ΜΙΚΡΟΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ Η ανίχνευση της παρουσίας των διαφόρων παθογόνων οργανισμών στο νερό απαιτεί επίπονη εργαστηριακή προσπάθεια και χρόνο. Έτσι, Ως δείκτης μικροβιολογικής μόλυνσης (παρουσία παθογόνων μικροοργανισμών) του νερού χρησιμοποιείται η ομάδα το κολοβακτηριοειδών και ειδικότερα για τη μόλυνση με περιττωματικές ουσίες τα κολοβακτηρίδια (με εκπρόσωπο τα Escherichia coli -E.coli) οι οποίοι θεωρούνται ενδεικτικοί οργανισμοί (indicator organisms) Συμπληρωματικά προσδιορίζονται εντερόκοκκοι, σαλμονέλες και άλλα παθογόνα μικρόβια

Τα κολοβακτηρίδια Τα κολοβακτηρίδια ζουν στον εντερικό σωλήνα των ανθρώπων (θερμόαιμων ζώων) χωρίς γενικά να είναι πάντα παθογόνα Αποβάλλονται καθημερινά σε μεγάλο αριθμό. Όμως όταν υπάρχουν κολοβακτηρίδια στο νερό το πιο πιθανό είναι να υπάρχουν και άλλοι παθογόνοι μικροοργανισμοί. ο προσδιορισμός τους είναι προκαταρκτική παράμετρος γιατί έχουν μεγαλύτερο χρόνο επιβίωσης από τους παθογόνους Ένα άλλο χαρακτηριστικό των κολοβακτηριδίων που τα καθιστά κατάλληλο δείκτη για την ύπαρξη πιθανής μόλυνσης, είναι το γεγονός ότι η απολύμανση του νερού τα καταστρέφει δυσκολότερα σε σύγκριση με τα άλλα παθογόνα βακτήρια. Έτσι, η εξάλειψη των κολοβακτηριδίων εξασφαλίζει και την παράλληλη εξάλειψη των παθογόνων βακτηριδίων.

Παθογόνοι οργανισμοί του νερού Οι σημαντικότεροι παθογόνοι οργανισμοί του νερού είναι τα βακτήρια που προκαλούν χολέρα, δυσεντερία και τυφοειδή πυρετό, ιοί που προκαλούν λοιμώδη ηπατίτιδα και πολυομελίτιδα, διάφορα παρασιτικά πρωτόζωα και παρασιτικά σκουλήκια. για τους ιούς, δεδομένου ότι δεν υπάρχει άμεση και πλήρης συσχέτισή τους με τα κολοβακτηρίδια απαιτείται η διενέργεια πιο εξειδικευμένων αναλύσεων για τον προσδιορισμό τους. Οι εκκρίσεις ενός φορέα ή ασθενούς περιέχουν δισεκατομμύρια παθογόνων οργανισμών και έτσι μέσω του νερού μπορεί να προκληθεί επιδημία τεραστίων διαστάσεων.

Πηγές μόλυνσης Κύριες πηγές μόλυνσης των υδάτων είναι: τα αστικά λύματα τα κτηνοτροφικά απόβλητα τα περιττώματα των ζώων και των ανθρώπων που περιέχουν παθογόνους μικροοργανισμούς. τα απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων οι απορροές μεγάλων γεωργικών και κτηνοτροφικών μονάδων και οι πλημμύρες οι οποίες συμπαρασύρουν περιττώματα ζώων και πτηνών.

ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙαΣ ΝΕΡΟΥ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙαΣ ΝΕΡΟΥ ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ

Eπεξεργασία νερού Το νερό μπορεί να περιέχει διάφορα συστατικά σε συγκεντρώσεις υψηλότερες από αυτές που επιτρέπονται από τις προδιαγραφές ή που είναι αποδεκτές από τους καταναλωτές Κατά την επεξεργασία τα ανεπιθύμητα συστατικά του νερού απομακρύνονται με κατάλληλες φυσικές ή χημικές διεργασίες. Τα συστατικά που αφαιρούνται μεταφέρονται και η διαχείρισή τους γίνεται με τρόπο που δεν προκαλούνται δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Συστήματα επεξεργασίας νερού H επεξεργασία νερού συνήθως γίνεται σε διαδοχικά στάδια (στα οποία γίνεται αφαίρεση διαφόρων συστατικών) και κάθε στάδιο αντιστοιχεί σε μια διεργασία, αν και σε μερικές περιπτώσεις ένα στάδιο μπορεί να περιέχει περισσότερες από μία διεργασίες. Η επιλογή του συστήματος επεξεργασίας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του νερού του υδατικού αποθέματος και από τα επιδιωκόμενα χαρακτηριστικά του επεξεργασμένου νερού.

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Εσχαρισμός χονδρές σχάρες στο σημείο υδροληψίας για την συγκράτηση ευμεγεθών στερεών (5-8 cm) μέσες σχάρες (ανοίγματα 0,5 cm) λεπτές σχάρες για την κατακράτηση αλγών και πλαγκτού στην (20-50 μm) Ανάμιξη Ομοιόμορφος και γρήγορος διασκορπισμός των χημικών στο νερό

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Αερισμός Προκαλεί: ελάττωση του διοξειδίου του άνθρακα και του μεθανίου (degasification) ελάττωση του H2S, NH3 , πτητικών οργανικών– CCl4 (απογύμνωση – stripping) απομάκρυνση οσμών οξείδωση σιδήρου και μαγγανίου οξείδωση οργανικής ύλης κ.ά.

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Χημική οξείδωση (προ-χλωρίωση) Εφαρμογή οξειδωτικών ουσιών , όπως το όζον, χλώριο ή υπερμαγγανικό κάλιο για την επιβράδυνση της ανάπτυξης μικροοργανισμών και την οξείδωση ουσιών που προκαλούν οσμές και γεύσεις. Κροκίδωση Προσθήκη κροκιδωτικών (αλάτων του αργιλίου και σιδήρου) και ταχεία ανάμιξη που επιφέρει αποσταθεροποίηση των κολλοειδών σωματιδίων και τον σχηματισμό μικρών κροκίδων

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Θρόμβωση Συσσωμάτωση των μικρών κροκίδων που προκύπτουν από την αποσταθεροποίηση των κολλοειδών σε μεγάλες κροκίδες Καθίζηση Επιτυγχάνεται ο διαχωρισμός με τη βαρύτητα των αιωρούμενων σωματιδίων και των κροκίδων που σχηματίστηκαν στα προηγούμενα στάδια. Ενεργός άνθρακας Απομάκρυνση ουσιών που προκαλούν γεύσεις, οσμές και χρώμα στο νερό. Απομακρύνει χλωροοργανικά και άλλα οργανικά συστατικά. Ο άνθρακας χρησιμοποιείται σε μορφή σκόνης είτε σε κοκκώδη μορφή.

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Ενεργή αλουμίνα Απομακρύνει επιλεκτικά ορισμένες ενώσεις όπως το νερό (φωσφόρο, το φθόριο, το αρσενικό και το σελήνιο). Απολύμανση Καταστροφή παθογόνων μικροοργανισμών με τη χρήση οξειδωτικών ενώσεων όπως χλώριο, διοξείδιο του χλωρίου και όζον. Η απολύμανση επίσης επιτυγχάνεται με υπεριώδη ακτινοβολία Αμμωνίωση Προσθήκη αμμωνίας για τη μετατροπή του ελεύθερου χλωρίου σε χλωραμίνες που είναι λιγότερο δραστικές, έχουν μεγαλύτερη υπολειμματική δράση και δεν σχηματίζουν τριαλομεθάνια

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Αποσκλήρυνση με χημική ιζηματοποίηση μέθοδος αποσκλήρυνσης με τη χρήση υδροξειδίου του ασβεστίου ή υδροξειδίου του ασβεστίου και ανθρακικού νατρίου. Επανθράκωση προσθήκη διοξειδίου του άνθρακα σε νερό που έχει προκύψει μετά από αποσκλήρυνση με περίσσεια υδροξειδίου του ασβεστίου και ταπείνωση του pH

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Χημική κατακρήμνιση Προσθήκη χημικών για την κατακρήμνιση διαλυμένων ουσιών και δημιουργία ιζήματος. Γίνεται απομάκρυνση σκληρότητας, σιδήρου και μαγγανίου, βαρέων μετάλλων Διήθηση (διύλιση) Απομάκρυνση σωματιδίων με διήθηση μέσω πορώδους μέσου. Το στρώμα διύλισης μπορεί να είναι απλό (άμμος), διπλό (άμμος και ανθρακίτης) ή πολλαπλό

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Απομάκρυνση διαλυμένων ενώσεων Η απομάκρυνση διαλυμένων ενώσεων από το νερό επιτυγχάνεται με ιοντοεναλλαγή, αντίστροφη ώσμωση και εξάτμιση Ιοντοεναλλαγή Εκλεκτική απομάκρυνση κατιόντων και ανιόντων από το νερό από ρητίνες. Η ανταλλακτική ικανότητα των ρητινών εξαντλείται και απαιτεί αναγέννηση. Υπάρχουν εκλεκτικές ρητίνες για τη σκληρότητα, τα νιτρικά και την αμμωνία Αντίστροφη ώσμωση Χρήση ημιπερατών μεμβρανών που κατακρατούν τα διαλυμένα άλατα και αποδίδουν καθαρό νερό. Τα άλατα συγκεντρώνονται στην άλμη που πρέπει να διατεθεί. Η μέθοδος χρησιμοποιείται για αφαλάτωση και αφαίρεση νιτρικών και αρσενικού

Βασικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία νερού Υπερδιύλιση (υπερδιήθηση) Είναι μια διεργασία διήθησης υπό πίεση δια μέσου μεμβρανών που κατακρατούν υλικό με διαστάσεις 0,05-0,1μ Ηλεκτροδιαπίδυση Εφαρμόζεται διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού και επιτυγχάνεται η αφαίρεση ιόντων με τη βοήθεια επιλεκτικών μεμβρανών ανιόντων και κατιόντων Απόσταξη Συστήματα εξάτμισης διαφόρων τύπων χρησιμοποιούνται για την αφαλάτωση νερού

Εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού Στόχος των εγκαταστάσεων επεξεργασίας νερού είναι η παραγωγή νερού που ικανοποιεί τις προδιαγραφές ποιότητας με λογικό κόστος. Το νερό που υποβάλλεται σε επεξεργασία μπορεί να είναι επιφανειακό είτε υπόγειο. Η υδροληψία και η μεταφορά του νερού μέχρι την εγκατάσταση επεξεργασίας αποτελεί το αρχικό τμήμα των εγκαταστάσεων. Μετά την επεξεργασία, το νερό οδηγείται σε δεξαμενή καθαρού νερού και από εκεί διατίθεται στο δίκτυο διανομής για να φθάσει στον καταναλωτή.

Εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού Ο σχεδιασμός των ΕΕΝ γίνεται με κριτήριο τον απαιτούμενο βαθμό επεξεργασίας ώστε να επιτυγχάνεται κατάλληλη ποιότητα πόσιμου νερού Η παρουσία παθογόνων οργανισμών είναι βέβαιη σε όλα τα φυσικά νερά και κύριος στόχος μιας ΕΕΝ είναι η καταστροφή των παθογόνων μέσω απολύμανσης του νερού. Η αποτελεσματικότητα όλων των μεθόδων απολύμανσης εξαρτάται από τη θολότητα (αιωρούμενα και κολλοειδή), συνεπώς πριν την απολύμανση απαιτείται η απομάκρυνση της θολότητας του μέσω κροκίδωσης-καθίζησης και διύλισης.

Εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού Η διασφάλιση της ποιότητας του νερού (διαλυμένα συστατικά) είναι σκόπιμο να επιδιώκεται στην πηγή. Όσο πιο καθαρά είναι τα φυσικά νερά που πρόκειται να επεξεργαστούν τόσο μικρότερος ο αριθμός των διεργασιών που απαιτούνται και ως εκ τούτου τόσο μικρότερο το κόστος. Αν δεν τηρούνται τα αποδεκτά όρια στα φυσικά νερά υδροδότησης υπάρχουν οι κατάλληλες διεργασίες για την επεξεργασία τους οι οποίες όμως αυξάνουν το κόστος (π.χ. ενεργός άνθρακας, ιοντοεναλλαγή, μεμβράνες).

Εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού Για παράδειγμα, η αφαλάτωση του νερού (παραγωγή πόσιμου νερού από θαλάσσιο) έχει δεκαπλάσιο κόστος σε σύγκριση με το κόστος παραγωγής πόσιμου νερού από επιφανειακά ή υπόγεια φυσικά νερά. Έτσι, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η παραγωγή πόσιμου νερού με αποδεκτό προϋποθέτει τη κατάλληλη ποιότητα των φυσικών νερών, που χρησιμοποιούνται για υδροδότηση.

Επεξεργασία επιφανειακών νερών Τα κυριότερα προβλήματα που παρουσιάζουν τα επιφανειακά νερά είναι η ύπαρξη αιωρούμενου υλικού, χρώματος, οσμής και γεύσης και μικροβιολογικού φορτίου.

Συνήθης επεξεργασία επιφανειακών νερών Αρχικά χρησιμοποιούνται χονδρές, μέσες και πιθανόν λεπτές εσχάρες. Γίνεται προσθήκη οξειδωτικού (για την παρεμπόδιση ανάπτυξης φυκών, τον έλεγχο μικροοργανισμών και την αντιμετώπιση προβλημάτων οσμής και γεύσης). Ως οξειδωτικά χρησιμοποιούνται το χλώριο, διοξείδιο του χλωρίου, όζον, υπερμαγγανικό κάλιο. Γίνεται προσθήκη κροκιδωτικών (άλατα σιδήρου και αργιλίου πολυηλεκτρολύτες ). Μετά την καθίζηση προστίθεται υποβοηθητικό διήθησης Μετά την διήθηση ακολουθεί η απολύμανση (συνήθως με χλώριο)

Συμβατική μονάδας επεξεργασίας επιφανειακού νερού

Στάδια επεξεργασία επιφανειακών νερών Αν υπάρχουν προβλήματα με την ποιότητα του νερού που χρησιμοποιείται για υδροδότηση τότε γίνονται διάφορες τροποποιήσεις στα στάδια επεξεργασίας (π.χ. χρησιμοποίηση κοκκώδους ενεργού άνθρακα,αν υπάρχει αυξημένο οργανικό φορτίο – χρησιμοποίηση δεξαμενών προκαθίζησης αν υπάρχει μεγάλη συγκέντρωση αιωρούμενου υλικού- αποσκλήρυνση αν έχει μεγάλη σκληρότητα. Επίσης, αν το νερό έχει μικρές τιμές θολότητας, χρώματος ή οσμής μπορεί να γίνει παράκαμψη του σταδίου καθίζησης και να γίνει απευθείας διήθηση.

Επεξεργασία υπόγειων νερών Τα κυριότερα προβλήματα είναι η υψηλή σκληρότητα και η αυξημένη συγκέντρωση σιδήρου και μαγγανίου. Για την αφαίρεση της σκληρότητας χρησιμοποιείται υδροξείδιο του ασβεστίου και σόδα (όταν η μόνιμη σκληρότητα είναι υψηλή). Σε νερό που έχει προκύψει μετά από αποσκλήρυνση με περίσσεια υδροξειδίου του ασβεστίου ακολουθεί το στάδιο επανθράκωσης, δηλαδή η διαβίβαση διοξειδίου του άνθρακα για να μειωθεί το pH (από 10-11) στην τιμή 9,5 ώστε η περίσσεια ασβέστη να μετατραπεί σε ανθρακικό ασβέστιο που αφαιρείται με καθίζηση. Επιτυγχάνεται σταθεροποίηση του νερού.

Επεξεργασία υπόγειων νερών Η αποσκλήρυνση του νερού γίνεται και με χρήση ιοντοεναλλακτικών υλικών (ρητινών) Τα συστήματα επεξεργασίας για αφαίρεση σιδήρου και μαγγανίου περιλαμβάνουν στάδια οξείδωσης των δισθενών ιόντων και αφαίρεση των ιζημάτων με καθίζηση.

Απολύμανση νερού (disinfection) Η απολύμανση είναι συνήθως το τελευταίο στάδιο στην επεξεργασία νερού και υγρών αποβλήτων και έχει ως στόχο την καταστροφή των παθογόνων μικροοργανισμών. Όλες οι μέθοδοι απολύμανσης στοχεύουν στην καταστροφή των βακτηριδίων, ιών και των λοιπών μικροοργανισμών που πιθανό να είναι φορείς ασθενειών, ή μπορούν να εξελιχθούν σε τέτοιους. Η απολύμανση επιτυγχάνεται κυρίως με χλώριο (Cl2), όζον (Ο3), υπεριώδη ακτινοβολία (UV).

Απολύμανση νερού (disinfection) 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 Η πιο συνηθισμένη σήμερα μέθοδος απολύμανσης είναι η χλωρίωση η οποία επιτυγχάνεται με προσθήκη στο νερό είτε ελεύθερου χλωρίου είτε χημικών ενώσεων του χλωρίου.

Χλωρίωση νερού Το χλώριο (Cl2) 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(1 ppm) ενώ και 50 mg/L έχουν αποδειχθεί ακίνδυνα για τον ανθρώπινο οργανισμό. Η προσδιδόμενη από το χλώριο γεύση και οσμή, ακόμη και για περιεκτικότητες πολύ κατώτερες από το επικίνδυνο όριο, είναι τόσο δυσάρεστες που αποκλείουν την πόση του.

Χλωρίωση νερού Το χλώριο είναι αέριο κιτρινοπράσινο, με έντονα ερεθιστική και αποπνιχτική οσμή Αντιδρά οξειδωτικά τόσο με ανόργανες ουσίες (Fe2+, Mn2+, NΟ2-, H2S) όσο και με οργανικές ενώσεις δεσμεύουν το λεγόμενο «απαιτούμενο» χλώριο. Μετά την ικανοποίηση του νερού σε χλώριο παραμένει σε μικρή ποσότητα που αρχίζει την απολύμανση.

Χλωρίωση πόσιμου νερού Όταν προστεθεί αέριο χλώριο στο νερό σχηματίζεται υποχλωριώδες οξύ Υδρόλυση: Cl2+H2O ↔ HOCl + H++ Cl- Το υποχλωριώδες οξύ είναι ένα ασθενές οξύ που διασπάται στη συνέχεια σε ιόντα υδρογόνου (Η+) και υποχλωριώδη ιόντα (ΟCl-): Ιοντισμός: HOCl  Η+ + OCl- Η παρουσία του υποχλωριώδους οξέος στο νερό εξαρτάται κυρίως από το pΗ. Σε όξινο pH η ποσότητα HOCl είναι μεγαλύτερη.

Χλωρίωση πόσιμου νερού Αν το pH του νερού γίνει > 8 το αποτέλεσμα είναι ο ιοντισμός του ασθενούς οξέος (HOCl) σε υποχλωριώδες ιόν, OCl-, που είναι σχετικά ανενεργό για την καταπολέμηση μικροοργανισμών. Από τις δύο μορφές το υποχλωριώδες οξύ, HOCl έχει πολύ μεγαλύτερη μικροβιοκτόνο δράση έναντι του υποχλωριώδους ιόντος, OCl- στο νερό (40-80 φορές για E.coli). Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η επίδραση που έχει το pH στην κατανομή των δύο μορφών του χλωρίου HOCl, OCl-, οι οποίες συνιστούν το λεγόμενο «ελεύθερο χλώριο» ή «υπολειμματικό χλώριο» .

Αναλογία των μορφών του χλωρίου, σε συνάρτηση με το pH

Χλωρίωση πόσιμου νερού Όπως προκύπτει από το σχήμα η απολυμαντική δράση του χλωρίου είναι καλύτερη σε χαμηλές τιμές pH Η απολυμαντική ικανότητα του χλωρίου εξαρτάται επίσης από την θερμοκρασία επειδή για συγκεκριμένη τιμή pH η θερμοκρασία επηρεάζει τη διάσταση του HOCl. Στις χαμηλές θερμοκρασίες, για ορισμένη συγκέντρωση χλωρίου, αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το χρόνο καταστροφής μικροοργανισμών Έτσι,όσο υψηλότερη είναι η τιμή του pH και όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο περισσότερη ποσότητα χλωρίου απαιτείται για την επιτυχή απολύμανση.

Χλωρίωση πόσιμου νερού Σε μικρής κλίμακας εφαρμογές χρησιμοποιούνται υποχλωριώδη άλατα: το Ca(OCl)2, ή υδατικό διάλυμα ΝaOCl : Ca(OCl) 2  Ca2+ + 2OCl- ΝaOCl +  Νa+ + OCl- Στο νερό, η οξεοβασική αντίδραση που λαμβάνει χώρα μετατρέπει το μεγαλύτερο μέρος του OCl- σε HOCl. OCl- + H2Ο  HOCl + ΟΗ- μπορεί να θεωρηθεί ότι αποκαθίσταται η ίδια ισορροπία. Η προσθήκη χλωρίου ελαττώνει το pH, ενώ τα υποχλωριώδη άλατα προκαλόυν αύξηση του pH.

Αντιδράσεις χλωρίου με ενώσεις που περιέχονται στο νερό Το χλώριο και το υποχλωριώδες οξύ της απολύμανσης αντιδρούν με πολλές ενώσεις, ανόργανες και οργανικές και ιδιαίτερα με τις αναγωγικές ενώσεις συμπεριλαμβανομένης και της αμμωνίας. Αυτές οι αντιδράσεις είναι και το σημαντικό μειονέκτημα της χλωρίωσης. Η απαίτηση των ενώσεων αυτών για χλώριο πρέπει να ικανοποιηθεί πριν υπάρξει διαθέσιμο χλώριο για την απολύμανση.

Αντιδράσεις χλωρίου με ενώσεις που περιέχονται στο νερό Αντιδράσεις παρουσία αμμωνιακών ιόντων Όταν στο νερό υπάρχει αμμωνία (ή αζωτούχες οργανικές ενώσεις που καταλήγουν σε αμμωνία) το χλώριο αντιδρά και σχηματίζει χλωραμίνες «ενωμένο χλώριο». Η φύση των ενώσεων αυτών εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις αμμωνίας, χλωρίου και από το pH. Σχηματίζονται τρεις χλωραμίνες σύμφωνα με τις αντιδράσεις: ΝΗ4+ + HOCl  NH2Cl + H2O + H+ Μονοχλωραμίνη NH2Cl + HOCl  NHCl2 + H2O Διχλωραμίνη NHCl2 + HOCl  NCl3+ H2O Τριχλωραμίνη Η NH2Cl και NHCl2 έχουν απολυμαντική δράση Οι χλωραμίνες με εξακολουθητική προσθήκη χλωρίου, διασπώνται και δίνουν τελικά αέριο άζωτο: 2 NH2Cl + Cl2  N2 + 3HCl

Ελεύθερο ή υπολειμματικό / απαιτούμενο χλώριο 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. Ως ενεργό χλώριο νοείται το άθροισμα όλων των ενώσεων χλωρίου που υπάρχουν σε κάποια χρονική στιγμή στο νερό και έχουν απολυμαντική δράση. Το απαιτούμενο για απολύμανση χλώριο εξαρτάται από την περιεκτικότητα των ενώσεων στο νερό που αντιδρούν με το χλώριο.

Αντιδράσεις χλωρίου με ενώσεις που περιέχονται στο νερό Σε συνήθεις περιπτώσεις πλήρης απολύμανση επιτυγχάνεται όταν μετά την ανάμιξη και οξείδωση, η περιεκτικότητα του ελεύθερου χλωρίου 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.

Αντιδράσεις χλωρίου με ενώσεις που περιέχονται στο νερό Αντιδράσεις παρουσία ανόργανων ιόντων Το χλώριο οξειδώνει πολλά ανόργανα είδη όπως: ιόντα Fe2+, Mn2+, NO2- , S-2 τα οποία αποτελούν παραδείγματα ανόργανων αναγωγικών σωμάτων που υπάρχουν στο νερό και αντιδρούν με χλώριο. Η αντίδραση Cl2 και H2S δίδεται ως παράδειγμα των αντιδράσεων του Cl2 με αναγωγικά σώματα. H2S + Cl2  2HCl+ S

Αντιδράσεις χλωρίου με ενώσεις που περιέχονται στο νερό Αντιδράσεις παρουσία οργανικών ενώσεων Το χλώριο επίσης αντιδρά και με τυχόν υπάρχουσες οργανικές ενώσεις στο νερό, με αποτελέσματα το σχηματισμό οργανοχλωριωμένων ενώσεων, μερικές από τις οποίες είναι τοξικές. Οι ακόρεστες οργανικές ενώσεις αυξάνουν την απαίτηση του νερού για χλώριο.   Cl OH C = C - + HOCl  C – C - H H H H

Παραπροϊόντα απολύμανσης, DBP’s (Disenfection by-products) Τα πιο κοινά παραπροϊόντα χλωρίωσης είναι τα τριαλογονομεθάνια ή τριαλογονομεθάνια , THM’s (CHX3) και τα αλοοξικά οξέα, HAA’s, (XnH3-nC-COOH όπου Χ είναι Cl ή Br ή μίγμα αυτών και n=1,2,ή 3). Η ολική συγκέντρωση του χλωρίου και του βρωμίου στα παραπροϊόντα απολύμανσης αναφέρεται ως ΤΟΧ (Total Organic Halogen) και εκφράζεται ως μg/L ισοδύναμης ποσότητας Cl.

Παραπροϊόντα απολύμανσης, DBP’s (Disenfection by-products) Αν το νερό περιέχει φαινόλες, το χλώριο αντικαθιστά τα άτομα υδρογόνου του δακτυλίου και σχηματίζονται χλωροφαινόλες. Ένα μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ο σχηματισμός ενώσεων τριαλογονομεθάνιου (THMs) με γενικό τύπο CHX3 όπου X είναι χλώριο ή βρώμιο. Η πιο σημαντική ένωση είναι το χλωροφόρμιο CHCl3, που σχηματίζεται όταν το χλώριο αντιδρά με χουμικές ενώσεις στο νερό. Άλλες ενώσεις που μπορεί να σχηματισθούν είναι: το βρώμο-δίχλωρο-μεθάνιο (CHCl2Br), το χλώρο-διβρωμο-μεθάνιο (CHClBr2), και το βρωμοφόρμιο (CHBr)

Παραπροϊόντα απολύμανσης, DBP’s (Disenfection by-products) Η παρουσία καρκινογόνων οργανοχλωριωμένων ενώσεων θα μπορούσε να οδηγήσει σε προσπάθειες να ανακαταληφθεί η χλωρίωση του νερού και να αντικατασταθεί πλήρως από άλλες μεθόδους όπως π.χ. την απολύμανση με όζον, ή με διοξείδιο του χλωρίου, ή με υπεριώδη ακτινοβολία.   Όμως το μειονέκτημα των μεθόδων αυτών έναντι της χλωρίωσης είναι ότι δεν σχηματίζεται «υπόλειμμα» ώστε να υπάρχει προστασία στο δίκτυο (από τον σταθμό επεξεργασίας στον καταναλωτή) πριν την κατανάλωση.

Σημασία υπολειμματικού χλωρίου Συνηθίζεται το χλώριο, το υποχλωριώδες οξύ και το υποχλωριώδες ιόν να αναφέρονται ως ελεύθερο υπολειμματικό χλώριο και οι χλωραμίνες ως ενωμένο υπολειμματικό χλώριο.  Όταν στο νερό περιέχεται αμμωνία, πρέπει να αυξηθεί η ποσότητα του χλωρίου που προστίθεται. Το «ενωμένο χλώριο» είναι πιο σταθερό από το «ελεύθερο χλώριο» αλλά είναι λιγότερο δραστικό. Έχει υπολογισθεί ότι το ενωμένο χλώριο χρειάζεται 100 φορές μεγαλύτερο χρόνο επαφής από ότι το ελεύθερο χλώριο για να έχουμε τον ίδιο βαθμό απολύμανσης.  Παρόλα αυτά σε ορισμένες περιπτώσεις προστίθεται αμμωνία στο νερό όταν δεν την περιέχουν για να σχηματισθούν χλωραμίνες οι οποίες προκαλούν λιγότερα προβλήματα με τη γεύση και την οσμή που προσδίδουν στο νερό.

Χαρακτηριστική καμπύλη χλωρίωσης Οι χλωραμίνες με εξακολουθητική προσθήκη χλωρίου, διασπώνται και δίνουν τελικά αέριο άζωτο:  2NH2Cl + Cl2  N2 + 3HCl Αν σε δείγμα νερού που περιέχει αμμωνία προστεθεί προοδευτικά χλώριο, τότε παράγεται μια χαρακτηριστική καμπύλη συγκέντρωσης των υπολειμμάτων χλωρίου, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα Όταν αντιδράσει όλη η αμμωνία, η περαιτέρω προσθήκη χλωρίου μετατρέπει το ενωμένο χλώριο σε ελεύθερο χλώριο. Αυτό αρχίζει από το λεγόμενο σημείο μετατροπής.

Χαρακτηριστική καμπύλη χλωρίωσης

Χαρακτηριστική καμπύλη χλωρίωσης η ευθεία γραμμή ΟΑ δίνει τη συγκέντρωση του χλωρίου που προστίθεται, ή τη συγκέντρωση του υπολείμματος χλωρίου στο νερό εφόσον δεν γίνεται καμιά αντίδραση. Η καμπύλη ΟΒ παριστά τα υπολείμματα χλωρίου που αντιστοιχούν στις διάφορες προσθήκες του, μετά από ένα ορισμένο χρόνο επαφής (20 λεπτά). Η απαίτηση του νερού σε χλώριο σε μια συγκεκριμένη συγκέντρωση που προστίθεται δίνεται από την κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των καμπυλών ΟΑ και ΟΒ. Αυτό πρακτικά παριστάνει την ποσότητα του χλωρίου που έχει αντιδράσει με τα διάφορα αναγωγικά σώματα και κατά συνέπεια η ποσότητα αυτή δεν είναι πλέον διαθέσιμη.

Χαρακτηριστική καμπύλη χλωρίωσης Σε υψηλότερες δόσεις χλωρίου, οι χλωραμίνες οξειδώνονται από την περίσσεια χλωρίου σε αέριο άζωτο, με αποτέλεσμα την ταχεία ελάττωση του υπολείμματος χλωρίου στο νερό. Μετά το σημείο μετατροπής, δεν έχει παραμείνει αμμωνία για να αντιδράσει με το χλώριο, και έτσι αυξάνεται η συγκέντρωση του υπολείμματος χλωρίου ανάλογα με το προστιθέμενο χλώριο. Έτσι η απολύμανση πριν το σημείο μετατροπής οφείλεται στο ενωμένο χλώριο, ενώ μετά το σημείο μετατροπής οφείλεται στο ελεύθερο χλώριο αν και μπορεί να παραμείνουν ίχνη χλωραμινών.

Χαρακτηριστική καμπύλη χλωρίωσης Το σημείο μετατροπής είναι χαρακτηριστικό για κάθε νερό που χλωριώνεται γιατί η απαίτηση του νερού για χλώριο εξαρτάται κυρίως από την συγκέντρωση των αναγωγικών ενώσεων και της αμμωνίας. Ο προσδιορισμός του σημείου μετατροπής επιτρέπει τον υπολογισμό της ποσότητας χλωρίου που θα προστεθεί, ώστε να υπάρχει ελεύθερο υπολειμματικό χλώριο για την καλύτερη απολύμανση του νερού. Από την άλλη πλευρά, επειδή το ελεύθερο χλώριο είναι τοξικό για τους υδρόβιους οργανισμούς, η απολύμανση των λυμάτων για παράδειγμα γίνεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην παραμένουν μεγάλες συγκεντρώσεις υπολειμματικού χλωρίου κατά τη διοχέτευση των λυμάτων σε υδατικούς αποδέκτες.

Μικροβιακή Δράση του χλωρίου καταστρέφει ή αδρανοποιεί τους παθογόνους οργανισμούς αντιδρώντας με ένζυμα ή μέσω κυτταρικής διείσδυσης. Η μικροβιοκτόνος δράση του χλωρίου εξαρτάται: από τη χημική μορφή το χρόνο επαφής, το pH, τη συγκέντρωση, τη θερμοκρασία και το τέλος από το είδος των μικροβίων. Δύο παράγοντες σημαντικοί στην απολύμανση του νερού είναι ο χρόνος επαφής και η συγκέντρωση. Όταν οι άλλοι παράγοντες διατηρούνται σταθεροί (pH, θερμοκρασία, τύπος μικροοργανισμών) Καταστροφή ∞ Cn x t ( n>0)

Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα της χλωρίωσης Πλεονεκτήματα: διατίθεται σε αέρια, σε υγρή και σε στερεή μορφή χαμηλό κόστος αφήνει υπόλειμμα στο νερό, το οποίο προστατεύει όλο το σύστημα ύδρευσης, είναι ισχυρά τοξικό για τους περισσότερους μικροοργανισμούς. Μειονέκτημα: σχηματισμός παραπροϊόντων χλωρίωσης επειδή το χλώριο της απολύμανσης αντιδρά με πολλές οργανικές και ανόργανες ενώσεις.

Απολύμανση νερού με διοξείδιο του χλωρίου Χρησιμοποιείται σε περιορισμένο βαθμό, κυρίως σε περιπτώσεις που το χλώριο δημιουργεί ανεπιθύμητες ενώσεις με συστατικά του νερού. Το αέριο διοξείδιο του χλωρίου, χρησιμοποιείται για την απολύμανση του νερού επειδή δεν εισάγει γενικά άτομα χλωρίου στις ενώσεις με τις οποίες αντιδρά, και επειδή οξειδώνει τις διαλυμένες οργανικές ενώσεις, σχηματίζοντας πολύ λιγότερες ποσότητες οργανικών παραπροϊόντων. Το ClO2, όμως δεν μπορεί να αποθηκευτεί γιατί σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι εκρηκτικό. Έτσι παράγεται στον τόπο χρησιμοποίησής του. 2NaClO2 + Cl2  ClO2 + 2NaCl

Απολύμανση νερού με χρήση όζοντος Το όζον Ο3 έχει χρησιμοποιηθεί στην Ευρώπη για απολύμανση νερού περισσότερο από 60 χρόνια. Θεωρείται αποτελεσματικό για εξουδετέρωση των οσμών και γεύσεων, για την απομάκρυνση φαινολών καθώς και για την απομάκρυνση του χρώματος και δραστικό κατά των ιών σε δόση ~ 1.0 mg/l. Το όζον που είναι αέριο ασταθές, ισχυρά οξειδωτικό, δεν μπορεί να αποθηκευτεί, και παράγεται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού με μία ακριβή διαδικασία που περιλαμβάνει ηλεκτρικές εκκενώσεις σε ξηρό αέρα.

Απολύμανση νερού με χρήση όζοντος Είναι γενικά δαπανηρότερη μέθοδος από τη χλωρίωση. Το όζον, έχει μικρή διάρκεια ζωής και μετατρέπεται γρήγορα σε οξυγόνο (σε 30 λεπτά). Με την έντονη οξειδωτική του δράση, αποχρωματίζει και δεν αφήνει καμία οσμή στο νερό αλλά λόγω της μικρής διάρκειας ζωής δεν εξασφαλίζει υπολειμματική δράση και έτσι δεν παρέχει προστασία στο απολυμασμένο νερό μέσα στο δίκτυο διανομής από κάποια μελλοντική μόλυνση.

Απολύμανση νερού με χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας Η απαιτούμενη δόση εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του προς απολύμανση νερού και είναι ευαίσθητη στην παρουσία αιωρούμενων στερεών και θολότητας. Το κόστος της απολύμανσης με υπεριώδη ακτινοβολία είναι λίγο μεγαλύτερο από αυτό της χλωρίωσης αλλά μικρότερο από της οζόνωσης Πλεονεκτήματα: Δεν παράγονται επικίνδυνα παραπροϊόντα Μειονεκτήματα: Απουσία υπολειμματικής δράσης