System dezynfekcji wody basenowej wspomagany naświetlaniem promieniami UV

Polskim przepisem prawnym formułującym wymagania jakościowe, jakim powinna odpowiadać woda w basenach, jest ustawa z 2001 roku o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków, w której stwierdza się, że jakość wody na potrzeby basenów kąpielowych i pływalni powinna odpowiadać jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi [8, 11]. W 1998 roku na podstawie normy DIN 19643 opracowane zostały wymagania sanitarno-higieniczne dla krytych pływalni, a w 2004 roku powstał projekt rozporządzenia w tej sprawie [3, 10].

Przestrzeganie rygorystycznych norm i wytycznych z zakresu wymagań jakościowych dla wody basenowej wymusza na projektantach i inwestorach obiektów basenowych stosowanie nowoczesnych technik uzdatniania wody, zapewniających wysoką skuteczność usuwania zanieczyszczeń fizyczno-chemicznych i mikrobiologicznych. Tradycyjna technologia oczyszczania i dezynfekcji wody basenowej polegająca jedynie na dawkowaniu podchlorynu sodu stała się niewystarczająca. Aby zachować odpowiednią jakość wody w basenie, właściciel obiektu ma do wyboru wprowadzenie częstszych wymian wody, co znacznie zwiększa koszty eksploatacji basenu, lub zainstalowanie wysoko sprawnych systemów jej oczyszczania i dezynfekcji.

W większości obiektów basenowych oddanych do użytku w okresie ostatnich 10 lat zainstalowane wysoko sprawne systemy oczyszczania (np. wysoko efektywne filtry wielowarstwowe z warstwą antracytu) i dezynfekcji wody (np. wspomaganej działaniem promieni UV) gwarantują użytkownikom komfort kąpieli i zabezpieczenie przed skażeniem bakteriologicznym związkami mogącymi powodować alergie, podrażnienie błon śluzowych lub mającymi właściwości kancerogenne. W obiektach starszych często jakość wody znacznie odbiega od wytycznych, a jedyną możliwością zmiany takiej sytuacji jest modernizacja układu oczyszczania wody basenowej [14–16].

Dezynfekcja wody podchlorynem sodu wspomagana promieniami UV

W nowoczesnych systemach oczyszczania wód basenowych wykorzystuje się procesy prowadzone w zamkniętym obiegu wody z wykorzystaniem czynnego przelewu, który zapewnia właściwą cyrkulację wody w basenie i oszczędną gospodarkę wodną.

Klasyczna metoda oczyszczania i dezynfekcji wody basenowej stosowana w wielu istniejących obiektach basenowych nie pozwala na usuwanie związków chemicznych będących produktami reakcji chloru z zanieczyszczeniami organicznymi wprowadzanymi do wody przez kąpiących się i mającymi często niekorzystny wpływ na ich zdrowie. Dla zachowania odpowiedniej jakości wody w basenach, zwłaszcza publicznych, proponuje się rezygnację z klasycznych układów technologicznych oczyszczania wody basenowej na rzecz układów z wysokoefektywną filtracją i dezynfekcją końcową związkiem chloru wspomaganą naświetlaniem promieniami UV lub działaniem ozonu [14–16].

Coraz większą popularnością cieszą się systemy dezynfekcji wody basenowej obejmujące proces działania promieniami UV (rys. 1). Włączenie tego procesu w układ technologiczny oczyszczania wody basenowej pozwala na stosowanie mniejszych dawek chloru w końcowym etapie jej dezynfekcji i redukcję stężeń związków chloroazotowych [12–13]. W artykule przedstawiono charakterystykę metody naświetlania wody promieniami UV i dezynfekcji końcowej podchlorynem sodu.

Dezynfekcja promieniami UV

Metoda dezynfekcji z zastosowaniem promieniowania UV polega na naświetlaniu wody przepływającej przez cylindry, w których umieszczone są lampy emitujące promieniowanie ultrafioletowe o odpowiedniej mocy. Dotychczas metoda ta stosowana była zwykle w małych obiektach basenowych, ponieważ samodzielnie nie zapewnia ochrony przed wtórnym skażeniem wody. Znajduje zastosowanie także w przypadku dezynfekcji wody w basenach leczniczych, w których dozowanie chloru jest niekorzystne ze względu na alergie pacjentów.

Promieniowanie ultrafioletowe to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali krótszej niż światło widzialne i dłuższej niż promieniowanie rentgenowskie, czyli 100–400 nm. Promieniowanie ma silne działanie bakteriobójcze, dotyczy to w szczególności promieniowania o długości fali 254–265 nm (w zakresie UV-C) [2].

W procesie dezynfekcji promieniami UV najbardziej istotna jest dawka promieniowania, która zależy od natężenia promieniowania i czasu ekspozycji [18]. Minimalna dawka skuteczna dla dezynfekcji wody pitnej to 400 J/m². Jednak ze względu na to, że do wody basenowej bakterie wprowadzane są w sposób ciągły i to w dużej liczbie (od 103 do 3×109 bakterii), dawka minimalna wynosi 600 J/m² (dla basenów z całkowitą wymianą wody co 4–5 godzin) [7].

Urządzenia UV montowane są w obiegu wody basenowej po filtrach i przed wymiennikami ciepła oraz przed miejscami dozowania preparatów chemicznych. W instalacjach basenowych stosowane są tradycyjne lampy niskociśnieniowe (LP), lampy niskociśnieniowe wysoko wydajne (LP-HP) amalgamatowe, lampy średniociśnieniowe (MP) oraz multifalowe (MW) [17].

Podstawą dla skutecznej dezynfekcji promieniami ultrafioletowymi jest prawidłowy dobór urządzenia UV, którego dokonuje się na podstawie: wielkości maksymalnego chwilowego przepływu (m3/h), jakości wody (transmisja UV) 1 cm (94%) oraz żądanej dawki UV (J/cm2) [7].

Do zalet wynikających ze stosowania lamp UV należą: duża skuteczność niszczenia bakterii, krótki czas kontaktu, znikoma ilość niepożądanych ubocznych produktów dezynfekcji, stosunkowo małe gabaryty lamp UV i łatwy ich montaż oraz możliwość zmniejszenia ilości związku chloru dodawanego do wody w celu przeprowadzenia dezynfekcji końcowej.

Do wad tej metody należą: konieczność czyszczenia powierzchni lamp (w przypadku wysokiej mętności i barwy wody skuteczność dezynfekcji lampami UV obniża się) i konieczność stosowania chlorowania końcowego zabezpieczającego przed wtórnym skażeniem wody (promieniowanie UV ma działanie miejscowe) [7, 17, 18].

Dezynfekcja podchlorynem sodu

Dodawanie chloru w postaci podchlorynu sodu jest popularną w Polsce metodą dezynfekcji wody basenowej. Chlor należy wprowadzić do dezynfekowanej wody w takiej ilości, aby pokryć zapotrzebowanie na utlenienie substancji organicznych i nieorganicznych oraz pozostawić nadmiar, tzw. chlor użyteczny, zapewniający wodzie właściwości bakteriobójcze i bakteriostatyczne.

Jeżeli w wodzie dezynfekowanej występują związki azotowe (np. produkty rozkładu mocznika i potu), to chlor utworzy z nimi chloraminy, mogące powodować alergie, podrażnienia górnych dróg oddechowych i układu pokarmowego, posiadające właściwości mutagenne i odpowiedzialne za typowy, nieprzyjemny zapach wody basenowej [1, 5, 9, 12, 13].

Roztwór NaOCl powstaje przez wprowadzenie chloru gazowego do rozcieńczonego ługu sodowego. Chlor występuje tutaj w postaci soli kwasu podchlorawego i jest to roztwór o silnych właściwościach alkalicznych. Typowe stosowanie podchlorynu sodu obejmuje najczęściej małe baseny szkolne i do nauki pływania.

Wśród zalet dezynfekcji podchlorynem sodu można niewątpliwie wymienić: łatwy montaż instalacji, niskie koszty inwestycyjne, łatwe dozowanie uderzeniowe oraz wydłużony czas działania chloru (zabezpieczenie przed wtórnym skażeniem wody). Do wad należą: ograniczona trwałość składowania podchlorynu, tworzenie chloramin oraz wzrost wartości pH, którą można regulować jedynie przez dodawanie większych ilości kwasu [6, 12, 13].

Charakterystyka badanych basenów

Obiektami badań były dwa baseny kryte (oznaczone jako baseny A i B), sportowo-rekreacyjne, o pionowym systemie przepływu wody, których charakterystykę, parametry eksploatacyjne i zastosowaną metodę oczyszczania wody podano w tabeli 1.

W analizowanych basenach proces dezynfekcji wody podchlorynem sodu wspomagany jest naświetlaniem wody promieniami UV. Wyłączenie lamp UV na okres trzech tygodni w każdym z basenów pozwoliło na przeprowadzenie badań porównawczych jakości wody basenowej oczyszczanej w systemie tzw. klasycznym (podczas wyłączenia naświetlania promieniami UV) i przy zastosowaniu techniki wspomagającej proces końcowej dezynfekcji wody podchlorynem sodu (po ponownym włączeniu lamp UV).

Metodyka i zakres badań

Ocena przydatności wody basenowej do kąpieli ustalana jest na podstawie porównania wyników badań bakteriologicznych i fizyczno-chemicznych z dopuszczalnymi wartościami normatywnymi wskaźników zanieczyszczeń [3, 8, 10]. Badania bakteriologiczne mają na celu określenie zagrożeń ze strony mikroorganizmów, a badania fizyczno-chemiczne – ustalenie składu chemicznego wody, ze szczególnym uwzględnieniem substancji szkodliwych dla zdrowia.

Analizie poddano wyniki badań wykonanych od lutego do czerwca 2008 r. Dla każdego z analizowanych obiektów basenowych wykonano cykliczne badania fizyczno-chemiczne i bakteriologiczne dla średnich mieszanych próbek wody basenowej. Z dziewięciu charakterystycznych punktów niecki basenowej pobierano jednakowe objętości próbek do jednego naczynia, gdzie następowało wymieszanie i ujednolicenie próbki. W całym cyklu prowadzonych badań próbki pobierano w godzinach rannych podczas użytkowania basenów przez młodzież szkolną.

Łącznie pobrano 48 próbek wody do analiz fizyczno-chemicznych i bakteriologicznych. Próbki wody z niecek basenowych pobierane były z odległości co najmniej 50 cm od ścian niecek i z głębokości 20–30 cm pod powierzchnią lustra wody. Próbki wody w okresie wyłączonych lamp UV pobierano co drugi dzień (14 próbek), a w okresie włączonych lamp dwa razy w tygodniu (34 próbki).

Do oceny jakości wody basenowej posłużyły następujące parametry: pH, wskaźnik redox, temperatura, barwa, mętność, azot amonowy, utlenialność, chlor wolny i związany, chlorki, twardość ogólna, glin ogólny, NPL bakterii grupy coli, NPL bakterii grupy coli typu kałowego, ogólna liczba bakterii wyhodowana w temperaturze 37°C w czasie 48-godzinnej inkubacji próbki oraz liczba gronkowców koagulazododatnich.

Pobór próbek wody do analiz fizyczno-chemicznych oraz oznaczenia wykonano zgodnie z obowiązującymi normami i metodami [4]. Każdy wskaźnik jakości wody basenowej, w celu wyeliminowania błędów przypadkowych, oznaczano trzykrotnie w dniu poboru próbki, a do dalszej analizy przyjmowano wartość średnią.

Analiza wyników badań

Analizy systemu dezynfekcji wspomaganej promieniami UV dokonano na podstawie porównania wyników badań fizyczno-chemicznych i bakteriologicznych próbek wody basenowej pobieranych w okresie włączonych (basen A-UV i basen B-UV) i wyłączonych (basen A i basen B) lamp UV (tabela 2). Parametrami najlepiej obrazującymi jakość wody w badanych obiektach basenowych były:

• utlenialność, jako wskaźnik zawartości substancji organicznych utleniających się pod wpływem nadmanganianu potasu,
• chlor wolny, zapewniający bakteriobójcze i bakteriostatyczne właściwości wody basenowej,
• chloraminy, oznaczane jako chlor związany, będące wynikiem reakcji związku chloru dodawanego do wody w procesie jej dezynfekcji z solami amonowymi obecnymi w wodzie basenowej,
• mętność i barwa wody, określające efektywność systemu oczyszczania wody w obiegu basenowym oraz wpływające na sprawność działania lamp UV.

Utlenialność wody z analizowanych niecek basenowych nie przekraczała dopuszczalnej wartości dla wody przeznaczonej do spożycia, tj. 5,0 mgO₂/dm³ [8]. Zauważalne było obniżenie wartości utlenialności wody przy działających lampach UV średnio z 4,85 do 4,36 mgO₂/dm³ w basenie A i z 1,80 do 1,35 mgO₂/dm³ w basenie B – rys. 2. Minimalną wymaganą wartością normatywną dla chloru wolnego w niecce basenowej jest 0,3 mgCl₂/dm³ [3,10].

W obiekcie basenowym A w okresie włączonych lamp UV (lampy multifalowe) praktykuje się dawkowanie podchlorynu sodu w zmniejszonych dawkach, tak by utrzymać stężenie chloru pozostałego w wodzie na poziomie 0,25 mgCl₂/dm³. Pomimo zmniejszonego dawkowania NaOCl jakość bakteriologiczna wody w tym obiekcie nie budziła zastrzeżeń.

W obiekcie basenowym B zarówno w okresie pracy lamp UV (lampy niskociśnieniowe), jak i w okresie ich wyłączenia stosowano dawkowanie NaOCl, tak by utrzymać stężenie chloru pozostałego w wodzie na poziomie 0,4 mgCl₂/dm³. W basenach A i B odpowiednie stężenia chloru wolnego zapewniane były dzięki automatycznemu dozowaniu podchlorynu sodu. W basenach tych nie przekroczono maksymalnego dopuszczalnego stężenia chloru wolnego, tj. 0,6 mgCl₂/dm³ (rys. 3).

Stężenia chloru związanego w nieckach basenowych na poziomie dopuszczalnej wartości normatywnej (0,2 mgCl₂/dm³) przestrzegane były jedynie w okresie pracy lamp UV. Obserwowano średnie obniżenie stężenia chloramin z 0,28 do 0,19 mgCl₂/dm³ w basenie A i z 0,26 do 0,20 mgCl₂/dm³ w basenie B (rys. 4).

Wartości mętności i barwy w basenach A i B, zarówno w okresie pracy lamp UV, jak i w okresie ich wyłączenia nie przekraczały wartości normatywnych i wynosiły: mętność od 0,25 do 0,38 NTU (wartość dopuszczalna 1 NTU), barwa od 0,5 do 5,0 mgPt/dm³ (wartość dopuszczalna 15 mgPt/dm³).

W okresie wykonywania badań Stacje Sanitarno-Epidemiologiczne nie odnotowały przekroczenia wartości dopuszczalnych oznaczanych wskaźników bakteriologicznych w wodzie z niecek rozpatrywanych basenów (za wyjątkiem jednej próbki wody pobranej z basenu B, w której stwierdzono ponadnormatywną liczbę gronkowców koagulazo-dodatnich – 15 w 100 cm³ wody).

Podsumowanie

Parametry fizyczno-chemiczne i bakteriologiczne wody w badanych nieckach basenowych A i B odpowiadały wartościom normatywnym (za wyjątkiem chloru związanego) i wskazywały na prawidłową pracę instalacji uzdatniania wody basenowej.

Przedstawione w artykule porównanie wartości wskaźników jakości wody basenowej dla basenów wykorzystujących w układach oczyszczania wody dezynfekcję wspomaganą działaniem promieni UV z wartościami wskaźników jakości wody basenowej dla tych samych basenów, ale przy wykorzystaniu jedynie klasycznej metody dezynfekcji, wykazuje, że utrzymanie stężenia bardzo istotnego wskaźnika jakości wody basenowej, jakim jest chlor związany, w wymaganych granicach było możliwe tylko przy zastosowaniu lamp UV.

Zastosowanie lamp UV (multifalowych w basenie A i niskociśnieniowych w basenie B) pozwoliło na redukcję chloramin w zakresie od 23 (basen B) do 32% (basen A). Dzięki zastosowaniu procesu naświetlania lampami UV możliwe było również obniżenie ilości dodawanego podchlorynu sodu do dezynfekcji końcowej i utrzymanie stężenia chloru wolnego w wodzie basenowej na poziomie 0,25 mg Cl₂/dm³ przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego poziomu jej czystości mikrobiologicznej (basen A).

Literatura

1. Biń A.K., Technologiczne i sanitarne aspekty uzdatniania wody basenowej, VII Sympozjum Naukowo-Techniczne „Instalacje basenowe”, 2009 r.
2. Bolton J.R., Ultraviolet Applications Handbook, Bolton Photo science, 1999.
3. DIN 19643 Aufbereitung von Schwimm und Badebeckenwasser.
4. Hermanowicz W., Fizyczno-chemiczne badanie wody i ścieków. Arkady, Warszawa 1999.
5. Kowal A.L., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa – Wrocław 1996.
6. Piechurski F., Problemy utrzymania jakości wody basenowej (cz. 2), „Rynek Instalacyjny” nr 12/2002.
7. Piechurski F., Metody oczyszczania wody w krytych pływalniach publicznych (cz. 5), „Rynek Instalacyjny” nr 7-8/2006.
8. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 61, poz. 417).
9. Sozański M., Chemizm i technologia uzdatniania wody dla basenów kąpielowych, materiały konferencyjne „Zaopatrzenie w wodę miast i wsi”, 1994 r.
10. Sokołowski C., Wymagania sanitarno-higieniczne dla krytych pływalni, MZiOS, Departament Zdrowia Publicznego, PZITS Warszawa, nr arch. 760/1998.
11. Ustawa z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (DzU nr 72, poz. 747).
12. Wyczarska-Kokot J., Piechurski F., Sprawność działania systemów dezynfekcji wód basenowych, IV Sympozjum Naukowo-Techniczne „Instalacje basenowe”, 2003 r.
13. Wyczarska-Kokot J., Piechurski F., Metody i efekty dezynfekcji wód basenowych, II Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Aktualne zagadnienia w uzdatnianiu i dystrybucji wody, 2003 r.
14. Wyczarska-Kokot J., Piechurski F., The estimation of working effects of the water treatment systems in swimming pools, Balneotechnicke dni, Bardejovske kupele, 2005 r.
15. Wyczarska-Kokot J., Piechurski F., Poprawa jakości wody basenowej przy zastosowaniu nowoczesnych technologii uzdatniania, II Kongres Inżynierii Środowiska, 2005 r.
16. Wyczarska-Kokot J., Piechurski F., Zastosowanie nowoczesnych technologii dezynfekcji wody basenowej, XIX Krajowa, VII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna „Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód”, 2006 r.
17. Zamajski F., Technika UV w obiektach basenowych, V Sympozjum Naukowo-Techniczne „Instalacje basenowe”, 2005 r.
18. Żuk P., Zastosowanie promieni UV do uzdatniania wody basenowej, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2002.