Ozonové technologie pro plavecké bazény (II)

Úprava bazénové vody dle normy DIN 19 643

Nejuznávanější normou pro plavecké bazény je stále německá DIN 19 643. Její obsah byl poprvé publikován ve formě příručky v červnu 1972, v roce 1982 byla oficiálně přijata za německou normu a později převzata ve Švýcarsku, Rakousku a Nizozemí. Velká Británie a Francie z ní převzaly značnou část do svých norem pro úpravu bazénových vod, a to především co se týká použití ozonu.

Norma DIN 19 643 "Úprava a dezinfekce vody plaveckých a koupelových bazénů" uvádí pravidla pro všechny způsoby úpravy vod v bazénech, včetně flokulace, ozonizace, užití aktivního uhlí, chlorace atd. Schváleny jsou čtyři technologie úpravy vody, z nichž pouze jedna využívá ozonizace. Bez ohledu na to, která z technologií bude použita, je vyžadována stejná kvalita upravené vody. Jedním z požadavků DIN 19 643 je, aby kvalita vody, ať již upravené nebo doplňované, splňovala normu pitné vody.

Technologie úpravy bazénové vody využívající ozonizace vyžaduje, aby minimální koncentrace generovaného ozonu byla 18 g/m³. Tento požadavek automaticky vylučuje nejen použití UV zářičů ke generaci ozonu ale i těch generátorů ozonu, které nepoužívají dostatečně suchý vzduch nebo kyslík, protože neumožňují dosažení potřebné koncentrace ozonu.

Základní technologie úpravy vody dle DIN 19 643 zahrnuje následující kroky:

1. vstup upravené vody do bazénu dnovými tryskami, odvádění vody z bazénu do akumulační nádrže přelivem přes hranu bazénu,
2. kontinuální vypouštění části vody z akumulační nádrže do odpadu (30 l na návštěvníka), nahrazení vypouštěné vody přítokem ředicí vody o stejném objemu,
3. čerpání vody z akumulační nádrže a její úprava chemickou flokulací,
4. filtrace na pískovém nebo vícevrstvém filtru,
5. v případě ozonizace dávka 1-1,2 mg/l O₃ při minimální koncentraci produkovaného ozonu 1,5% váh. a kontaktní době minim. 3 min,
6. filtrace na granulovaném aktivním uhlí - odstranění dalších látek sorpcí a rozložení zbytkového ozonu,
7. úprava pH přidáním anorganické kyseliny nebo CO₂,
8. chlorace - minimální koncentrace volného aktivního chlóru 0,2 mg/l, maximální koncentrace 0,5 mg/l,
9. vstup upravené vody do bazénu.

Chlor je jediným dezinfekčním činidlem, jehož použití v bazénech je v Německu povoleno. Ozon nesmí být v bazénu přítomen v koncentracích vyšších než 0,05 mg/l, aby se zamezilo jeho nashromáždění nad vodní hladinou a vdechování plavci. Jak již bylo uvedeno, voda musí dosahovat parametrů pitné vody. Mimo jiné to znamená, že zákal nesmí překročit hodnotu 0,2 NTU v upravené vodě vstupující do bazénu a hodnotu 0,5 NTU v bazénu.

Recirkulace bazénové vody s ozonovou technologií podle DIN 19 643

Rozpustnost ozonu ve vodě

Jedním velice významným aspektem ozonové technologie je požadavek na generování ozonu o vysoké koncentraci při minimálních nárocích na spotřebu elektrické energie. Mnohem těžším úkolem je však rozpustit co největší množství ozonu ve vodě, aby se tak co nejefektivněji mohl využít k oxidačním a dezinfekčním účelům. Přenos ozonu do vody se děje nejčastěji pomocí porézních difuzérů a injektorů. Vzhledem k tomu, že ozon je omezeně rozpustný ve vodě, hraje koncentrace plynného ozonu velmi důležitou roli.

Rozpustnost plynů v kapalinách závisí na jejich parciálním tlaku nad kapalinou (roztokem), na teplotě a na chemické povaze rozpuštěného plynu a rozpouštědla. U soustav, jejichž složky spolu nereagují, je podle Henryho zákona rozpustnost plynu (ozonu) v kapalině (vodě) přímo úměrná parciálnímu tlaku plynu v plynné fázi:

x = H . p

V tomto vztahu reprezentuje x koncentraci ozonu ve vodě, p je parciální tlak ozonu v plynné fázi a H je Henryho konstanta, jejíž hodnota je pro danou teplotu a uvažovanou soustavu stálá. Protože voda v našem případě není chemicky čistou vodou, mají její vlastnosti jako pH a iontová síla vliv na hodnotu konstanty H. Henryho zákon platí v oboru nízkých a středních tlaků pro plyny, které nejsou příliš rozpustné, což odpovídá podmínkám, při nichž je prováděna ozonizace.

Z Henryho zákona plyne, že čím vyšší bude koncentrace generovaného ozonu, tím více ozonu se rozpustí ve vodě. V tabulce Tab. I jsou uvedeny hodnoty rozpustnosti ozonu v závislosti na teplotě. Je třeba zdůraznit, že uvedené hodnoty platí za rovnovážných podmínek. Tato situace však v praxi nenastává - ozon je směšován s vodou velice rychle, obvykle za podtlaku a rychlého proudění vody. Kromě toho probíhají také oxidační reakce ozonu s látkami rozpuštěnými ve vodě. Z těchto důvodů nelze údaje v Tab. I plně přenést do reálných podmínek, ilustrují však trend rozpustnosti ozonu plynoucí z Henryho zákona.

Tab. I: Rozpustnost ozonu ve vodě

Dezinfekce ozonem - CT faktor

Ve vodě se nachází značné množství mikrobiologických kontaminantů - bakterií, virů, plísní, prvoků, jejichž inaktivace vyžaduje rozdílné dávky ozonu. Mikroorganizmy ve formě cyst jsou nejvíce rezistentní ke všem dezinfekčním činidlům díky své ochranné slupce. Rozsah jejich inaktivace nebo destrukce závisí na součinu koncentrace dezinfektantu (C, v jednotkách mg/l) a kontaktního času (T, v minutách). Součin těchto dvou veličin se nazývá CT faktor (mg/l.min).

V červnu 1989 vyhlásil federální Úřad pro ochranu životního prostředí - U.S. Environmental Protection Agency (EPA) - normy pro dezinfekci pitné vody, které zahrnovaly koncepci CT faktoru definovaného pro každý dezinfektant používaný při úpravě pitné vody (chlor, chlordioxid, ozon) pro rozsah pH 6 až pH 9 a při teplotách vody od 0,5 °C do 25 °C. Čím vyšší je teplota vody, tím nižší hodnota CT je nutná k dostatečné dezinfekci.

Četné mikroorganizmy uváděné v této normě se nachází i v bazénové vodě. Jedná se například o cysty rodu Giardia, střevní (enterické) viry, baktérie rodu Legionella, koliformní bakterie a heterotrofní mikroorganizmy. Pro dezinfekci ozonem při teplotách <1 °C doporučuje EPA dosažení hodnoty CT 2,9 mg/l.min. Hodnota CT se snižuje na 0,48 mg/l.min při teplotách nad 25 °C. Dosažení hodnot CT při uvedených teplotách zaručuje inaktivaci 99,9 % (3log, tj. snížení počtu mikroorganizmů na jednu tisícinu původního počtu) cyst Giardia a současně inaktivaci vyšší než 99,999 % (5log) střevních virů. Je-li dosaženo této úrovně inaktivace cyst Giardia a střevních virů, je rovněž dosaženo úplné destrukce bakterií rodu Legionella, E. coli a heterotrofních mikroorganizmů.

V Tab. II (EPA) jsou uvedeny v závislosti na teplotě hodnoty CT faktorů, při kterých dochází k různému stupni inaktivace cyst Giardia lamblia ozonem. I když se dosáhne pouze 0,5log inaktivace cyst Giardia ozonem, při stejné hodnotě CT se dosáhne více než 5log inaktivace střevních virů a současně budou likvidovány všechny bakterie. Vezmeme-li do úvahy rozpustnost ozonu ve vodě (Tab. I) a potřebné hodnoty CT na dezinfekci vody, je patrné, že těchto parametrů lze dosáhnout při přípravě ozonu v generátorech, nelze jich však dosáhnout ozonem produkovaným působením UV záření.

Budeme-li ozon generovat v ozonizátorech, dosáhneme minimální požadované koncentrace 1,5 % váh. (18 mg/l). Při doporučené dávce ozonu (1,0 mg/l pro plavecké a 1,3 mg/l pro koupelové bazény) dosáhne koncentrace ozonu rozpuštěného ve vodě snadno hodnot 0,3 až 0,5 mg/l. Budeme-li udržovat tuto koncentraci minimálně po dobu dvou minut, bude dosaženo hodnoty CT faktoru 0,6 až 1,0 mg/l.min, která je podle EPA normy pro pitnou vodu postačující k úplné dezinfekci vody při teplotě 25 °C.

Tab. II - CT faktor pro inaktivaci cyst rodu Giardia ozonem

Reakce ozonu s anorganickými kontaminanty

Anorganické kontaminanty přítomné v bazénech zahrnují amoniové kationty, volný chlór (kyselina chlorná HClO a její anionty ClO^-) a monochloramin (NH₂Cl), případně volný brom (kyselina bromná HBrO, bromnany BrO^-) a bromidový anion (Br^-). Jedná-li se o vodu podzemní, mohou se - při její úpravě na plnicí vodu - řadit mezi kontaminanty také kationty železa, manganu a hydrogensulfidové anionty, případně sirovodík.

Reakce ozonu s amoniovými kationty

Rychlost reakce ozonu kationty NH₄⁺ je při pH 6,5-8,0 obvyklém v bazénech příliš pomalá, aby mohla mít nějaký praktický význam. Teprve při pH > 9,0 jsou oxidovány ozonem přijatelně rychle. Není tedy pravda, že ozon oxiduje amoniové kationty přítomné v bazénové vodě.

Reakce ozonu se sloučeninami chloru

Volný chlor se v bazénové vodě o pH 6,5 až 8,0 nachází ve formě kyseliny chlorné a chlornanových aniontů ClO^-. Haag a Hoigné prokázali, že ozon nereaguje s HClO, ale s jejími anionty, které jsou přeměněny ze 77 % na chloridové a z 23 % na chlorečnanové anionty podle rovnic:

O₃ + ClO^- → [O₂ + ClO₂^-] → 2O₂ + Cl^-

2O₃ + ClO^- → 2O₂ + ClO₃^-

Celkový děj lze tedy vyjádřit souhrnným schématem:

1,23O₃ + ClO^- → 2O₂ + 0,77Cl^- + 0,23ClO₃^-

Pro výše uvedené schéma stanovili Haag a Hoigné rychlostní konstanty druhého řádu a. Tyto konstanty mají při 20 °C hodnoty 120 l.mol^-1.s^-1 pro úbytek ozonu a 98 l.mol^-1.s^-1 pro úbytek chlornanového aniontu.

Přestože nedisociovaná kyselina chlorná nereaguje s ozonem, je třeba vzít v úvahu její disociační rovnováhu - při pH 7,5 bude v bazénu stejná koncentrace nedisociované kyseliny (pKa 7,5) a jejího aniontu. Při ozonizaci bazénové vody se koncentrace chlornanového aniontu snižuje, což vede k disociaci kyseliny chlorné. Pokud tyto reakce budou probíhat po dostatečně dlouhou dobu s dostatečným množstvím ozonu a do bazénu nebude přidáván další chlorační prostředek, bude postupně přítomný volný chlor přeměněn na chloridové a chlorečnanové anionty. V plaveckých a koupelových bazénech je však chlorace prováděna kontinuálně, aby se udržovala alespoň minimální koncentrace volného chloru. Proto je zde ve srovnání s koncentrací ozonu vždy přebytek volného chloru. V důsledku toho lze očekávat, že značná část přidávaného ozonu bude odstraněna reakcí s chlornanovými anionty. To platí především v případě, kdy je aplikováno jen malé množství ozonu, navíc bez kontaktní nádrže. Tento fakt je jedním z argumentů proti užívání technologie nízkých dávek ve veřejných plaveckých bazénech. Malé dávky ozonu nemohou poskytnout potřebné množství rozpuštěného ozonu po dostatečnou dobu, aby se dosáhlo dezinfekce a oxidace organických kontaminantů.

Na rozdíl od těchto technologií je v bazénech, jejichž voda je upravována v souladu s normou DIN 19 643, koncentrace volného chlóru nízká (0,2 - 0,5 mg/l). Část vody na výstupu z bazénu je vypouštěna do odtoku a stejné množství čerstvé vody je přidáno - tím dojde k poklesu koncentrace volného chlóru. Je dodán flokulant a následuje filtrace, během které se hladina chlóru dále sníží. Ozon je přidáván po filtraci v dávkách 1 mg/l, koncentrace ozonu na výstupu z ozonizátoru je minimálně 18 mg/l. Znamená to, že koncentrace ozonu v reaktoru se pohybuje v rozmezí 0,2 až 0,5 mg/l (viz tabulka Tab. I). Za těchto podmínek se poločas života volného chlóru pohybuje v rozmezí od 50 min při pH 7 až do 15 min při pH 8. Protože kontaktní doba ozonu je 2-3 minuty a poté následuje odplynění vody a destrukce zbytkového ozonu ve vodě na aktivním uhlí, je jen malé množství volného chlóru přítomného v kontaktní nádobě odstraněno v důsledku reakce ozonem.

Reakce ozonu s monochloraminem

Haag a Hoigné rovněž prokázali, že ozon pomalu oxiduje monochloramin za tvorby dusičnanových a chloridových aniontů:

NH_Cl + 3O₃ → NO₃^- + Cl^- + 2H⁺ + 3O₂

Hodnota rychlostní konstanty (20 °C) úbytku ozonu činí 26 l.mol^-1.s^-1, pro úbytek monochloraminu platí hodnota 6 l.mol^-1.s^-1. Tyto hodnoty jsou výrazně nižší než rychlostní konstanty pro oxidaci chlornanového aniontu ozonem, avšak v bazénech s recyklací vody má uvedená reakce význam. Čím vyšší bude koncentrace ozonu, tím větší destrukce chloraminů nastane. I tento fakt podporuje aplikace ozonových technologií využívajících vyšší dávky ozonu.

Postupně se prosazuje technologie úpravy vody spočívající v kombinované aplikaci ozonu a UV záření, při které vznikají OH-radikály schopné oxidovat chloraminy a další látky s vysokou účinností.

Závěr

Ozonové technologie výrazně zvyšují úroveň hygienického zabezpečení bazénů, což ve svých důsledcích znamená ochranu zdraví plavců i obsluhy bazénů. Technologie nízkých dávek ozonu však není vhodná pro veřejné bazény. Aplikace správně zvolené ozonové technologie:

• značně sníží koncentrace vedlejších produktů chlorace, které negativně ovlivňují lidské zdraví,
• odstraní "chlorový" zápach, nebude docházet k dýchacím obtížím a dráždění očí, sliznic a pokožky,
• sníží spotřebu energie pro provoz klimatizace,
• sníží korozi zařízení,
• zvýší průzračnost vody,
• sníží spotřebu chloračního činidla.

Správně navržená a realizovaná ozonová technologie přispěje podstatnou měrou ke zlepšení kvality bazénové vody a ovzduší bazénové haly a rozšíří tak počet spokojených návštěvníků bazénu.