Ozon w uzdatnianiu wody

Ozon
w uzdatnianiu wody
UTLENIANIE MIKROZANIECZYSZCZEŃ W OBIEGU WODY
Substancje farmaceutyczne w obiegu wody
Eliminacja mikrozanieczyszczeń z wykorzystywanej
przez nas wody jest wyzwaniem, z którym musi się
zmierzyć coraz więcej zakładów i fabryk. Podczas
gdy konwencjonalne procesy uzdatniania wody nie
są w stanie całkowicie usunąć mikrozanieczyszczeń,
ozon okazuje się być jedną z najskuteczniejszych
alternatyw.
Farmaceutyki pomagają wielu ludziom i zwierzętom
walczyć z chorobą, pozostawać w zdrowiu i poprawić
jakość życia. Jednak znaczna część środków farmaceutycznych, po wydaleniu z organizmu, przedostaje się
do środowiska.
Nie stanowią one, co prawda, bezpośredniego zagrożenia, jednak zagrożenia długoterminowe stają się
coraz poważniejsze. Negatywne działanie mikrozanieczyszczeń i środków farmaceutycznych w wodach
powierzchniowych zostało już udowodnione na
podstawie wielu prowadzonych na szeroką skalę
badań. Prowadzi ono do negatywnych zmian w ekosystemie.
Mikrozanieczyszczenia w obiegu wody
Ř 6ÇVXEVWDQFMDPLWUZDā\PL
Ř 8OHJDMÇELRGHJUDGDFMLW\ONRZRJUDQLF]RQ\PVWRSQLX
Ř 0DMÇQHJDW\ZQ\ZSā\ZQDRUJDQL]P\
Ř 3RZRGXMÇ]DEXU]HQLDKRUPRQDOQH
Ř 0RJÇV]\ENRVLÛUR]SU]HVWU]HQLDÉZZRGRFLÇJDFK
02
Problem I: Trwałość
Nie wszystkie dopuszczone do użytku substancje
w farmacji, rolnictwie i przemyśle oraz w codziennej
konsumpcji są całkowicie biodegradowalne. Oznacza
to brak możliwości ich całkowitego usunięcia za
pomocą konwencjonalnych technologii. Powoduje to
wzrost poziomu (bioakumulację) sporej liczby substancji zanieczyszczających. Oznacza to stały wzrost poziomu zanieczyszczeń wody i dalsze negatywne skutki dla
środowiska wodnego w przyszłości, w razie braku
podjęcia stosownych kroków.
Problem II: Wpływ na gospodarkę
hormonalną
Niektóre mikrozanieczyszczenia (np. etynyloestradiol)
wpływają na ludzki i zwierzęcy układ hormonalny.
Tak zwane substancje zaburzające gospodarkę hormonalną (ang. endocrine disrupting compounds - EDC)
wykazują szkodliwe działanie nawet w niskim stężeniu.
Są one klasyfikowane jako wymagające szczególnej
uwagi. W związku z negatywnym wpływem na środowisko istot żywych, substancje te obecnie wiąże się z:
Ř QHJDW\ZQ\PZSā\ZHPQDUHSURGXNFMÛQLHNWµU\FK
gatunków ryb (w tym feminizacją samców),
Ř ]PQLHMV]HQLHPSāRGQRĘFLOXG]LL]ZLHU]ÇW]SRZRGX
pogorszenia jakości nasienia,
Ř ]ZLÛNV]HQLHPZ\VWÛSRZDOQRĘFLQLHNWµU\FKURG]DMµZ
nowotworów, prawdopodobnie powiązanych
z zaburzeniami hormonalnymi.
Źródła zanieczyszczeń
Ścieki
przemysłowe
Ścieki
komunalne
Ścieki
szpitalne
System
utylizacji
Oczyszczalnia
ścieków
System
utylizacji
Wody powierzchniowe,
wody gruntowe
Źródła wody pitnej, takie jak wody
gruntowe i powierzchniowe cechują się
różnym stężeniem mikrozanieczyszczeń
w zależności od stopnia ich wymieszania ze źródłami zanieczyszczeń.
Jako główne źródła trwałych mikrozanieczyszczeń w wodach powierzchniowych
wymienić należy komunalne oczyszczalnie
ścieków, ścieki odprowadzane z zakładów
farmaceutycznych i ośrodków zdrowia,
oraz terenów hodowli zwierząt.
Kolejne pośrednie źródła zanieczyszczeń
wynikają z niewłaściwej utylizacji niezużytych środków farmaceutycznych, niewłaściwego zagospodarowania odchodów
zwierzęcych oraz szlamu.
Uzdatnianie
wody pitnej
Główne źródła substancji zaburzających gospodarkę hormonalną.
= możliwość utylizacji ozonem.
Substancje zaburzające gospodarkę hormonalną w wysokich stężeniach przedostają się do wód gruntowych
i powierzchniowych mimo przejścia przez procesy oczyszczania ścieków.
03
Agent specjalny: ozon
Działanie substancji hormonalnych i trwałych
mikrozanieczyszczeń na nasz ekosystem
wymusza konieczność utylizacji na szerszą skalę.
Wiele oczyszczalni ścieków nie jest w stanie
eliminować tych zanieczyszczeń przy użyciu
obecnie posiadanych technologii.
Można przyjąć, że stała szybkości reakcji zanieczyszczeń o wartości > 105 M-1·s-1 oznacza szybką reakcję
z ozonem. Dla porównania: barwnik indygo (wykorzystywany m.in. do ilościowego wykrywania ozonu)
wykazuje stałą o wartości ~107 M-1·s-1, a siarkowodór
~3x104 M-1·s-1 dla reakcji z ozonem.
Liczne testy pilotażowe zastosowania ozonu jako
dodatkowego etapu oczyszczania wskazują, że jest on
skutecznym rozwiązaniem eliminacji trwałych zanieczyszczeń. Oznacza to możliwość wystarczającego
usunięcia z wody mikrozanieczyszczeń za pomocą
przyjaznych środowisku i opłacalnych dawek ozonu.
Różnica w stałej reakcji wynika głównie z różnych
punktów oddziaływania ozonu na cząsteczki.
Jak działa ozon?
Ozon szybko reaguje z mikrozanieczyszczeniami
zawierającymi dostępne grupy aminowe, wiązania
podwójne lub układy aromatyczne. Poza powyższymi
właściwościami typowymi dla polutantów, skuteczność
reakcji zależy również od wartości pH oraz od rozpuszczonej materii organicznej (ang. dissolved organic
carbon - DOC). Stopień eliminacji polutantu można
oszacować obserwując jego stałą szybkości reakcji
z ozonem.
Ř 1DSU]\NāDGα etynyloestradiol ulega oddziaływaniu na grupę fenolową.
Ř :SU]\SDGNXNDUEDPD]HSLQ\R]RQUHDJXMH
z podwójnym wiązaniem.
Ř 'LNORIHQDNLVXOIDPHWRNVD]ROSRVLDGDMÇIXQNF\MQH
grupy aminowe podlegające utlenianiu przez ozon.
Bezafibrat oraz ibuprofen nie posiadają w/w grup
funkcyjnych, zatem znacznie wolniej reagują
z ozonem [Schuhmacher].
Poniższa tabelka przedstawia stałą szybkości reakcji
różnych środków farmaceutycznych z ozonem.
Środek farmaceutyczny
k = [M-1·s-1]
Etynyloestradiol
~3,0 x 106
Bezafibrat
~0,6 x 103
Karbamazepina
~0,3 x 106
Diklofenak
~1,0 x 106
Ibuprofen
~9,6 x 103
Sulfametoksazol
~2,5 x 106
Źródło: Project Poseidon, EAWAG, Huber et al.
Rozpuszczanie ozonu:
Chwilę po wprowadzeniu ozonu do wody, wszelkie niebezpieczne
zanieczyszczenia ulegają skutecznej degradacji poprzez utlenianie.
04
Środki farmaceutyczne i ich oddziaływanie
Ogólnie w medycynie stosowanych jest ponad 2700 środków oraz ponad 600 w weterynarii.
Tabelka przedstawia polutanty o najwyższym stężeniu w wodach powierzchniowych
oraz skutki ich działania.
Substancje czynne
Zutylizowane
Środek
[kg/rok]
farmaceutyczny
Ogólna ilość
zutylizowanych
w roku 2001
Stężenie
[μg/L]
Oddziaływanie
Reakcja
Najwyższe odnotowane Oddziaływanie
Reakcja w środowisku
na różne
stężenie w wodach
(trudno degradowalne)
organizmy wodne
powierzchniowych
sulfametoksazol
erytromycyna
trimetoprym
klarytromycyna
53 600
19 199
11 427
7 159
1
1,7
0,2
0,003
X
diklofenak
ibuprofen
fenazon
propyfenazon
85 801
344 885
24 843
28 140
2
1,5
0,95
0,31
X
X
X
X
Leki przeciwpadaczkowe
karbamazepina
87 605
6,1
X
X
Leki
przeciwcholesterolowe
bezafibrat
kwas kolfibrowy
33 476
2
3,1
1,1
X
atenolol
13 594
0,22
X
indometacyna
3 721
0,7
X
Hormony
estradiol
etynyloestradiol
1 098
48
0,0006
0,002
Środki kontrastowe
iomeprol
iopamidol
iopromid
diatryzoat
83 377
42 994
64 056
60 687
0,89
2,8
8,5
15,8
385
0,1
X
170
0,18
X
Antybiotyki
Leki przeciwbólowe
Leki beta adrenolityczne
Leki przeciwreumatyczne
Leki cytostatyczne
cyklofosfamid
ifosfamid
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Źródło: MUNLV 2008
Terminy i ich definicje
Mikrozanieczyszczenie: zanieczyszczenie substancjami o względnie niskim stężeniu, opornymi na konwencjonalne metody oczyszczania.
Substancje zaburzające gospodarkę hormonalną
(EDC): zanieczyszczenia wywierające niekorzystny
wpływ na ludzki i zwierzęcy układ hormonalny.
Działanie to mogą wywoływać środki farmaceutyczne
lub inne substancje.
05
10,00
ścieki z oczyszczalni ścieków
5 mg/L ozon
10 mg/L ozon
15 mg/L ozon
Stężenie w μg/L
1,00
0,10
Antybiotyki
Leki beta
Leki
adrenolityczne przeciwpadaczkowe
Leki
przeciwcholesterolowe
Piżma
Środki
kontrastowe
Wykres przedstawia wyniki uzyskane w oczyszczalni ścieków w Brunswick przy zastosowaniu dawki ozonu o wartościach od 5 do 15 mg/L.
Podkreślają one wysoki stopień degradacji (nie pokazany = poniżej granicy wykrywalności), możliwy do uzyskania przy użyciu ozonu.
Ozon - udane testy pilotażowe
Systemy WEDECO zostały już użyte w kilu krajowych i
międzynarodowych projektach ograniczenia mikrozanieczyszczeń:
Ř 3URMHNW3RVHLGRQ
Oczyszczalnia ścieków w Braunschweig
styczeń 2001 – czerwiec 2004
(Nr ref. projektu EVK1-CT-2000-00047)
Ř 1DURGRZ\SURMHNWV]ZDMFDUVNL6WUDWHJLD0LFUR3ROO
Oczyszczalnia ścieków Wueri w Regensdorf
lipiec 2007 – październik 2008
Ř 3URMHNW3,/272;8QLZHUV\WHWX7HFKQLF]QHJRZ%HUOLQLH
Oczyszczalnia ścieków Berlin-Ruhleben
grudzień 2004 – lipiec 2005
Ř 3URMHNW3RVHLGRQ
EAWAG w Zurychu/oczyszczalnia ścieków Opfikon
Ř 3URMHNWEDGDZF]\8QLZHUV\WHWXZ6WXWWJDUFLH
Oczyszczalnia ścieków Busnau
grudzień 2003 – maj 2005
Ř 3URMHNW.RP2]RQ8QLZHUV\WHWX:LHGHăVNLHJR
Oczyszczalnia ścieków w Wiedniu
2007 – 2009
06
System WEDECO w oczyszczalni ścieków Wueri
w Regensdorf w Szwajcarii.
diatryzoat
iopromid
iopamidol
galaxolid
tonalid
diklofenak
ketoprofen
naproksen
ibuprofen
kwas kolfibrowy
karbamazepina
propranolol
metoprolol
sotalol
atenolol
roksytromycyna
karytromycyna
erytromycyna - H2O
erytromycyna
sulfametoksazol
trimetoprym
0,01
Ozon w użyciu
IA
EN ej
L
w
E
BI celulozoiczy);
n
ier in)
ap (kaol
p
ł
ys iała
b
ŚCIE
K
ie
lekanie)
icz u p
m res pow iza, pow
ok bka nol
ró ozo
I
odbarwianie; eliminacj
a
ChZT, cyjanków, pr tensy
substancji ho zeciwu dów
rm
o
nal tleni , fen
ogranicz
e
n
i
e
szla nych aczy o
,
mu ;
ob
;
wo
eny
d
b as jów;
w o a chłod n
,
)
i
k
y
r
ic z a (f a b
da d
o
na p
o m yc
ia w produkcji
ch
e
UD
O
WO
DA P R O C E S O W
Ozon jest jednym z najsilniejszych utleniaczy
dostępnych komercyjnie. Jest on powszechnie
stosowany w uzdatnianiu wód komunalnych
i ścieków. Oprócz dużego potencjału utleniania
jest on również przyjazny dla środowiska.
Polutanty, substancje barwiące, zapachy i mikroorganizmy ulegają bezpośredniemu zniszczeniu przez
utlenianie, bez niebezpieczeństwa powstania
szkodliwych chlorowanych produktów ubocznych
ani znacznych pozostałości.
W czasie reakcji ozon rozkłada się do tlenu, co czyni go
ekonomiczną i przyjazną dla środowiska alternatywą
dla procesów utleniania chlorem, absorpcji (węgiel
aktywowany) lub separacji (odwróconej osmozy).
Zalety stosowania ozonu:
Ř 2]RQHOLPLQXMHEDNWHULHZLUXV\RUD]ZLÛNV]RĘÉ
innych zanieczyszczeń organicznych
i nieorganicznych.
Ř 2]RQ]QDF]QLHRJUDQLF]DSR]LRPQLHEH]SLHF]Q\FK
środków chemicznych, takich jak chlor.
Ř 2]RQRGG]LDāXMHMDNRĘURGHNPLNURŶRNXODF\MQ\
ułatwiając usuwanie minerałów takich jak żelazo
czy mangan.
li,
DUKTU
IE PRiO
N
ydłuże
w
,
A
b
o
r
ALyfikacja ski do spożycia, nie
N
c
ś
d
o
O o atn
inowanie,
SK na m rzyd rzchni (lam
(pr ni
z e
gli em
nk
a
A ie; n;
N arwianja Fe/M;
b nac nów h
i
o
m e gl ałyc
i trw
cji
PR
O
bie
C
le
ESmasy
WO
pop
DA
kontrol rawa Ŷ
as
o
dezyn maku/ kulac PI
T
w
f
elimin ekcja; oni ji; o
acja us ; e d
sub uw li
sta an
n
A
Ř 2]RQQLHSR]RVWDZLDFKORURZDQ\FKSURGXNWµZ
ubocznych ani nieprzyjemnych smaków i zapachów.
Ř 2]RQMHVWJHQHURZDQ\QDPLHMVFXLZ]DOHĹQRĘFLRG
potrzeb, z powietrza lub tlenu i energii elektrycznej.
Ř %UDNNRQLHF]QRĘFLSU]HFKRZ\ZDQLDLREFKRG]HQLD
się ze środkami chemicznymi.
Utleniające działanie ozonu
Ozon szybko reaguje z wieloma związkami.
Tym samym, związki te są atakowane bezpośrednio
przez cząsteczki ozonu lub pośrednio poprzez rodniki
hydroksylowe. Najlepiej gdy ozon ulega całkowitej
konsumpcji w procesie reakcji, uwalniając tylko tlen.
Pozostałości ozonu w gazie wylotowym przekształcane
są w tlen przez destruktor ozonu.
Połączenie ozonu ze światłem UV lub nadtlenkiem
skutkuje powstaniem zaawansowanych procesów
XWOHQLDQLDPRJÇF\FKRJUDQLF]\ÉVWÛĹHQLHQDZHWQDMEDUdziej opornych substancji. Te zaawansowane procesy
XWOHQLDQLD$23SRPDJDMÇXQLHV]NRGOLZLÉLQQH
dotychczas niedegradowalne polutanty wody.
07
1) Roślinne tkanki przewodzące, transportujące w górę rośliny wodę z substancjami
odżywczymi pobranymi z gleby przez korzenie
2) Wiodąca na świecie
zajmująca się technologiami wody
Zatrudniamy 12 tysięcy pracowników połączonych wspólnym celem: tworzenie
innowacyjnych rozwiązań pozwalających na zapewnianie światowych potrzeb
związanych z technologiami wody. Opracowywanie nowych technologii,
które usprawnią sposób wykorzystania wody, jej oszczędzanie oraz ponowne
wykorzystanie w przyszłości ma kluczowe znaczenie dla naszej pracy.
Transportujemy, uzdatniamy, analizujemy i zwracamy wodę do środowiska,
pomagamy również ludziom w skutecznym wykorzystywaniu wody w ich domach,
zakładach i gospodarstwach. Nawiązaliśmy silne, długotrwałe relacje z klientami
w ponad 150 krajach, dzięki skutecznemu połączeniu produktów wiodących marek
oraz ekspertyz zastosowań wspieranych dziedzictwem innowacji.
Dodatkowe informacje na temat usług oferowanych przez Xylem można znaleźć na
stronie xylem.pl lub xyleminc.com
Pytania można również kierować na ogólny adres e-mail:
[email protected]
Biura Regionalne w Polsce:
BRWz - Warszawa zachodnia - 607 408 366 [email protected]
BRWw - Warszawa wschodnia - 663 860 044 [email protected]
BRG - Gdańsk - 601 596 425 [email protected]
BRP - Poznań - 663 860 041 [email protected]
BRD - śląskie, opolskie, dolnośląskie - 663 860 040 [email protected]
BRR - Rzeszów - 609 564 357 [email protected]
Xylem Water Solutions Polska Sp. z o.o.
Dawidy, ul. Warszawska 49
05-090 Raszyn
tel. 22 735 81 00
fax. 22 735 81 99
[email protected]