Introduzione: La crescente preoccupazione per i sottoprodotti di disinfezione

La disinfezione è stata una delle più significative prestazioni sanitarie pubbliche del XX secolo, riducendo drasticamente le malattie a base di acqua come il colera, il tifoide e la dissenteria. Tuttavia, i processi chimici utilizzati per uccidere gli agenti patogeni possono produrre in modo inavvertitamente composti nocivi noti come sottoprodotti disinfezione (DBPs).

Cos'è l'Ozonazione?

L’ozono è un processo di trattamento dell’acqua che utilizza l’ozono (O3), una forma altamente reattiva di ossigeno, come potente ossidante e disinfettante. L’ozono viene generato in loco passando aria secca o ossigeno attraverso un campo di scarico elettrico ad alta tensione, simile a un fulmine.

Generazione di ozono e Chimica

L'ozono è generato attraverso lo scarico corona o l'irradiazione ultravioletta (UV) . Il metodo più comune, lo scarico corona, comporta il passaggio di ossigeno (O2]) attraverso un divario dielettrico sottoposto a un forte campo elettrico.

Come l'ozonazione riduce la formazione dei sottoprodotti di disinfezione

L'ozonazione riduce la formazione DBP attraverso diversi meccanismi distinti che si rivolgono sia ai precursori che al processo di trattamento generale. La comprensione di questi meccanismi è fondamentale per ottimizzare il trattamento delle acque per la conformità normativa e la protezione della salute pubblica.

Ossidazione della materia organica naturale (NOM)

I precursori principali per DBP come THM e HAAs sono composti organici naturali, in particolare gli acidi umici e fulvi, che contengono gruppi funzionali reattivi come gli anelli aromatici e i doppi legami coniugati. Quando il cloro viene aggiunto all'acqua non trattata, queste strutture aromatiche reagiscono facilmente per formare sottoprodotti alogeniti.

Modifica della chimica Bromide

Ioni bromurosi (Br-) presenti nelle acque naturali possono essere ossidati sia dall'ozono che dal cloro. Mentre l'ozono può ossidare il bromuro totale all'acido ipobromo (HOBr), che a sua volta reagisce con la materia organica per formare DBP brominato (spesso più tossico dei loro omologhi clorurati), l'attento controllo delle condizioni di ozona può effettivamente ridurre la formazione di specie brozone

Rimozione avanzata del particolato e della materia colloidale

L'ozono può migliorare l'efficienza complessiva dei processi di coagulazione e filtrazione a valle. Le reazioni di ossidazione si frantumano molecole organiche ad alto peso molecolare e destabilizzano le particelle colloidali. Questo può portare ad un miglioramento del 10-20% nella rimozione del carbonio organico totale (TOC) e la turbidità nel trattamento convenzionale.

Bassa domanda di cloro e dosaggio

Poiché l'ozono distrugge una parte sostanziale del NOM e di altre sostanze ossidizzabili, la domanda di cloro dell'acqua diminuisce. La domanda di cloro è la quantità di cloro consumato dalle reazioni con composti organici e inorganici prima che possa fornire la disinfezione residua libera.

Vantaggi dell'ozonazione nel trattamento dell'acqua

Oltre alla riduzione DBP, l'ozonation offre un ampio portafoglio di vantaggi che lo rendono un processo di unità attraente per gli impianti di trattamento dell'acqua moderni.

Prestazioni di disinfezione superiori

L'ozono è uno dei più potenti disinfettanti noti, con la capacità di inattivare batteri, virus e parassiti protozoi come Giardia] e Cryptosporidium] molto più efficace del cloro .

Riduzione delle classi DBP specifiche

Mentre THMs e HAAs sono i DBP più regolamentati, l'ozonazione riduce anche la formazione di altri sottoprodotti problematici come ad esempio i precursori di aloacetonitriles (HAN), gli alketoni e la cloropicrina. Poiché l'ozono attacca i precursori azotati e carbonacerosi di questi composti, le loro concentrazioni in acqua finita spesso diminuiscono.

Riduzione dei composti di gusto e odore

I composti come il geosmin e il 2-metilisoborneol (MIB) causano gusti e odori di terra-musty in acqua potabile, spesso causando reclami del cliente. Il cloro è in gran parte inefficace nell'ossidazione di questi composti, ma l'ozono funziona rapidamente e completamente li distrugge a dosi tipiche di 1-3 mg/L. Molte utilità di acqua utilizzano l'ozonizzazione specificamente per la riduzione del gusto e dell'odore.

Miglioramento della fluttuazione e della filtrazione

L'effetto microflocculazione dell'ozono, causato dalla destabilizzazione chimica delle particelle colloidali e dei polimeri organici, migliora l'efficienza del trattamento fisico a valle. La rimozione della turbidità può aumentare del 10-15% e la qualità dell'acqua si è stabilizzata migliora.

Sfide e considerazioni nell'applicazione a schermo intero

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, l'ozonazione non è una panacea, ma ci sono significative sfide operative, economiche e chimiche che devono essere riuscite a realizzare i benefici di riduzione DBP completi.

Formazione di Bromate (BrO3−)

Quando le acque di sorgente contengono livelli elevati di bromuro (sopra ~50 μg/L), l'ozono può ossidare la bromuro a bromato, un DBP cancerogeno che è regolato in molte giurisdizioni. Il percorso formativo comporta una serie di reazioni, tra cui l'ossidazione di bromuro a ipobromito (OBr−) seguita da ulteriore ossidazione a bromato.

Nessuna disinfezione residente

L'ozono si decompone troppo rapidamente per fornire una disinfezione residua durante il sistema di distribuzione. Pertanto, l'ozonazione deve essere sempre seguita da un disinfettante secondario, tipicamente cloro o monocloro. Ciò significa che una certa formazione DBP è inevitabile durante la fase finale di disinfezione. L'obiettivo è quello di ridurre i precursori in modo che il livello finale DBP sia sotto i limiti di regolazione.

Requisiti di sicurezza e generazione on-Site

L'ozono è un gas instabile che non può essere immagazzinato; deve essere generato su richiesta. Ciò richiede attrezzature ad alta intensità di capitale come generatori di ozono, concentratori di ossigeno o sistemi di approvvigionamento di ossigeno liquido, compressori e bacini di contatto. I protocolli di sicurezza sono severi perché l'ozono è un gas tossico con un limite di esposizione professionale di 0,1 ppm.

Sottoprodotti Specifici per l'Ozonazione

L'ozonazione stessa produce sottoprodotti, in particolare aldeidi (ad esempio, formaldeide, acetaldeide) e carbonio organico assimilabile (AOC). Questi composti non sono attualmente regolati ma possono promuovere la ricrescita batterica nel sistema di distribuzione se non biologicamente stabilizzato.

Considerazioni economiche

Il costo del capitale per un sistema di ozonazione può variare da 0,5 a 2,0 milioni di dollari al giorno (MGD) di capacità, a seconda delle condizioni del sito e del livello di automazione. I costi operativi sono guidati principalmente da energia elettrica per la generazione di ozono e l'alimentazione di ossigeno.

Attuazione pratica e migliori pratiche

Per i professionisti del trattamento dell'acqua che considerano l'ozonazione per la riduzione del DBP, diverse linee guida operative dovrebbero essere considerate basate sull'esperienza e sulla ricerca del settore.

Test di Bench-Scale e Pilot

Prima di impegnarsi a un sistema a scala piena, le utilità dovrebbero eseguire test specifici del sito. Il dosaggio ideale dell'ozono dipende da acqua grezza TOC, concentrazione di bromuro, pH e alcalinità.

Integrazione con i processi di trattamento esistenti

L'ozono è generalmente posto presto nel treno di trattamento, dopo l'assunzione di acqua grezza e prima della coagulazione, la floclazione e la filtrazione. Questo permette all'ozono di agire su NOM e particelle prima che vengano rimossi dai processi fisici. Per le piante con clorurazione esistente, la retròlazione di un passo di pre-ozonazione può ridurre notevolmente la dose di cloroamina richiesta.

Monitoraggio e controllo

I parametri chiave per il monitoraggio includono il residuo dell'ozono nella camera di contatto (tipicamente 0.2–0.5 mg/L dopo 3–5 minuti di contatto per la disinfezione), i livelli di ossigeno disciolti, pH, temperatura e concentrazione di bromuro. Gli analizzatori di TOC in tempo reale possono essere utilizzati per regolare la dose di ozono dinamicamente.

Processi di ossidazione avanzata combinati (AOP)

Quando l'ozono è combinato con il perossido di idrogeno (H2O2) o la luce UV, la generazione radicale idrossile è migliorata, portando ad ossidazione ancora più aggressiva dei precursori DBP. Questa O3/H2O2 AOP può ridurre il potenziale di formazione DBP di 80-90% in alcune acque, anche se il rischio di formazione bromato aumenta se non gestito con attenzione.

Conclusioni

La disinfezione dell'acqua è un'altra delle più efficaci e versatili tecnologie per ridurre la formazione di sottoprodotti di disinfezione nel trattamento dell'acqua potabile.

Per ulteriori informazioni, consultare la pagina ]EPA’s Disinfezione Sottoprodotti[], []]] Linee guida per la qualità dell’acqua potabile[, e il AWWA Manual on Ozone in trattamento dell’acqua.