VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5
Fürdő- és úszómedencék vizének kezelése hagyományos és modern módszerekkel Tárgyszavak: szennyvízkezelés; oxidálószer; vízkezelés; membrántechnika.
A vízkezelés mai gyakorlata Az uszodák és fürdők nagy – Németországban évi 250 milliós – látogatottsága megkívánja vizük különös gonddal való kezelését, minőségük folyamatos fenntartása érdekében. Erről hivatottak gondoskodni a 2000 óta hatályos német fertőzésvédelmi törvényben foglalt követelmények. Ezek teljesítésére a 19643. sz. DIN-szabvány műszaki szabályokat fogalmaz meg és technológiákat ismertet. Ez utóbbiak közös lépései – a medence vizének visszaforgatása, – a pelyhesítő lecsapás és a csapadék leszűrése, végül – a fertőtlenítés klórral. A medence vizében bizonyos klórkoncentrációt állandóan fenn kell tartani, mert minden fürdőző a testén baktériumokat, részben kórokozókat visz a vízbe. A rendszeres ellenőrzés során – nem lehet jelen kimutatható koncentrációban a három indikátor mikroorganizmus: Escherichia coli, Legionella ssp. és Pseudomonas aeruginosa; – a telepképző baktériumok száma 36 ± 2 °C-on és 20 ± 2 °C-on nem lehet több ml-enként 100-nál. A víz szerves terheléséhez hozzájárulnak az ugyancsak a fürdőzők által folyamatosan bevitt verejték, vizelet, haj, korpa és kozmetikumok. A vízben oldott klór fertőtlenítési melléktermékeket képez, köztük a legismertebbek a trihalogén-metánok (THM) képviselői. A halogénezett melléktermékeket együttesen aktív szénen adszorbeálódó szervesen kötött halogénekként (AOX) tartják számon. Nitrogéntartalmú vegyületekkel reagálva képződnek a klóraminok, amelyeknek koncentrációját a napi ellenőrzés során kötött klórként határozzák meg. Az időszakos felügyelet indikátora a trihalogén-metán-koncentráció
– határértékként kloroformban megadott 20 µg/l-rel, – a szervesen kötött klór megengedett maximuma 0,2 mg/l. A vízminták jellemzésére mérték – az elektromos vezetőképességet hőmérséklet-kompenzálással ellátott elektródokkal 25 °C-os viszonyítási hőmérsékletre, – a pH-értéket, – a szabad és a kötött klór koncentrációját a dipropil-p-feniléndiaminos (DPD) reakció alapján, spektrofotométerrel, a laboratóriumban ezen kívül – a szerves szénvegyületek koncentrációját (TOC- vagy DOCértékét, TOC = total organic compounds: DOC = diluted organic compounds); – az illékony halogénszénhidrogének és – az aktív szénen adszorbeált szervesen kötött halogének (AOX) koncentrációját, valamint – a trihalogén-metán- és AOX-képződés potenciálját egy országos német vízügyi hatóság (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) által kidolgozott eljárás szerint (DVGW Arbeitsblatt W 295). A szennyezések átlagos molekulaméretének meghatározásához nagy teljesítményű keverő–szűrő cellákat használtak 1,5 és 10 kDa névleges szétválasztású ultraszűrőmembránnal. A membránok visszatartását nagy molekulájú anyagokból és kolloidokból a TOC- és AOX-értékekkel jellemezték. Az uszodák vizének erőteljes, ill. kibővített oxidálásával (advanced oxidation process, AOP) folytatott kísérletekhez 2 l-es laboratóriumi reaktort használtak, amely lehetővé tette az ózonizálás összehasonlítását a kibővített, az oxidáló és szabad hidroxilgyököket termelő kombinált O3/UI és O3/H2O2 eljárásokkal. Az ózonkezelés adatai: – térfogatáram 1,6 l/min, – gáztérfogatáram 20 l/h, – ózon/H2O2-arány: sztöchiometrikus, azaz 2:1-es mólarány, – hőmérséklet 25 °C. Az úszómedence vizének hagyományos kezeléséből elvezetett részáram félüzemi méretű ultraszűrésének (1. ábra) adatai: – szerkezeti anyag: poliéterszulfon, – típus: kétszeresen aszimmetrikus, üreges szálakból készült membrán, – szűréshatár: 10 kDa, – az üreges szálak belső átmérője: 0,8 mm,
membránfelület: 1,5 m2, permeátumáram: 70–250 l/h, bemeneti nyomás: 0,5–1,5 bar, transzmembrán nyomás (a membránon átpréselő nyomás): 0,5– 1,5 bar, – fluxus (átfolyás) 150 l/m2 · h, ∆ptranszm = 1,3 bar-nál. – – – –
koncentrátum/ öblítővíz-elfolyás
üreges szálakkal készült modul
permeátumelfolyás
permeátumtartály előszűrő nyersvíz betápláló (táp-) szivattyú
visszakeringető (-öblítő) szivattyú
1. ábra A szabadtéri fürdőben használt ultraszűrő berendezés vázlata Az üreges szálú szűrőmodulra 25 µm lyukméretű előszűrőn át vezették a medencevíz-kezelés nyersvizét. A kísérleteket pelyhesítő adagolással és anélkül, zárt ciklusban és szakaszosan végezték, változtatva – a felületi terhelést, valamint – a visszaöblítés ciklusát és – időtartamát. A visszaöblítéshez permeátumot használtak, átmeneti tárolással. Mért szennyezők és fertőtlenítési melléktermékek A szabadtéri strandfürdő vizében 2000-től 2003-ig lefolytatott vizsgálati program – TOC-, AOX-, THM- (trihalogén-metán-), kötött klór – eredményei jól leképezik a medence terhelését, vagyis a koncentrációk követik a látogatószám alakulását (1. táblázat). A fürdőzők száma és vele a koncentrációk változása szélsőséges, a hét napjait tekintve és napszakonként is. A látogatószám délutáni gyors növekedésével párhuzamos a terhelést jelző koncentrációké, de csökkenését nem követik: még a maximum után 14 óra elteltével, folyamatos vízkezelés közben is csak 19%-kal csökkent a TOC- és 2%-kal az AOX-
koncentráció. Eszerint e két paraméterrel meghatározott anyagokat az alkalmazott vízkezelés nem távolítja el elég hatékonyan, sőt a több napos felmérés a szennyezők feldúsulásáról tanúskodik (2. ábra), és a látogatások rossz idő miatti hirtelen visszaesésének késleltetett követését is tükrözik. 1. táblázat A vizsgált szabadtéri fürdő látogatási és terhelési dinamikája (n = 60) Eredménymutató
Látogatók száma/nap
TOC mg/l
AOX µg/l
THM µg/l
Kötött klór mg/l
Középérték Medián Minimum Maximum
2244 793 0 7902
1,3 1,1 0,3 4,6
200 196 45 451
39 34 5 125
0,1 0,1 0,0 0,3
2400
80
1600 60 1200 40
c/cmax, %
látogatók száma
2000
100 TOC AOX THM
800 20
400 0
0 júl.26
júl.27
júl.28
júl.29
júl.30
júl.31
aug.01
2. ábra A terhelések „koncentrációk” heti profilja a fürdőmedence vizében és a látogatók száma (oszlopok) A legnagyobb a THM-koncentráció időeltolódása: maximuma ebben a méréssorozatban éppen egy gyér látogatottságú napra esett, jelezve a fürdőzők által bevitt szerves szennyezők és a fertőtlenítő klór reakciójából másodlagos termékek képződését a kezelőberendezésben és a medencében. Ebből arra lehet következtetni, hogy a fürdővízkezelés folya-
matos visszakeringetéssel és ugyancsak folyamatos klóradagolással valóságos klórozott melléktermékeket előállító reaktorként működik. A szabadtéri medence vizsgálataiból levezethető a fajlagos, azaz egy fürdővendégre számított átlagos 1,31 · 10-6 g/l értékű TOC-bevitel, amely analóg a szennyvízterhelés lakosegyenértékével. A fajlagos AOXkoncentráció – 1,41 · 10-7 g/l – egy nagyságrenddel kisebb a TOClátogató-egyenértéknél, tehát a klórozás a bevitt szerves vegyületek mintegy 1,8%-át szerves halogénvegyületekké alakítja át, mégpedig – a THM-koncentráció időben eltolt maximumából következően – halogénezett közbenső termékek során át.
A membránszűrős és a hagyományos szennyezőeltávolítás összehasonlítása A medence vizét hagyományosan kezelő berendezés részáramára telepített kísérleti ultraszűrő berendezés három hónapon át működött folytonos üzemben, 50-ről 150 l/m2 · h-re emelt felületi terheléssel, 30 percenkénti, 1 percen át tartó visszaöblítéssel. A pelyhesítőszer adagolása nem befolyásolta sem az áteresztést, sem a membrán két oldalának nyomáskülönbségét. Mind a hagyományos homokszűrés, mind a membránszűrés be- és elfolyó áramainak terhelési paraméterei csekély különbséggel reagáltak a fürdővendégek számának változására. A koncentrációk csekély különbségében mutatkozó gyenge tisztítóteljesítmény részben azzal magyarázható, hogy az értékek átlagolják az összes visszaöblítésnek megfelelő állapotot. Ezért a vízkezelő egységekből szúrópróbaszerűen vett minták mérési eredményei korlátozott értékűek. További laboratóriumi modellkísérletekre volt tehát szükség a szétválasztás különböző mérethatáraival bíró membránokkal. E kísérletek alapján az 5 és 10 kDa szétválasztási határral jellemezhető ultraszűrő membránokkal nem volt mérhető visszatartás, csupán az 5 kDa-os membránnal mértek a koncentrátumban a nyersvízhez képest 12%-os TOC-növekedést. Ezzel szemben 1 kDa szétválasztási határral a koncentrátumban 81,5%-os feldúsulás, a permeátumban 16%-os TOCnövekedés következett be. Hasonló eredményeket értek el az AOX-koncentrációra. Visszatartás csak 1 kDa-os mérethatárnál következett be. A nanoszűrős (0,2 kDa) kísérletekben 60% körüli volt mind a TOC-, mind az AOX-koncentráció növekedése a permeátumban a nyersvízéhez képest. A nanoszűrés használata azonban nagy energia- s ezáltal
költségigényénél fogva rendszeresen nem és csak részáramba iktatva javasolható.
Szennyezéseltávolítás kibővített oxidálással Laboratóriumi modellkísérletekben a fürdőmedencevíz ózonkezelésének és az AOP-eljárások alkalmazásának eredményét hasonlították össze (2. táblázat). Az AOX-koncentrációt 3 mg/l-es ózondózis 37%-kal, a hidroxilgyökökön alapuló AOP-eljárások ugyanilyen ózonadagolás mellett 52%-ig csökkentik. Az ozonizálás hatásosabb volt hidrogén-peroxiddal, mint UI-sugárzással kombinálva. Az AOX- és THM-képződési potenciálhoz hozzájáruló vegyületek eltávolításához 10 mg/l ózon szükséges (3. ábra). 250 3 mg/l O2 O3 10 mg/l O2 O3
AOX, µg/l
200 150 100 50 0
O3
nyersvíz
O3/H2O2
O3/UI
3. ábra Az AOX-koncentrációk csökkenése különböző vízkezelések hatására 2. táblázat Szennyezőkoncentrációk csökkentése nyersvízben különböző oxidáló eljárásokkal Mutatók
Nyersvíz, µg/l
Eltávolítás, %
Ózon
O3/H2O2
3 mg/l 10 mg/l Ózonadagolás AOX-FP* THM-FP
232 92
6 2
* FP = formation potencial = képződési potenciál
17 30
O3/UI
3 mg/l
10 mg/l
3 mg/l
10 mg/l
14 3
45 54
9 2
47 39
A szennyezőnek és prekurzoraiknak AOP általi, az ózonkezelésnél hatékonyabb eltüntetése a hidroxilgyökök kevésbé szelektív reakciójával és a reakciósebesség egyidejű növekedésével magyarázható. Az ozonizálás 10 mg/l-nél mért eltávolító teljesítménye AOP-kombinációval már 3 mg/l-es dózissal elérhetőnek bizonyult. Ennek fényében az ózon/H2O2eljárás fürdő- és úszómedencék vizének kezelésére jó választásnak tekinthető, annál is inkább, mivel a használatban levő ozonizáló berendezések egyszerűen kiegészíthetők H2O2-adagolással. Modellszámítás Mivel a laboratóriumi kísérletek nem képezik le kielégítően a valós viszonyokat, a kutatók kidolgoztak egy modellszámítást annak bemutatására, hogy miképpen hat hosszú távon a megjavított kezelés a fürdőmedencék vízminőségére. Ehhez a medencét a vízkezeléssel együtt zárt ciklusú reaktornak tekintették, amelyben az összes eltávolítási teljesítmény a szerves szennyezők és klór reakciójából és a szerves anyagok eltávolításából tevődik össze. A számítás a TOC-koncentrációt alapul véve, a frissvíz hozzáadása nélkül egyszerűsítő feltevésből kiindulva, vagyis végtelen visszakeringési viszonyt feltételezve állítja fel a mindenkori TOC-koncentráció mérlegét, mérhető reakciókinetikai adatok (kezdeti koncentráció, térfogatok, térfogatáramok reakciósebességi állandók stb.) ismeretében. Ezekhez keretfeltételként a vizsgált fürdő legnagyobb terhelésű nyári üzemét választották, a víz 4,6 mg/l-es maximális TOC-koncentrációjával és ennek 14 órás éjszakai menetben való 25%-os hagyományos tisztításával. Ez az ütem azonban több egymást követő nap nyári terhelésének kezelésére nem elegendő, ekkor 14 óra alatt 50%-os szennyezéseltávolítást kell elérni, pl. részleges nanoszűréssel vagy O3/H2O2kombinációval. A modellben a fürdőzők általi TOC-bevitelt a látogatók száma és az 1,3 · 10-6 g/l-es látogató-egyenérték alapján becsülték (4. ábra). A modell leképezi a TOC-koncentrációk különbségét a mért értékekhez képest. Ez utóbbiakkal – különösen a TOC-koncentrációk maximumának kialakulását tekintve – legjobb volt az egyezés a 10–15%-osan csökkentő vízkezelési ciklus eredményével. A modell által előre jelzett koncentrációk július végének nagy forgalma idején szükségessé vált frissvízadagolás miatt haladták meg a tényleges értékeket.
TOC-koncentráció, mg/l
6 5 xTOC = 5%
4 3
xTOC = 10%
2 xTOC = 15% xTOC = 20%
mért értékek
1 0 júl.26
júl.27
júl.28
júl.29
júl.30
júl.31
aug.01
4. ábra A TOC-koncentráció heti profiljának modellezése különböző vízkezelési eltávolítási mértékek esetén (az oszlopok a mért értékeket adják meg) A reális mérésekkel ellenőrzött modell alkalmasnak bizonyult a medencék várható TOC-terhelésének becslésére és a legmegfelelőbb intézkedések (frissvízbevezetés, vízkezelési módszer választás, ill. kibővítés) meghozatalára, amelyekkel a víz a legnagyobb terhelés idején is megőrizheti jó minőségét.
Költségbecslés Az uszoda- és fürdővízkezelés kiemelkedő költségtétele a vizet átforgató szivattyúk energiafogyasztása. Minthogy az alternatív ultraszűréses vízkezeléskor hasonló nyomáskülönbségek lépnek fel, mint a pelyhesítésből és homokszűrésből álló hagyományos eljárás alkalmával, a villamosenergia-felhasználás is közel egyenlő. A membránszűrésnek viszont sokkal kisebb az öblítővíz-szükséglete. Tekintettel nagyobb részecskeeltávolító teljesítményére, az ultraszűrésnél csökkenteni lehetne a kezelendő térfogatáramot, e kettő összességében gazdaságosabb működést jelentene. Mindezt még részletes, célzott kísérletekkel kell igazolni. Oldott szerves vegyületek eltávolítása nanoszűréssel és az oxidálást fokozó kombinációkkal a terheléstől függően a medencevíz főáramának 10, de legfeljebb 30%-ára kiterjedően lehet gazdaságos. A nano-
szűrés nagy TOC-eltávolító hatékonysága következtében 1 g/m3-es ózonkoncentrációval és 0,35 g/m3-es H2O2-adagolással lehet dolgozni. Az üzemköltség – nanoszűrés esetén 0,23 EUR/m3-re, – az ózonnal és H2O2-vel végzett oxidálásra 0,03 EUR/m3-re becsülhető, lényegében a vegyszer- és az energiaköltséget számítva. A nem úszók medencéjére vendégenként napi 0,30–0,50 EUR többlettel lehet számolni. A nagyobb higiéniai biztonság, benne a szem- és nyálkahártya-ingerlés megszüntetése bizonyára a legtöbb látogató számára megérné a 0,5 EUR-val megemelt jegyárat. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Glauner, Th.; Frimmel, F. H.; Zwiener, Ch.: Schwimmbadwasser – wie gut muss es sein und was kann man technisch tun. = GWF – Wasser–Abwasser, 149. k. 10. sz. 2004. p. 706–713. Hörsch P.: Konstruktion eines Reaktors für erweiterte Oxidationsverfahren in der Abwasserbehandlung. = GWF – Wasser–Abwasser, 144. k. 1. sz. 2003. p. 57–65. Judd, S. J.; Black, S. H.: Disinfection by-product formation in swimming pool waters: a simple mass balance. = Water Research, 29. k. 4. sz. 1995. p. 1203–1206.
Röviden… A szennyvíz megtisztítása a gyógyszermaradványoktól A teljes víztisztítást alkalmazó üzemek további lépésként fordított ozmózis alkalmazásával hatásosan eltávolíthatják a különböző hormonokat és gyógyszereket Ha fordított ozmózist alkalmaznak és a membránokat úgy kezelik, hogy azok ne sérüljenek, akkor a gyógyszerek és a személyi ápolószerek távol tarthatók a vízi ökorendszertől és az ivóvízforrásoktól. Egyre több helyi önkormányzat, különösen az aszályos övezetekben, veszi fontolóra, hogy vízellátását a víz újrafelhasználásával elősegítse; ezért a fejlett víztisztítási módszerek alkalmazása fontossá válhat. A szennyvízre az irányította a kutatók figyelmét, hogy egyre több kutatási eredmény hozta kapcsolatba a kezelt szennyvíz behatását és egyes halfajok hímegyedei nemének megváltozását. Felmerült a gyanú, hogy a környezetre és az emberi egészségre ártalmas hatások léphet-
nek fel. Az Egyesült Államok Geológiai Szolgálata (U.S. Geological Survey) 2002-ben végzett vizsgálata szerint országszerte a vízfolyásokban szennyvízre jellemző anyagok, köztük antibiotikumok, más vényköteles és nem vényköteles orvosságok, szteroidok, fogamzásgátló tabletták, rovarriasztók, mosószerek, háztartási, ipari és mezőgazdasági vegyszerek nyomai találhatók. E vizsgálat keretében három kaliforniai szennyvíztisztítóból vettek mintát, közülük kettőből a kifolyó tisztított szennyvizet újrahasznosítják öntözésre és a talajvíz pótlására. A mintavétel mind a tisztítási folyamat előtt, mind a korszerű tisztítási eljárás után megtörtént. 19 szennyező anyag kimutatható jelenlétét ellenőrizték. Az egyik üzemben hagyományos szűrési eljárást alkalmaztak a nagyobb részek eltávolítása céljából; a másik kettőben további eljárásokat alkalmaztak a kisebb részecskék eltávolítására (meszes előkezelést vagy mikroszűrést), ezt fordított ozmózis követte. Azt találták, hogy a hagyományos kezelést alkalmazó üzem csak öt szennyező anyagot távolított el a szennyvízből, a kilépő tisztított szennyvíz 14 szennyező anyagot tartalmazott. A másik két vízvisszanyerő üzem 16, illetve 12 szennyező anyagot távolított el. A kutatások kimutatták, hogy a hagyományos szennyvíztisztító eljárás nem távolítja el hatásosan a gyógyszereket és hormonokat, így ezek a vegyületek kismértékben a környezetbe jutnak. A korszerű eljárás viszont jó hatékonysággal működik. Azonban ezeknek a szennyező anyagoknak a környezetre és az emberi egészségre gyakorolt hatása ismeretlen. Ez az az eset, amikor az analitikai kémia megelőzi a toxikológiát. (Water Environment & Technology, 16. k. 12. sz. 2004. p. 6.)
