Come disinfettare l'acqua del rubinetto

Come disinfettare l'acqua del rubinetto?

Gli esseri umani rifiutano istintivamente di bere acqua impura. Ma prima dei tempi moderni, gli esseri umani potevano fare affidamento solo sui propri sensi della vista, dell'olfatto e del gusto per giudicare "impura", quindi credevano che l'acqua torbida o maleodorante fosse impura. Queste percezioni primitive hanno portato direttamente anche all'applicazione diffusa della filtrazione come importante unità di trattamento dell'acqua nel moderno trattamento dell'acqua.

Dopo la rivoluzione industriale, a causa del rapido aumento della popolazione urbana e dello sviluppo del commercio mondiale, una serie di malattie infettive come il colera, il tifo e la dissenteria divennero frequenti e prevalenti in Europa. In passato si credeva che queste malattie infettive si diffondessero tra la gente attraverso il "miasma". Fu solo nel 1854 che il dottor John Snow osservò e analizzò la malattia del colera in una comunità di Londra e scoprì che la diffusione della malattia era correlata al consumo della stessa acqua di pozzo contaminata dai pazienti. Era la prima volta che l’acqua potabile non sicura veniva associata a microrganismi patogeni presenti nell’acqua. Nei successivi 30 anni circa, con l’aiuto dell’osservazione microscopica e dei metodi di coltura batterica, gli scienziati scoprirono anche agenti patogeni batterici come il Vibrio cholerae che causa il colera e la Salmonella typhi che causa il tifo. La scoperta di virus più piccoli dei batteri è arrivata poco dopo.

La promozione e l’applicazione della filtrazione hanno notevolmente ridotto il rischio di microrganismi patogeni nell’acqua e la portata e l’entità della prevalenza delle malattie infettive trasmesse dall’acqua. Questo perché la filtrazione rimuove la maggior parte dei microrganismi patogeni presenti nell'acqua rimuovendo al tempo stesso la torbidità e il particolato presente nell'acqua. Tuttavia, già all'inizio del 20° secolo, gli scienziati hanno scoperto che sebbene il processo di trattamento dell'acqua consistente in "coagulazione → flocculazione → sedimentazione → filtrazione" può ridurre la torbidità a un livello molto basso (come<0.3 NTU), it is still not enough to completely eliminate the risk of pathogenic microorganisms in the water. This requires disinfection of the filtered water, that is, inactivation of residual microorganisms, and maintaining a certain concentration of disinfectant residue in the pipe network water. In other words, filtration and disinfection are the dual cores of surface water source drinking water treatment technology, and both are indispensable.

Il cloro è il disinfettante per l’acqua potabile più utilizzato al mondo dal 1902, quando l’ipoclorito di calcio fu utilizzato per la prima volta per disinfettare l’acqua non depurata nell’impianto idrico municipale di Middelkerke, in Belgio. Inizialmente è stato utilizzato l'ipoclorito di calcio solido, seguito dal cloro liquido e ora viene utilizzata più soluzione di ipoclorito di sodio. Questi disinfettanti vengono collettivamente chiamati cloro libero o cloro libero, perché esistono sotto forma di molecole di acido ipocloroso (HClO) o ioni ipoclorito (ClO-) nell'acqua. I vantaggi dei disinfettanti al cloro sono che sono facili da produrre, conservare, trasportare e aggiungere, hanno un basso costo di utilizzo e hanno un ampio spettro di effetti disinfettanti, soprattutto per gli agenti patogeni virali.

Lo svantaggio della disinfezione con cloro è che reagisce facilmente con la materia organica naturale (NOM) comunemente presente nell'acqua per produrre sottoprodotti della disinfezione come trialometani e acidi aloacetici. Inoltre, se la concentrazione di cloro o cloramina nell'acqua potabile è troppo elevata, irriterà gli occhi e il naso a contatto e potrebbe causare disturbi allo stomaco o anemia quando si beve. Inoltre, il cloro libero reagisce facilmente con l'ammoniaca presente nell'acqua per formare clorammine, note anche come cloro combinato, che possono conferire all'acqua un odore sgradevole come quello del cloro o del disinfettante, influenzando il gusto dell'acqua potabile. Pertanto, i paesi di tutto il mondo hanno fissato dei limiti alla concentrazione di cloro residuo nell’acqua degli stabilimenti. il mio paese stabilisce che la concentrazione di cloro libero non deve superare 2 mg/l e che la concentrazione totale di cloro libero e cloro combinato non deve superare 3 mg/l. La normativa nazionale federale statunitense sull'acqua potabile (NPDWR) stabilisce che la concentrazione massima di cloro libero e cloro totale nell'acqua potabile non deve superare 4 mg/l. Dal punto di vista sanitario, l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) raccomanda che la concentrazione di cloro libero nell’acqua potabile non superi i 5 mg/L e che la concentrazione di monocloramina, il componente principale della cloramina, non superi i 3 mg/L. Poiché sia ​​il cloro che le cloramine sono volatili, far bollire l'acqua del rubinetto prima di berla può ridurre notevolmente il sapore di cloro dell'acqua potabile. Anche l’uso di colonne con filtro a carbone attivo per favorire la decomposizione del cloro e della cloramina è una buona scelta.

Per controllare la generazione dei sottoprodotti della disinfezione, alcuni impianti idrici possono ridurre il dosaggio dei disinfettanti a base di cloro. Dal punto di vista della disinfezione, questa è una pratica altamente sconsigliata. Per un impianto idrico, il tempo di contatto effettivo (valore T) tra il disinfettante e l'acqua è sostanzialmente un valore fisso. Ridurre il dosaggio del disinfettante ridurrà definitivamente il disinfettante residuo (valore C), e quindi ridurrà definitivamente il valore CT, indebolendo così l'effetto di inattivazione sui microrganismi patogeni.

Diversi tipi di microrganismi hanno una tolleranza molto diversa al cloro libero (Figura 2). Tra i comuni agenti patogeni dell'acqua, il Cryptosporidium è un microrganismo estremamente resistente al cloro. Il valore CT richiesto per l'inattivazione del 99% (ovvero 2 log) in condizioni normali di temperatura dell'acqua e pH arriva fino a migliaia di mg/L‧min. In altre parole, presupponendo che il tempo di contatto con la disinfezione sia di 60 minuti, il residuo di cloro libero richiesto arriva fino a centinaia di mg/L, ovvero centinaia di volte superiore al normale residuo di cloro libero (~1 mg/L) dell'acqua piante. Ciò è ovviamente irrealistico. Tra i patogeni batterici, i microrganismi resistenti al cloro includono alcune specie di micobatteri e Legionella, e il valore CT richiesto per l'inattivazione del 99% (cioè 2 log) è nell'ordine di 100-1000 mg/L‧min. In confronto, la maggior parte dei tipi di virus sono molto intolleranti al cloro libero e il valore CT del cloro libero richiesto per l’inattivazione si ottiene facilmente.

Per inattivare un certo tipo di microrganismo vengono utilizzati disinfettanti diversi e anche i valori CT richiesti sono molto diversi (Figura 2). Ciò è strettamente correlato al meccanismo di disinfezione del disinfettante, come la capacità di ossidazione e la permeabilità della membrana cellulare. Il cloro libero può facilmente inattivare l'adenovirus, ma la cloramina è più difficile; il cloro libero può raggiungere un certo grado di inattivazione di Giardia lamblia, ma la cloramina non ha quasi alcun effetto. Pertanto, le piante acquatiche dovrebbero cercare di evitare l'uso della cloramina come principale metodo disinfettante e disinfezione. Anche se il tempo di contatto della disinfezione con cloramina viene prolungato a diverse ore, è difficile garantire la sua efficace inattivazione di Giardia lamblia, micobatteri e Legionella. Quando l'acqua non trattata contiene un'elevata concentrazione (livello mg/l) di ammoniaca, poiché l'ammoniaca reagisce facilmente con il cloro libero per formare cloramina, si tratta in realtà di una disinfezione con cloramine piuttosto che di una disinfezione con cloro libero e l'effetto disinfezione è difficile da garantire. Inoltre, come accennato in precedenza, la generazione di dicloroammoniaca e tricloroammoniaca aumenterà significativamente il "sapore di cloro" dell'acqua. In questo caso, l'ammoniaca deve essere rimossa prima della disinfezione o devono essere utilizzati altri metodi di disinfezione ad alta efficienza. Quando la concentrazione di ammoniaca è bassa, anche la clorazione del punto di rottura è un'opzione.

L'ozono (O3) ha un buon effetto di disinfezione e inattivazione sulla maggior parte dei microrganismi patogeni e il valore CT richiesto per un tasso di inattivazione del 99% è generalmente inferiore a 10 mg/L‧min. La luce ultravioletta (UV) ha un buon effetto disinfettante e inattivante su Cryptosporidium e Giardia lamblia ("due vermi"). Pertanto, quando l'acqua non depurata contiene un'elevata concentrazione di "due vermi", Legionella e altri microrganismi resistenti al cloro, da un lato, è necessario ridurre ulteriormente il livello di torbidità dell'acqua filtrata (come<0.1 NTU), and on the other hand, ozone or ultraviolet light can be used as a disinfection method in combination with chlorine or chloramines in the water plant. Since neither ultraviolet light nor ozone can maintain the continuous disinfection effect of the pipeline network, the water outlet should contain a certain concentration of free chlorine or chloramine before entering the pipeline network to meet the requirements of the "National Standard" to maintain continuous disinfection of the pipeline network water and ensure the microbial safety of the water at the end of the pipeline network. The advantage of chloramine is that it is stable and not easy to decay, and the residual chlorine concentration is easy to maintain; the disadvantage is that the disinfection ability is weaker than that of free chlorine, and if it is not properly operated, it is easy to cause nitrification reaction, generate nitrite, and consume residual chlorine. According to the treatment capacity, more than 30% of surface water plants in my country have adopted ozone-activated carbon deep treatment process, with pre-ozone and main ozone contact tanks. Although its main function is to enhance the removal of organic matter, ammonia nitrogen and odor substances, it actually plays a role in enhancing disinfection. However, due to the strong reaction ability of ozone, the concentration in the ozone contact tank decays quickly, and its actual disinfection effect depends on the water quality, especially the organic matter concentration and pH.

Whether chlorine, ozone or ultraviolet disinfection is used, the design of the disinfection tank/device is crucial, and the effective contact time of the disinfectant in it (i.e., T in the CT value) needs to be increased. Since there are generally short-flow, dead zone and diffusion phenomena in the disinfection tank/device, it is not an ideal plug flow reactor, and the effective contact time between the disinfectant and water must be shorter than the hydraulic retention time (HRT). Setting a partition wall (baffle) in the disinfection tank/device to increase the aspect ratio, setting a flower wall at the entrance, and setting a diversion wall at the bend can effectively increase the effective contact time. Strictly speaking, it is to increase the ratio of effective contact time to hydraulic retention time (to 0.8 or above) (Figure 3). Increasing the effective contact time of the disinfectant is particularly important for ultra-efficient inactivation of microorganisms (such as >99,99%, ovvero 4 log). Tuttavia, in ingegneria, fare affidamento esclusivamente sulla disinfezione per eliminare il rischio di microrganismi patogeni non è economicamente fattibile o affidabile. Il processo barriera a più fasi del trattamento dell'acqua consistente in "coagulazione → flocculazione → sedimentazione → filtrazione → disinfezione" è più scientifico ed economico: il processo convenzionale riduce la torbidità e la concentrazione microbica, la successiva unità di disinfezione inattiva efficacemente i microrganismi residui e il tubo rete e altri sistemi di distribuzione idrica mantengono una certa concentrazione di cloro residuo per impedire la crescita e la riproduzione di microrganismi. Per garantire la sicurezza microbica dell'acqua all'estremità della rete di tubazioni, si raccomanda che il cloro residuo dell'acqua all'estremità della rete di tubazioni non sia inferiore a 0,2 mg/L .

Il cloro residuo si riferisce al cloro effettivo che rimane nell'acqua dopo che l'acqua è stata disinfettata con cloro e in contatto per un certo periodo di tempo. L'acqua nell'impianto idrico deve passare attraverso una lunga rete di distribuzione idrica prima di poter essere trasportata a migliaia di famiglie. Durante il processo di trasporto, la qualità dell'acqua sarà inevitabilmente contaminata da batteri e altri microrganismi. Nel trasporto tramite condutture a lunga distanza, al fine di garantire continuamente la sicurezza microbica dell'acqua del rubinetto, l'acqua del rubinetto deve contenere una certa quantità di cloro residuo quando lascia la fabbrica (se viene ingerita una grande quantità di cloro, avrà una certa tossicità al corpo umano e il contenuto residuo di cloro nell'acqua del rubinetto deve essere rigorosamente controllato.