mgr inż. Zbigniew Moroz, inż. Mirosław Bieńkowski 1. Wstęp W 2003 roku ukazały się badania przeprowadzone przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) nad wrażliwością czynnika SARS na oddziaływania fizykochemiczne. Zgodnie z podanymi wynikami badań wirus w normalnym kale i moczu w temperaturze pokojowej, może przetrwać 36 godzin (czyli po uwzględnieniu obszaru ryzyka przyjmuje się, że do 2 dni), a w kale biegunkowym (wyższe ph) 12 dni (tzn. przyjmuje się do 4 dni). 1 Wyniki te jednoznacznie potwierdzają, że istnieje poważne ryzyko rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych poprzez system kanalizacji sanitarnej. Dlatego też z uwagi na zwiększone w ostatnim czasie prawdopodobieństwo pojawienia się nieznanych i niezbadanych dotychczas chorób zakaźnych, a także z obawy przed atakami terrorystycznymi z użyciem broni biologicznej, istnieje konieczność przygotowania szpitali i innych zakładów opieki zdrowotnej do przeciwdziałania takim zagrożeniom. Jednym z elementów działań prewencyjnych jest wyposażenie ich w instalację do dezynfekcji ścieków sanitarnych, odprowadzanych z poszczególnych obiektów do zbiorczego układu kanalizacyjnego miast i gmin. Ponadto obowiązująca ustawa z dnia 7 czerwca 2001r o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzaniu ścieków (Dz. U. Nr 72, poz. 747 z dnia 13 lipca 2001r.) oraz z dnia 22 kwietnia 2005r. o zmianie ustawy o zbiorowym zaopatrzeniu w wodę i zbiorowym odprowadzeniu ścieków oraz niektórych innych ustaw (Dz. U. Nr 85, poz. 729 z dnia 16 maja 2005r.) wskazuje jednoznacznie, jakie placówki medyczne są zobowiązane przeprowadzać dezynfekcję ścieków sanitarnych. Artykuł 9 ust. 2 Ustawy mówi, że: Zabrania się wprowadzania do urządzeń kanalizacyjnych: 6) ścieków zawierających chorobotwórcze drobnoustroje pochodzące z: a) obiektów, w których są leczeni chorzy na choroby zakaźne, b) stacji krwiodawstwa, 1 Źródło: http://www.pzh.gov.pl/nowosci/sars.html, 06.01.2005r. 1
c) zakładów leczniczych dla zwierząt, w których zwierzęta są leczone stacjonarnie na choroby zakaźne, d) laboratoriów prowadzących badania z materiałem zakaźnym pochodzącym od zwierząt." Realizacja wymienionej ustawy w większości przypadków stanowić będzie dla zakładów opieki zdrowotnej a w szczególności szpitali zakaźnych, istotny problem do rozwiązania. Przy wyborze metody dezynfekcji ścieków szpitalnych należy kierować się przede wszystkim wysoką skutecznością i bezpieczeństwem dla otoczenia, ale również kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Dlatego też niniejsze opracowanie ma za zadanie pomóc Państwu w dokonaniu wyboru odpowiedniej instalacji dezynfekującej, która uwzględniała będzie specyfikę zakładów opieki zdrowotnej i dostosowana będzie do ich potrzeb. 2. Metody dezynfekcji Celem dezynfekcji jest zniszczenie żywych i przetrwalnikowych form organizmów patogennych oraz zapobieżenie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej.2 W przypadku ścieków celem dezynfekcji jest zapobieżenie przedostawania się wirusów powodujących choroby zakaźne ze szpitalnego systemu kanalizacji sanitarnej do kanalizacji miejskiej. Dezynfekcję można przeprowadzić stosując metody fizyczne i chemiczne, do których zalicza się: Metody fizyczne gotowanie, Pasteryzacja, ultradźwięki, promienie UV, promieniowanie gamma, 2 Metody chemiczne polegające na dawkowaniu silnych utleniaczy takich jak: A. L. Kowal, M. ŚwiderskaBróż: Oczyszczanie wody, wydawnictwo PWN, WarszawaWrocław 1998. 2
MIOX, dwutlenek chloru, podchloryn sodowy, chlor, ozon, chromiany, brom, jod. Obecnie w Polsce najczęściej stosowane są metody chemiczne polegające na dozowaniu związków chloru (dwutlenek chloru, podchloryn sodowy, chlor) oraz ozon. Wymienione dezynfektanty nie są pozbawione niedogodności dla użytkownika stacji dezynfekujących. Dlatego też zaczęto poszukiwać nowego sposobu dezynfekcji, którego celem było przede wszystkim: wysoka skuteczność, bezpieczeństwo, czystość dezynfektanta, prostota obsługi instalacji dezynfekcji, niskie koszty eksploatacyjne. Udało się to w 1982 roku, kiedy to ośrodek badawczy Los Alamos Technical Associates (LATA) w USA opracował dla potrzeb armii amerykańskiej elektrolityczną metodę produkcji dezynfektanta pod nazwą handlową MIOX. W fazie początkowej metoda ta dostępna była tylko i wyłącznie dla potrzeb US Army, jednakże z czasem zaczęto ją stosować do dezynfekcji wody przeznaczonej dla ludności cywilnej. Obecnie w krajach wysoko rozwiniętych z uwagi na niewątpliwe zalety i efekty dezynfekcji, metoda elektrolityczna MIOX przeżywa dynamiczny rozwój. W Polsce również zaczęto dostrzegać pozytywne aspekty elektrolitycznego wytwarzania dezynfektanta, co przyczynia się do odchodzenia od uciążliwych metod dezynfekcji. 3
3. Charakterystyka kompletnej instalacji do produkcji dezynfektanta metoda elektrolityczną 4.1. Opis technologii Dla potrzeb wykonania instalacji do produkcji dezynfektanta niezbędne jest pomieszczenie o powierzchni do 15m 2, które zlokalizowane będzie w pobliżu istniejącego na terenie szpitala kanału odpływowego ścieków. Schemat ideowy rozwiązania technologicznego dezynfekcji ścieków przedstawiono na rysunku 1. Zasadniczo instalacja zbudowana jest z następujących elementów składowych: pompowni ścieków z jednoczesnym rozdrabnianiem części stałych. zbiornika buforowego, z pompą do dawkowania i okresowego wymieszania ścieków w tym zbiorniku komory kontaktowej z pompą odprowadzająca ścieki po dezynfekcji kompletnej instalacji do przygotowania i dozowania środka dezynfekującego W niektórych przypadkach mogą zaistnieć warunki dla realizacji dwóch w/w funkcji w jednym obiekcie, np. pompowni i zbiornika buforowego, co pozwoli dodatkowo zminimalizować koszty inwestycyjne. Ścieki sanitarne z terenu szpitala gromadzone są w pompowni ścieków, w której zainstalowane są pompy zatapialne z rozdrabniaczem w układzie pracy 1 pracująca + 1 rezerwowa. Dalej pompy przetłaczają rozdrobnione ścieki do pomieszczenia węzła przygotowania i dozowania dezynfektanta. W przewód tłoczny ścieków włączony jest przewód roztworu dezynfektanta, a dalej ścieki kierowane są do komory kontaktowej o pojemności zapewniającej minimum 30 minutowy kontakt ścieków ze środkiem dezynfekującym. Po odpowiednim czasie zatrzymania, zdezynfekowane ścieki są odpompowywane do systemu kanalizacji miejskiej, skąd dalej trafiają do lokalnej oczyszczalni ścieków. 4
Rysunek 1 Schemat technologiczny instalacji do dezynfekcji ścieków szpitalnych WĘZEŁ DEZYNFEKCJI ŚCIEKÓW WODA POMPOWNIA ŚCIEKÓW ZBIORNIK KONTAKTOWY ODPROWADZENIE ZDEZYNFEKOWANYCH ŚCIEKÓW DO KANALIZACJI MIEJSKIEJ ŚCIEKI Z TERENU SZPITALA 5
Pompownia ścieków. Jest to studzienka o średnicy D= 1,50m i głębokości dostosowanej do przepustowości i głębokości posadowienia kanału ściekowego, z którego ujmowane będą ścieki i kierowane grawitacyjnie do pompowni. W pompowni zainstalowane będą 2 pompy [1 prac. + 1 rez.] o wydajności odpowiedniej dla danej wielkości instalacji, które rozdrabniać będą jednocześnie, zawarte w ściekach części stałe. Pompownia posiadać będzie własna szafkę zasilającosterującą, z sygnalizacją stanu awaryjnego. Komora kontaktowa. Jest to studzienka, w której zachodzić będzie proces dezynfekcji ścieków. Do przewodu doprowadzającego ścieki z pompowni, włączony zostanie przewód dozujący środek dezynfekcyjny, gdzie nastąpi wymieszanie transportowanych mediów. Przy dawce ok. 3040 g/m3 ścieków przyjęto ok. 30 min. efektywny czas kontaktu, co zapewnia pełną dezynfekcję ścieków. Ze zbiornika kontaktowego ścieki będą odprowadzane do kanalizacji pompą z króćcem cyrkulacyjnym, mieszającym w razie potrzeby zawartość komory, a dalej do miejskiej lub gminnej kanalizacji. Instalacja przygotowania i dozowania środka dezynfekującego. Przyjęto instalację z zastosowaniem elektrolizera o wydajności [produkcji] wolnego chloru i stężeniu chloru dostosowanym do wielkości całej instalacji dezynfekcji. W skład kompletnej instalacji, oprócz w/w elektrolizera wchodzi zbiornik soli kuchennej tabletkowanej, przepływowy podgrzewacz wody, zmiękczacz, zbiornik na wytwarzany dezynfektant, pompy dozujące i układ sterowania pracą instalacji. Instalacja działa w pełni automatycznie, a do jej wytwarzania potrzebna jest jedynie sól kuchenna, woda i energia elektryczna. Dezynfektant wytwarzany jest w miarę potrzeb, dzięki temu jest zawsze świeży i posiada optymalne właściwości dezynfekcyjne. Produkcja jest całkowicie bezpieczna i może być prowadzona w dyspozycyjnym, istniejącym pomieszczeniu szpitala lub innego obiektu, a sam proces dezynfekcji nie wymaga wytyczania stref ochronnych. Nie ma też potrzeby transportowania i magazynowania niebezpiecznych substancji. 6
4.2. Sposób wytwarzania dezynfektanta W urządzeniu do produkcji dezynfektanta w wyniku elektrolizy roztworu chlorku sodu zachodzą następujące procesy: na anodzie jony chlorkowe ulegają utlenieniu do chloru, przy czym powstają kwas chlorowodorowy i podchlorawy według reakcji: 2Cl 2e = Cl2 Cl2 + H2O = HCl + HOCl (1) (2) na katodzie redukowane są jony sodu z wytworzeniem wodorotlenku sodu i wodoru według reakcji: 2 Na+ + 2 e = 2 Na 2Na + 2H2O = 2 NaOH + H2 (3) (4) W wyniku zmieszania produktów elektrolizy powstają podchloryn sodu i chlorek sodu zgodnie z reakcją: HCl + HOCl + 2 NaOH = NaOCl + NaCl + 2H2O (5) Sumaryczną reakcję wytwarzania podchlorynu sodu metodą elektrolityczną można zapisać następująco: 2NaCl + H2O = NaOCl + NaCl + H2 (6) Przedstawione na rysunku 2 urządzenie do produkcji dezynfektanta MIOX wyposażone jest w ogniwa wykonane z elektrod tytanowych pokrytych cienką warstwą rutenu i irydu, co umożliwia separację produktów ubocznych powstających na katodzie i anodzie. Z przygotowanego roztworu 35% solanki Zastosowane ogniwa mogą wyprodukować z solanki roztwór dezynfektanta o wyższej sile utleniającej niż w przypadku chloru. W systemie MIOX (Mixed Oxidants) na elektrodach, oprócz reakcji przebiegających w typowych elektrolizerach (1) (4), zachodzą jeszcze prawdopodobnie następujące reakcje dodatkowe [4, 5]: 7
HOCl + H2O ClO2 + 3H+ + 3e2H2O O2 + 4H+ + 4eO2 + H2O O3 + 2H+ + 2e2H2O H2O2 + 2H+ +2e (7) (8) (9) (10) Jak widać z powyższych równań w wyniku elektrolizy powstają następujące substancje utleniajace: chlor (Cl2/OCl) ok. 95,9%, dwutlenek chloru (ClO2) ok. 2,3% ozonu (O3) ok.1,8. W zależności od typu elektrolizera stężenie chloru w mieszaninie MIOX może osiągać wartość 6,0kg Cl2/m3. Podstawową zaletą produktu jest zdecydowanie wyższy potencjał redox niż podchloryn sodu. Ponadto mieszanina utleniaczy MIOX odznacza się szybszym działaniem i większą efektywnością dezynfekcji w porównaniu z wodnym roztworem chloru gazowego lub podchlorynu sodu, a także skuteczniejszym unieszkodliwianiem bakterii i wirusów zawartych w wodzie, zwłaszcza w odniesieniu do Clostridium perfringens, Cryptosporidium parvum, Gardii, Escherichii coli, wirusów Cholery i Hepatitis. Wykres 1 Deaktywacja C. Perfringens Źródło: http://www.miox.com Techniczne instalacje do wytwarzania środków dezynfekcyjnych metodą elektrolityczną z chlorku sodu składają się z czterech głównych zespołów: urządzenia do przygotowywania wody technologicznej, którymi są filtr wstępny, urządzenie do zmiękczania wody, podgrzewacz wody lub wymiennik ciepła, 8
urządzenia do przygotowania roztworu solanki, którymi są zbiornik roztworowy oraz pompa solanki, elektrolizer, którego elektrolityczne, głównymi transformator elementami z są ogniwo prostownikiem prądu lub oraz ogniwa panel automatycznego sterowania, urządzenia do gromadzenia i dawkowania wyprodukowanego dezynfektanta, którymi są zbiornik magazynujący wraz z wentylatorem służącym do rozcieńczania i mechanicznego odprowadzania wodoru oraz pompa dawkująca. W systemie MIOX wodór nie stwarza zagrożenia, gdyż usuwany jest samoczynnie tuż za ogniwem elektrolitycznym. Rysunek 2 schemat procesu MIOX Źródło: http://www.miox.com/miox_process/miox_process.html Rysunek 3 Elektrolizer typu SAL30 Rysunek 4 Elektrolizer typu SAL80 9
Źródło: http://www.miox.com/miox_process/miox_process.html Rysunek 5 Elektrolizer typu MIOX Źródło: http://www.miox.com/miox_process/miox_process.html 4.3. Aspekty ekonomiczne Analiza ekonomiczna przeprowadzona przez pracowników naukowych Politechniki Warszawskiej J. Wąsowski, M. Waściszewska a przedstawiona w opracowaniu Technologicznotechniczne i ekonomiczne aspekty dezynfekowania 10
wody roztworami produkowanymi w elektrolizerach wskazuje, że sumaryczne koszty poniesione przez użytkownika instalacji z elektrolizerem do produkcji środka dezynfekującego są zdecydowanie niższe niż w przypadku chloru gazowego oraz handlowego podchlorynu sodu. Wykres 2 Całkowite koszty poniesione w ciągu 10lat Całkowity koszt w ciągu 10 lat. mln. zł 4,0 3,5 C l2 NaOC l handlowy 3,0 NaOC l z elektrolizera Miox 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 3,5 7 20 40 60 80 100 120 W ydajność, tys. m3/d Źródło: J. Wąsowski, M. Waściszewska: Technologicznotechniczne i ekonomiczne aspekty dezynfekowania wody roztworami produkowanymi w elektrolizerach, PW. W kosztach całkowitych przyjęto koszty obsługi instalacji dezynfekującej na poziomie 67 tys. złotych rocznie, z których w przypadku szpitali można zrezygnować, gdyż instalacja nie wymaga stałego dozoru i zatrudnienia specjalistycznej kadry. Przedstawiony na wykresie 1 koszt odnosi się do dezynfekcji wody co w przypadku dezynfekcji ścieków jeszcze większa różnice w całkowitych kosztach na korzyść instalacji z elektrolizerem (HYPO, MIOX). 5. Porównanie dostępnych metod dezynfekcji Tabela 1 Porównanie alternatywnych sposobów dezynfekcji wody 11
chlor gazowy podchloryn sodu dwutlenek chloru ozon UV MIOX Pewność skutecznej dezynfekcji średnia minimalna Bakteriobójczość wirusobójczość Trwałość dezynfektanta średnia żadna żadna produkty uboczne tak tak tak nie nie nie koszty eksploatacji niskie niskie Tabela 2 Porównanie alternatywnych sposobów dezynfekcji ścieków chlor gazowy podchloryn sodu dwutlenek chloru ozon UV MIOX Pewność skutecznej dezynfekcji średnia minimalna Bakteriobójczość słaba słaba wirusobójczość słaba słaba Trwałość dezynfektanta średnia żadna żadna Zagrożenie dla zdrowia i życia tak tak tak nie nie koszty eksploatacji niskie niskie 6. Wnioski Bezpieczeństwo nie ma potrzeby dowożenia i magazynowania niebezpiecznych substancji. Do produkcji potrzebna jest jedynie woda, sól kuchenna i energia elektryczna. Stężenie chloru w mieszaninie miox nie przekracza 1%, jest więc ona całkowicie bezpieczna dla personelu. Prostota instalacji w miejscu wytwarzania dezynfektanta nie ma potrzeby zatrudniania specjalistycznej obsługi, ekip ratowniczych, itp. Brak obowiązku wydzielenia strefy ochronnej technologia miox jest zgodna z obowiązującymi przepisami w dziedzinie ochrony środowiska. 12
Znaczne zmniejszenie problemów związanych z korozyjnością urządzeń. Niskie koszty eksploatacyjne wykorzystanie soli tabletkowanej oraz wody Powstaje mniej niepożądanych produktów ubocznych dezynfekcji w porównaniu z chlorem gazowym i podchlorynem sodu ilość szkodliwych substancji THM jest mniejsza o 2050%. Chlorany i chloryny, powstające w procesie dozowania dwutlenku chloru, w przypadku miox występują jedynie śladowo. Większa skuteczność dezynfekcyjna umożliwia to zmniejszenie dozowanej dawki (w porównaniu z chlorem i podchlorynem sodu) przy zachowaniu pełnego bezpieczeństwa mikrobiologicznego. Miox działa również wielokrotnie skuteczniej na organizmy wielokomórkowe, takie jak Giardia lamblia i Cryptosporidium parvum. Lepszy smak i zapach wody mechanizm reagowania miox z amoniakiem i substancjami organicznymi zawierającymi azot jest inny niż w przypadku chloru w związku z czym nie powstają substancje odpowiedzialne za nieprzyjemny smak i zapach wody. Aktywna pozostałość warunkiem skutecznej dezynfekcji wody wodociągowej oraz ścieków jest stała obecność w niej niewielkich ilości utleniacza. Mieszanina miox zapewnia stabilny poziom wolnego chloru nawet w końcówkach sieci dystrybucyjnej. Usuwanie biofilmu stosowanie mieszaniny miox zabezpiecza wewnętrzną powierzchnię przewodów wodociągowych przed powstawaniem biologicznych osadów. Utlenianie siarkowodoru mieszanina miox znacznie szybciej niż chlor gazowy lub podchloryn sodu utlenia siarkowodór, będący przyczyną nieprzyjemnego zapachu wody. Odżelazianie i odmanganianie wody dzięki mu potencjałowi utleniającemu, proces wytrącania żelaza i manganu następuje szybciej niż w przypadku chloru gazowego lub podchlorynu sodu. LITERATURA 1. A. L. Kowal, M. ŚwiderskaBróż: Oczyszczanie wody, PWN, WarszawaWrocław 1998. 2. G.C. White: Handbook of Chlorination and Alternative Disinfectants. Fourth Edition, Wiley Interscience, New York 1999. 13
3. J. Wąsowski, M. Waściszewska: Technologicznotechniczne i ekonomiczne aspekty dezynfekowania wody roztworami produkowanymi w elektrolizerach. Instytut Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego, Politechnika Warszawska (praca niepublikowana), Warszawa. 4. Materiały informacyjne MIOX Corporation. 14