LA DISINFEZIONE NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO ACQUE

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1 LA DISINFEZIONE NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO ACQUE Università degli Studi dell'insubria ORIENTAMENTI E CRITICITÁ Varese 2015 Giovedì 28 Maggio Disinfezione Stato dell arte

2 Disinfezione: Indice FENOMENI DI SCOMPARSA BATTERICA GENERALITÀ q fattori che influenzano la disinfezione q meccanismi di disinfezione q legge di Allen e valori di campo

3 Disinfezione: Indice DISINFETTANTI q CLORO E IPOCLORITI q BIOSSIDO DI CLORO q ACIDO PERACETICO q OZONO q RAGGI ULTRAVIOLETTI (UVc, <280 nm)

4 Disinfezione: Virus, batteri, protozoi, elminti 44 VIRUS: q acido nucleico rivestito di proteine q alcuni patogeni per l'uomo ( es.: poliomielite) q dose infettante bassa (< 100 unità ) q resistenti alla disinfezione q possibile immunizzarsi, salvo quelli che variano spesso il DNA (es.: raffreddore e influenza) BATTERI: q organismi unicellulari (0,5 m < d < 20 m) q flora intestinale innocua (batteri banali) q batteri patogeni (es.: Salmonella, Vibrio Cholerae) q dose infettante elevata (> 10 4 unità) q poco resistenti all azione disinfettante q difficile acquisire immunità (vaccinazione)

5 Disinfezione: Virus, batteri, protozoi, elminti 55 PROTOZOI: q organismi unicellulari (30 m < d < 500 m) q patogeni per l uomo ( es. : Giardia, Cryptosporidium, Entamoeba histolytica, Plasmodium, Trypanosoma ) q dose infettante bassa (< 100 unità) q impossibile immunizzarsi q quelli che formano cisti resistono alla disinfezione (T > 60 C) ELMINTI: q animali o stadi di sviluppo vermiforme q parassiti intestinali (Platelminti, come Thaenia saginata, e Nematodi, Ascaride), della pelle (ad es.: verme di Guinea, Dracunculus medinensis; oncorcercosi,onchocerca volvulus) q dose minima infettante bassa (1 o poche unità) q le uova sopravvivono a lungo nell'ambiente esterno

6 Disinfezione: Organismi patogeni e banali 66 Perché l organismo patogeno possa infettare occorre: virulenza; concentrazione minima infettante; organismo predisposto INDICATORI DELLA PRESENZA DI ORGANISMI PATOGENI IN AMBIENTE Organismo (UFC/100mL) Acque potabili Acque da potabilizzare Acque di balneazione Coliformi totali non applicabile (n.a.) Conta totale a 22 C (D. Lgs. 31/2001) < 20 (<100 all utenza) n.a. Conta totale a 36 C < n.a. Coliformi fecali n.a. Enterococchi intestinali (già Streptococchi fecali ) (*) E. coli (*) (*) Dir. 2006/7/CE, recepita da D.lgs 116/2008 e D.M. 30 marzo 2010

7 Disinfezione: Conta batterica totale - Total Plate Count per determinare le Unità Formanti Colonie (UFC) 7 Colture su agar: campione troppo concentrato - poco leggibile Giusta diluizione: risultato leggibile Si usa una griglia per il conteggio

8 Disinfezione: Ordini di grandezza di contaminazione batterica nelle acque 88 Tipo di acqua Coli totali (UFC/100 ml) Ruscello/torrente montano Fiumi Fiume inquinato (es. Lambro) Acqua di fognatura urbana Norme per acque reflue destinate a riuso irriguo: DM 185/2003, DM 2 maggio 2006, DM?? (*) Attualmente: E. Coli < 10 UFC/100 ml nell 80% dei campioni (50 se da fitodepurazione) < 100 UFC/100 ml valore massimo (200 se da fitodepurazione) (*) L. 06/02/2014 h introdotto il comma 4-bis all art. 166 del decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152; il ministero avrebbe dovuto emanare nuovi criteri entro il 10 maggio 2014

9 Disinfezione: Fattori ambientali repressivi della crescita batterica 99 Fattori fisici Fattori chimici Fattori biologici Temperatura ph Predazione Luce solare (UV) O 2 Competizione Adsorbimento Salinità Antibiosi Flocculazione Nutrienti Tossine biologiche Sedimentazione Tossici organici Selezione Dispersione Tossici inorganici Mutazione Per tutti questi fattori, la carica batterica e virale nelle acque naturali, in assenza di substrati su cui crescere, tende a ridursi nel tempo (t) secondo una cinetica del primo Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per ordine: aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire Legge di CHICK di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo.

10 Disinfezione: il disinfettante ideale ( non esiste) Ø Efficace a piccole dosi Ø Azione rapida, ma persistente nel tempo Ø Privo di effetti collaterali (ad es.: formazione di odori e/o sapori sgradevoli, composti indesiderati) Ø Facilmente dosabile e conservabile per lungo tempo come reattivo concentrato Ø Di impiego facile e sicuro, senza rischi per gli operatori Ø Economico per costo di produzione e di esercizio

11 Disinfezione: Legge di Allen - definizione C m t n = costante C = concentrazione t = tempo di contatto tempo di contatto (min) per abbattimento 99% (2 log) HClO (mg/l)

12 Disinfezione: Legge di Allen valori di campo tempo di contatto (min) per abbattimento 99,9% (3 log) C t = costante 10 2 Valori C t, forniti ad es. da US-EPA, 1999: profile/benchpt1.pdf 1 0,01 0,1 1 Clororesiduo libero (mg/l) Il valore di campo C t = costante copre i tre organismi di riferimento

13 Disinfezione: Valori di campo (C. t per inattivazione di 2 Log) C. t 10 4 Clorammine HClO ClO 2 O 3 UV ,1 0,01 Fonte: MHW s Water Treatment, Principles and Design, 3rd Edition, Crittenden J. et al., 2012

14 Disinfezione: Agenti disinfettanti Fonte: MHW s Water Treatment, Principles and Design, 3rd Edition, Crittenden J. et al., 2012

15 Disinfezione: Cloro e ipoclorito di sodio L agente disinfettante è l acido ipocloroso indissociato (HClO) 1) Utilizzando Cloro gas (Cl 2 ) Cl 2 + H 2 O ó H + + Cl - + HClO 2) Utilizzando ipoclorito sodico NaClO + H 2 O ó Na + + OH - + HClO In entrambi i casi è importante il ph che governa l equilibrio di dissociazione dell HClO: HClO ó H + + CLO - (costante di dissociazione a 20 C)

16 Disinfezione: Effetto del ph sulla dissociazione dell acido ipocloroso %HClO 100,0% 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% K a = [H + ][ClO - ]/[HClO] = = 2, a 20 C e = a 0 C T in K 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% ph Morris, J.C. (1966) The Acid Ionization Constant of HOCl from 5 to 35 J. Phys. Chem., 97 (12) p pk a -ph = - log(clo - /HClO) = = log (HClO/ClO - ) HClO/ClO - = e (pk a - ph) = f %HClO = 100 f/(1+f)

17 Disinfezione: Clororichiesta e formazione di clorammine Sostanza organica - S.O.- e azoto ammoniacale NH (riducenti) consumano Cloro (ossidante) per dare composti diversi: da S.O. à composti organoclorurati (ad es.: clorofenoli), composti stabili da NH 4 + à NH 3 + H + à clorammine (composti instabili) 1) NH 3 + HClO à NH 2 Cl + H 2 O (monoclorammina) 2) NH 3 + 2HClO à NHCl 2 + 2H 2 O (diclorammina) 3) NH 3 + 3HClO à NCl 3 + 3H 2 O (triclorammina) Il rapporto stechiometrico della 3 a reazione vale: 3Cl : N = / 14 = 7.6 gcl/gn; Altre reazioni, con Cl:N in eccesso stechiometrico (> 7.6): NH HClO à 0.5 N H 2 O H Cl NH HOCl à NO 3 + H 2 O + 6 H Cl

18 Disinfezione: Clororichiesta da sola sostanza organica (COD) Cl residuo Clororichiesta Fin qui parte del Cl dosato reagisce con la S.O. formando composti stabili; ogni dose ulteriore non reagisce Cl dosato

19 Disinfezione: Clororichiesta da S.O. e azoto ammoniacale Cl 2 :N = 2 35,5/14 = 5,1 Blacksburg Christianburg VPI Water Authority, VA, USA Cl 2 :N = 7,6

20 Disinfezione: Clorammoniazione, clorazione a breakpoint, superclorazione q Cloroammoniazione: sfrutta l azione disinfettante delle cloroammine q Clorazione al punto di rottura (breakpoint): detta anche clorazione marginale: opera a dosaggi appena superiori al breakpoint con clororesiduo libero non superiore a 0,2 mg/l ü Controllo con clororesiduometro ü Dosaggi con Cl:N >7.6, in funzione del TOC q Superclorazione: dosaggi ancora superiori, richiedono successiva declorazione con agenti riducenti (ad es.: solfiti, SO 2 )

21 Disinfezione: Sottoprodotti della disinfezione con Cloro e ipocloriti: composti organoalogenati L acido ipocloroso, combinandosi con le sostanze organiche presenti nelle acque naturali o di rifiuto forma composti organo-clorurati. Gli acidi umici svolgono il ruolo di precursori dei THM (trialometani): Cl 2 o Br 2 o I 2 + acidi umici à THM Il 50% dei composti alo-organici non è noto; tutti sono nocivi e potenzialmente cancerogeni. Aloaromatici Acidi alifatici 5% 20% Alochetoni / Alonitrili 5% 20% Non identificati 50% Aloformi - THM

22 Disinfezione: vasca di clorazione fanghi da condizionare miscelazione rapida NaClO serbatoio del cloruro ferrico 1 < h/l < 1,5 HI B l alla disidratazione h 0,5 m miscelazione lenta 3B l Q c / (l. h) = 0,1-0,6 m/s

23 Disinfezione: controllo della clorazione feed-back feed-forward compound loop control

24 Disinfezione: Biossido di Cloro (ClO 2 ) Reazioni più comunemente usate per produrre ClO 2 1) 2NaClO 2 + Cl 2 à 2ClO 2 + 2NaCl 2) 5NaClO 2 + 4HCl à 4ClO 2 + 5NaCl + 2H 2 O (nonostante il pericolo di esplosione se si miscelano erroneamente NaClO 2 e HCl, è il più usato industrialmente) Vantaggi Non forma sottoprodotti (non si combina con NH 3 e S.O.) Se in eccesso, si desorbe facilmente A ph acido è ossidante più potente del Cloro Azione disinfettante costante per 6 < ph < 10 Svantaggi Può causare esplosioni; necessaria attenta manutenzione e cura Costoso da produrre: va prodotto in situ con impianto ad hoc Costoso da gestire (personale qualificato) Residui di clorito e clorato nell acqua disinfettata limiti OMS = 0,7 mg/l, Dose < 30 g/kg/d* (*) vedi:

25 Disinfezione: acido peracetico (PAA, CH 3 COO-OH) Si produce facendo reagire acido acetico con perossido di idrogeno: Azione letale: alterazione della permeabilità della membrana cellulare batterica per azione dei radicali liberi (OH ) che si producono durante la reazione di idrolisi: CH 3 COO-OH + H 2 O à H 2 O 2 + CH 3 COOH Vantaggi Non forma sottoprodotti tossici (non si combina con NH 3 e S.O.) Semplice da dosare Azione disinfettante costante per ampio spettro di ph Svantaggi Non dura: specie a temperature estive, anche se stabilizzato, si decompone (-50% in giorni) Costoso: circa 4 volte l ipoclorito di sodio Ossidante meno potente del cloro Non dà persistenza: si idrolizza rapidamente (da 6 a 1 mg/l dopo 1 h)

26 Disinfezione: acido peracetico (PAA, CH 3 COO-OH) Alcuni esempi di dosaggio Concentrazione (C, mg/l) Tempo di contatto (t, min) C t Uso dell effluente Irrigazione < 30 < 30 - < 150 Scarico a fiume Non specificato Efficienze di abbattimento LogNo/N Coliformi totali Interpolazione Coliformi fecali Enterococchi intestinali ,000 10,000 C t (mg min L -1 )

27 Disinfezione: Ozono (O 3 ) Si produce sottoponendo l ossigeno a intenso campo elettrico ( 10 kv); potentissimo ossidante, l azione letale è data dai radicali liberi (OH ) che si liberano durante la decomposizione da ozono a ossigeno molecolare Vantaggi Disinfettante molto più efficace del Cloro Migliora l organolessi dell acqua (ossida i composti che danno cattivo odore/ sapore) Rimuove anche composti organici non biodegradabili e il colore DBP: aldeidi, chetoni Svantaggi Costoso da produrre: va prodotto in situ con impianto ad hoc Costoso da gestire (personale qualificato) Non dà persistenza Reattori di contatto a più comparti per evitare by-pass

28 Disinfezione: Ozono (O 3 ) - produzione Pretrattamento dell aria Aria secca all ozonatore Aria Filtrazione Compressione Scambio Separazione termico Refrigerazione Separazione Essiccamento Produzione di O 3 (scarica con effetto corona ) Calore O 2 Campo elettrico e scarica Elettrodo Materiale dielettrico O 3 Elettrodo Calore

29 Disinfezione: Ozono (O 3 ) - vasche di contatto Fonte: Rapporti H/L/G per evitare corto-circuiti e zone morte Fonte: MHW s Water Treatment, Principles and Design, 3rd Edition, Crittenden J. et al., 2012

30 Disinfezione: Ozono (O 3 ) - DBP Ossidazione diretta della S.O. (+ lenta; ph < 6) O 3 OH ossida S.O. Decomposizione O 3 a OH (+ veloce; ph > 7) OH reagisce anche con HCO 3-, CO 3 --, ecc. DBP

31 Disinfezione: raggi UV Meccanismo: la radiazione 254 nm danneggia gli acidi nucleici di batteri e virus; necessita di un dosaggio minimo (>35 mj cm -2 ) per limitare la ricrescita a valle del trattamento Vantaggi Disinfettante molto efficace per i virus (che resistono al Cloro) Svantaggi Necessaria efficace filtrazione preventiva Non reagisce con precursori organici Se si usa FeCl 3, attenzione alla concentrazione di Fe residuo: riduce la vita utile delle lampade, sporcandole irreversibilmente Modulabile, adatto anche per piccoli impianti Costi di impianto e di esercizio contenuti (confrontabili con NaClO) Necessita ulteriore disinfezione di copertura (a breakpoint, p. es.) Non ossida composti organici

32 Disinfezione: raggi UV - configurazioni In pressione carrello per ispezione e pulizia In canale a gravità modulo UV Controllo di livello nel canale moduli verticali su supporto

33 Disinfezione: Costi ,5 Euro/m 3 0,05 0,005 Nurizzo, Andamento dei costi di gestione prevedibili per la disinfezione di reflui biologici, in funzione dell obiettivo di qualità microbiologica richiesto. A) 2 Coliformi totali/100 ml; B) 20; C) 100; D) 1.000; E) PAA: Acido peracetico; UV: raggi ultravioletti; O 3 : ozono; NaClO: ipoclorito di sodio

34 Disinfezione: testi di riferimento della US-EPA pdf/profile/lt1profiling.pdf profile/benchpt1.pdf alternative_disinfectants_guidance.pdf

35 35 35 Grazie per l attenzione

36 Disinfezione: altri testi di riferimento