 2 ) αντί του χλωρίου σαν απολυμαντικό. Η ουσία αυτή αντιδρά με το νερό και απελευθερώνεται χλώριο. Η χλωρίωση του νερού πρέπει να γίνεται σωστά και να παρακολουθείται συστηματικά, ώστε να φθάνουν στους καταναλωτές μικρά μόνο ποσά χλωρίου και ποτέ παραπροϊόντα απολύμανσης. Πίνακας Ποσοστιαία αναλογία του ελεύθερου διαθέσιμου χλωρίου για διάφορες τιμές του ph ph Ποσοστό HOCl του ελεύθερου διαθέσιμου Cl % % % % Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 88

16 Όσον αφορά την απολύμανση των υγρών αποβλήτων με χλώριο, τονίζεται η δημιουργία παραπροϊόντων της χλωρίωσης (όπως τα τριαλομεθάνια, ΤΗΜ). Το χλώριο αντιδρά με οργανικές ενώσεις σχηματίζοντας αλογονοφόρμια ή τριαλομεθάνια όπως για παράδειγμα χλωροφόρμιο CHCl 3. Η ανησυχία για τις πιθανές επιπτώσεις των τριαλομεθανίων στην ανθρώπινη υγεία, άρχισε με την υπόθεση ότι το χλωροφόρμιο είναι καρκινογόνο. Σήμερα όμως μελετώνται και άλλες παρενέργειες όπως στειρότητα, επίδραση στα νεφρά ή το ήπαρ, επίδραση στο νεφρικό ή αιμοποιητικό σύστημα κ.λ.π. Οζόνωση Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί και άλλες τεχνολογίες απολύμανσης του νερού και των υγρών αποβλήτων και ιδιαίτερα η απολύμανση με όζον (Ο 3 ) η οποία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική. Επιπρόσθετα η διεθνής εμπειρία έχει καταδείξει ότι η χρήση του όζοντος αποτελεί ιδανική λύση για προχωρημένη επεξεργασία υγρών αποβλήτων με στόχο την ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίηση. Το όζον έχει πολύ ισχυρή και γρήγορη απολυμαντική δράση επιτυγχάνοντας ταυτόχρονα καταστροφή των ιών. Η ποσότητα όζοντος που απαιτείται για την απολύμανση βιολογικά κατεργασμένων λυμάτων είναι g/m 3 λυμάτων και η διάρκεια της αντίδρασης είναι λεπτά. Για πλήρη καταστροφή των κυτταρικών δεσμών ακόμη και στην περίπτωση των ιών, απαιτούνται υπολειμματικές συγκεντρώσεις από 0,2 έως 0,5 mg/l με χρόνο επαφής 6 λεπτά. Το όζον παράγεται από ατμοσφαιρικό αέρα που έχει υποστεί κατάλληλη επεξεργασία, ή από καθαρό οξυγόνο. Το αέριο όζον παράγεται με ηλεκτρική εκκένωση ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια τάσης 10 έως 20 KV. Η αντίδραση παραγωγής όζοντος λαμβάνει χώρα σε κατάλληλο αντιδραστήρα που καλείται οζονιστήρας και αποτελείται από ένα οριζόντιο ή κατακόρυφο κυλινδρικό δοχείο εντός του οποίου υπάρχει ένας ορισμένος αριθμός ανοξείδωτων σωλήνων προσαρμοσμένων σε μία συμπαγή κατασκευή και κολλημένων στα δύο σταθερά άκρα του δοχείου. Από την εξωτερική πλευρά των ανοξείδωτων σωλήνων και εντός του δοχείου ρέει το υγρό ψύξης (νερό) με σκοπό την απομάκρυνση της αναπτυσσόμενης θερμότητας κατά την παραγωγή του όζοντος. Αυτή η μέθοδος κατασκευής αποκλείει οποιανδήποτε επαφή του υγρού ψύξης με τα ηλεκτρόδια ψηλής τάσης. Οι μεταλλικοί σωλήνες παίζουν τον ρόλο θηκών εντός των οποίων εισέρχονται οι ειδικά βαθμονομημένοι γυάλινοι σωλήνες, των οποίων η εσωτερική μεταλλική επιφάνεια αποτελεί τα ηλεκτρόδια ψηλής τάσης. Στο διάκενο μεγάλης ακριβείας, το οποίο σχηματίζεται μεταξύ της εσωτερικής μεταλλικής επιφάνειας των σωλήνων και της εξωτερικής γυάλινης επιφάνειας, παράγεται η ακριβής ποσότητα του όζοντος. Σε κάθε μεταλλική θήκη εισέρχεται ένας γυάλινος σωλήνας. Το υψηλό δυναμικό που εφαρμόζεται ανάμεσα στο μέταλλο και στην μεταλλική επιφάνεια των γυάλινων σωλήνων (ηλεκτρόδια ψηλής τάσης), παράγει μία αθόρυβη ηλεκτρική εκκένωση κατά μήκος των σωληνώσεων. Κάτω από αυτές τις συνθήκες παράγεται το αέριο όζον το οποίο εξέρχεται από το δοχείο στην ζητούμενη συγκέντρωση. Το όζον παράγεται δηλαδή «επιτόπου», με μοναδικές απαιτήσεις ηλεκτρική ενέργεια και νερό ψύξης. Το όζον μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για απόσμηση του νερού. Οι οργανικές ενώσεις που περιέχουν θείο και άζωτο είναι οι κύριες αιτίες των οσμών. Μικρές ποσότητες όζοντος της τάξης των 1-2 mg/l, προστιθέμενες στο νερό είναι ικανές να οξειδώσουν αυτές τις ενώσεις. Παράλληλο όφελος της ικανότητας απόσμησης του όζοντος είναι ότι εμποδίζει την επανεμφάνιση των οσμών. Σημειώνεται ότι η ροή αερίου αποτελείται κατά 95% από ατμοσφαιρικό αέρα με αποτέλεσμα οι αερόβιες συνθήκες που δημιουργούνται κατά την επεξεργασία με όζον να αποκλείουν το σχηματισμό οσμών. Η δράση του όζοντος στην αφαίρεση οσμών στηρίζεται αφενός στην αντιμικροβιακή δράση μέσω οξείδωσης των πρωτεϊνικών δομών (βακτηρίων ή ιών) και αφετέρου στην οξείδωση των οσμηρών ενώσεων, ή το σχηματισμό ασταθών ενώσεων με τους φορείς των οσμών (ουρία, φαινόλες κ.λ.π.). Πλεονεκτήματα της απολύμανσης με όζον Απουσία προβλημάτων ασφάλειας σε σχέση με τη μεταφορά και την αποθήκευση, Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 89

17 Εξαίρετες απολυμαντικές ιδιότητες. Καταστρέφει ταχύτατα μικροοργανισμούς ανθεκτικούς στο χλώριο ή άλλα απολυμαντικά όπως αμοιβάδες, κόκκοι, μύκητες, μυξομύκητες, φύκια, σπόροι και κύστες, Μικροί χρόνοι εφαρμογής (ο οζονισμός απαιτεί περίπου 10 min ενώ η χλωρίωση min). Η απολύμανση λαμβάνει χώρα σχεδόν ακαριαία, Μικρότερη ευαισθησία της μεθόδου στο ph και τη θερμοκρασία. Η απολυμαντική ικανότητα παρουσιάζεται αναλλοίωτη για ph 6 10 και θερμοκρασία 2 30 o C, Βελτίωση της ποιότητας του υδάτινου αποδέκτη λόγω της μεγάλης συγκέντρωσης διαλυμένου οξυγόνου στο αέριο εξόδου, Δεν προκαλείται αύξηση των ολικών διαλυμένων στερεών στα επεξεργασμένα απόβλητα, Επιτυγχάνεται μείωση του χρώματος και της θολότητας των αποβλήτων, Το υπολειμματικό όζον μιας διεργασίας απολύμανσης είναι εξίσου τοξικό με το υπολειμματικό χλώριο αλλά αποσυντίθεται πολύ γρήγορα, οπότε δεν δημιουργεί προβλήματα στον υδάτινο αποδέκτη. Μειονεκτήματα της απολύμανσης με όζον Υψηλό πάγιο και λειτουργικό κόστος, Ορισμένα βιομηχανικά απόβλητα περιέχουν ρυπαντές που καταναλώνουν οξειδωτικό ανταγωνιστικά, γεγονός που μπορεί να καταστήσει τον οζονισμό ασύμφορο, Απαιτείται πιλοτική εγκατάσταση για να βρεθεί η βέλτιστη δόση όζοντος, Σχηματίζονται ενώσεις επικίνδυνες για την υγεία όπως εποξείδια, βρωμικά και βρωμιωμένες οργανικές ενώσεις. Απολύμανση με υπεριώδη ακτινοβολία (UV) Η μέθοδος απολύμανσης νερού και υγρών αποβλήτων με υπεριώδη ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην καταστροφή μονοκύτταρων μικροοργανισμών, όπως είναι οι παθογόνοι ιοί. Η καταστροφή των μικροοργανισμών οφείλεται στην απορρόφηση της ακτινοβολίας από το γενετικό υλικό (DNA) των κυττάρων. Η μέγιστη καταστροφική ικανότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας επιτυγχάνεται σε μήκος κύματος nm, όπου αναφέρεται η μέγιστη απορρόφησή της από τα νουκλεϊνικά οξέα. Αν και όλοι οι μικροοργανισμοί προσβάλλονται από την υπεριώδη ακτινοβολία, η ευαισθησία τους ποικίλλει εξαρτώμενη από την αντίσταση στη διείσδυση της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η χημική σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος και το πάχος του καθορίζουν την αντίσταση των μικροοργανισμών στην υπεριώδη ακτινοβολία. Έκθεση των μορίων με προσβεβλημένο μετά την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία DNA σε ακτινοβολία στην περιοχή του ορατού γαλάζιου φωτός ( nm) μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την επανόρθωση της βλάβης και πρέπει να αποφεύγεται. Αυτό το φαινόμενο αφορά σε ορισμένους μόνο μικροοργανισμούς και γενικά δεν αφορά στους ιούς. Για παράδειγμα ο Streptococcus δεν φωτοεπισκευάζεται ενώ αντίθετα η Shigella φωτοεπισκευάζεται. Μέτρο της αποτελεσματικότητας της απολύμανσης με υπεριώδη ακτινοβολία αποτελεί η ποσότητα - δόση της ενέργειας που απορροφάται από το μικροοργανισμό. Η ποσότητα αυτή είναι το γινόμενο του ρυθμού με τον οποίο η ενέργεια παρέχεται (ένταση) επί τον χρόνο κατά τον οποίο ο μικροοργανισμός εκτίθεται σε αυτή. Παρ όλα αυτά, αύξηση της δόσης οδηγεί συχνά σε μειωμένη απολυμαντική δράση, γεγονός που οφείλεται στην προσρόφηση των βακτηρίων στα αιωρούμενα σωματίδια. Μια άλλη παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη είναι ότι ορισμένες ανόργανες και οργανικές ενώσεις που υπάρχουν στο νερό απορροφούν στο μήκος κύματος της εκπεμπόμενης υπεριώδους ακτινοβολίας. Η δόση της ακτινοβολίας εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας (ενέργεια, mw) και το χρόνο (διάρκεια ακτινοβολίας, s). Είναι αντιστρόφως ανάλογη προς την επιφάνεια που ακτινοβολείται (cm 2 ). Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 90

18 mw D = s 2 cm Πλεονεκτήματα της απολύμανσης με UV Δεν επιφέρει χημικές μεταβολές στα απόβλητα οπότε δεν μεταβάλει την επίπτωσή τους στον υδάτινο αποδέκτη, Δεν υπάρχει τοξική υπολειμματική συγκέντρωση, Είναι αποτελεσματική για πολλά και διάφορα είδη μικροοργανισμών, Ο εξοπλισμός καταλαμβάνει μικρό χώρο και είναι σχετικά οικονομικός. Μειονεκτήματα της απολύμανσης με UV Απουσία μιας μετρήσιμης υπολειμματικής ποσότητας (δυσκολία όσον αφορά τον άμεσο έλεγχο της διαδικασίας), Απουσία μεθόδων μέτρησης της δόσης, γεγονός που παρεμποδίζει επίσης τον έλεγχο, Πιθανότητα φωτοεπισκευής των κυττάρων που έχουν πληχθεί από την ακτινοβολία UV, Πτώση της απόδοσης των συσκευών ακτινοβολίας και της διάρκειας ζωής των λαμπτήρων, Λαμπτήρες και επιφάνειες ανάκλασης λερώνουν με την πάροδο του χρόνου. Σύγκριση των τριών μεθόδων απολύμανσης και δράση απολυμαντικών Συνοπτικά, στον πίνακα 12.5 γίνεται σύγκριση της οζόνωσης, της απολύμανσης με UV και της χλωρίωσης με βάση την απολυμαντική ικανότητα, την επικινδυνότητα των χρησιμοποιούμενων υλικών και την οικονομικότητα. Το όζον δρα απευθείας και καταστρέφει την ίδια την κυτταρική μεμβράνη, ενώ δεν επηρεάζει ουσιαστικά το ph με αποτέλεσμα να μην απαιτούνται πρόσθετα για τη διόρθωσή του. Εάν καταστραφεί η κυτταρική μεμβράνη δεν συγκρατείται το κυτταρικό υλικό με αποτέλεσμα την πλήρη καταστροφή του κυττάρου. Περιπτώσεις επανανάπτυξης μικροοργανισμών δεν έχουν αναφερθεί. Τέλος, έχει διαπιστωθεί και αποδειχθεί η αποτελεσματική δράση του όζοντος σε είδη μικροοργανισμών που διαφεύγουν της χλωρίωσης και της απολύμανσης με UV. Το όζον έχει πολύ μικρό χρόνο ζωής (30 min). Είναι χαρακτηριστικό ότι η έκθεση σε 1000 ppm όζοντος για 30 sec μπορεί να προκαλέσει ελαφρό ερεθισμό ενώ ισοδύναμη έκθεση σε αέριο χλώριο (Cl 2 ) ή διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ) συχνά αποβαίνει μοιραία. Η παραγωγή και η κατανάλωση του παραγόμενου όζοντος γίνεται σε κλειστό κύκλωμα και η περίσσεια καταστρέφεται σε θερμοκαταλυτικό αντιδραστήρα (καταστροφέας όζοντος). Το όζον όχι μόνο δεν δημιουργεί επικίνδυνα παραπροϊόντα, αλλά αντίθετα έχει θετική επίδραση στα φυσικά χαρακτηριστικά του αποδέκτη. Προβλήματα επιβάρυνσης του αποδέκτη με τοξικές ουσίες δεν έχουν παρατηρηθεί, καθώς οι όποιες ενώσεις είναι δυνατό, θεωρητικά, να σχηματιστούν είναι εξαιρετικά ασταθείς και μεταπίπτουν σε αδρανείς οργανικές και ανόργανες ενώσεις πριν την έξοδό τους από τη δεξαμενή επαφής όζοντος- αποβλήτων. Κατά την οζόνωση γίνεται ταυτόχρονη απομάκρυνση χρώματος, απόσμηση, αύξηση του διαλυμένου οξυγόνου στα απόβλητα και καταστροφή επικίνδυνων οργανικών ουσιών. Πίνακας Σύγκριση τριών μεθόδων απολύμανσης νερού και υγρών αποβλήτων ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗΣ Οζόνωση UV Χλωρίωση Απομάκρυνση κολοβακτηριδίων Πολύ καλή Πολύ καλή Πολύ καλή Απομάκρυνση ιών Πολύ καλή Καλή Μέτρια Πιθανότητες επανανάπτυξης μικροοργανισμών Καμία Σημαντική Ελάχιστη Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 91

19 Επίδραση στον αποδέκτη Καμία Καμία Πολλά στερεά Παραπροϊόντα απολύμανσης Κανένα Κανένα Αλογονοφόρμια Επικινδυνότητα παραπροϊόντων Μηδενική Μηδενική Μεγάλη Επικινδυνότητα χρησιμοποιούμενων χημικών Καμία Καμία Μεγάλη Κόστος εγκατάστασης Σημαντικό Σημαντικό Μέσο Κόστος λειτουργίας και συντήρησης Μέσο Σημαντικό Μέσο Απαιτούμενη έκταση εγκατάστασης Μέση Μικρή Μεγάλη Η υπεριώδης ακτινοβολία, ουσιαστικά δρα ως «στειρωτικό» των μικροοργανισμών, επιδιώκοντας να εμποδίσει τον πολλαπλασιασμό τους. Με τη «στείρωση» των μικροοργανισμών αλλοιώνεται το DNA και το RNA, εμποδίζεται η μεταφορά γενετικού υλικού και άρα η αναπαραγωγή των μικροοργανισμών. Παρ όλα αυτά αρκετοί μικροοργανισμοί είναι ικανοί να επιδιορθώνουν μόνοι τους τις βλάβες του γενετικού υλικού, αναιρώντας την απολυμαντική επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας. Η μέθοδος απολύμανσης με υπεριώδη ακτινοβολία αντιμετωπίζει σημαντικά προβλήματα με τα αιωρούμενα στερεά. Έχει επίσης αναφερθεί στη βιβλιογραφία ότι η διείσδυση της UV ακτινοβολίας σε ένα συγκεκριμένο στρώμα αποσταγμένου νερού μειώνεται σε πολύ χαμηλό ποσοστό εάν στο δείγμα υπάρχει για παράδειγμα παρουσία ιόντων σιδήρου. Μεγάλη είναι η μείωση της απολυμαντικής δράσης της UV ακτινοβολίας από τη συσσώρευση ακαθαρσιών και λιπών στην επιφάνεια των λαμπτήρων και των ανακλαστήρων. Κατά τη χλωρίωση ο οξειδωτικός φορέας είναι το υποχλωριώδες οξύ (HOCl) και απαιτείται η διάχυσή του μέσα από την κυτταρική μεμβράνη για την καταστροφή του κυτταρικού υλικού. Το χλώριο δρα διαπερνώντας την κυτταρική μεμβράνη και αδρανοποιεί ορισμένα ένζυμα, σε ότι αφορά τα βακτήρια, ενώ σε ότι αφορά τους ιούς και τους άλλους μικροοργανισμούς ο τρόπος δράσης δεν έχει εξηγηθεί πλήρως και πιθανολογείται ότι επιδρά απευθείας στο DNA και RNA του πυρήνα. Η διαδικασία αδρανοποίησης των ενζύμων έχει διαπιστωθεί ότι είναι αναστρέψιμη. Η δράση του χλωρίου κατά των ιών είναι μικρότερη από εκείνη του όζοντος. Τόσο το αέριο χλώριο (Cl 2 ), όσο και το διοξείδιο του χλωρίου (ClO 2 ), είναι αέρια τοξικά και κάθε διαφυγή τους χαρακτηρίζεται σοβαρότατο ατύχημα. Ταυτόχρονα το ClO 2 είναι ιδιαίτερα ασταθές ακόμη και σε υδατικά διαλύματα, ιδιαιτέρως εάν συμπιεστεί. Η διάθεση χλωριωμένων αποβλήτων σε επιφανειακά ή υπόγεια νερά δημιουργεί μεγάλα προβλήματα στο οικοσύστημα ενώ οι συνέπειες γίνονται ακόμα μεγαλύτερες εάν τα νερά χρησιμοποιούνται ως πηγές υδροληψίας. Το Cl 2 αντιδρά με οργανικές ενώσεις σχηματίζοντας αλογονοφόρμια (τριαλομεθάνια, χλωροφόρμιο CHCl 3, βρωμοδιχλωρομεθάνιο CHCl 2 Br, χλωροδιβρωμομεθάνιο CHClBr 2 και βρωμοφόρμιο CHBr 3 ). Το χλωροφόρμιο θεωρείται καρκινογόνο, ενώ τα τρία βρωμιωμένα αλογονοφόρμια που δεν έχουν ελεγχθεί για καρκινογένεση είναι μεταλλαξιογόνα. Η χρήση ClO 2 ελαττώνει τις παραγόμενες συγκεντρώσεις αλογονοφορμίων, αλλά πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι πιθανό να επηρεάζει το αιμοποιητικό σύστημα. Για την αντιμετώπιση αυτών των προβλημάτων χρησιμοποιείται η μέθοδος της αποχλωρίωσης με την προσθήκη SO 2 πριν τη διάθεση στον τελικό αποδέκτη. Όμως μικρές διαταραχές στην προστιθέμενη ποσότητα SO 2 μπορούν να οδηγήσουν σε κατανάλωση του διαλυμένου οξυγόνου, αύξηση του BOD 5 και μείωση του ph. Ευθύμιος Νταρακάς Επ. Καθηγητής Τ.Π.Μ. Α.Π.Θ. 92