APLIKOVANÁ HYDROBIOLOGIE
- VODÁRENSKÁ BIOLOGIE
EVERY CHILD DESERVES TO GROW UP
WITH WATER THAT IS PURE TO DRINK,
LAKES THAT ARE SAFE FOR SWIMMING,
RIVERS THAT ARE TEEMING WITH FISH.
WE HAVE TO ACT NOW TO COMBAT THESE
POLLUTION CHALLENGES WITH NEW
PROTECTIONS TO GIVE ALL OUR
CHILDREN THE GIFT OF CLEAN, SAFE
WATER IN THE 21ST CENTURY.
BILL CLINTON, 1998
Celosvětová spotřeba vody v letech 1900-2000
Zdroje surové vody
Přirozené podzemní vody
Štěrkoviště a pískovny Přímé odběry z toků
Vodárenské nádrže
Krasové vody
Umělé infiltrace
Zásobování obyvatelstva
pitnou vodou
V zásadě můžeme způsoby
zásobování pitnou vodou
rozdělit na dva typy:
(1) Individuální zásobování
(2) Centrální (veřejné,
hromadné) zásobování
55z toho povrchová voda (%)
12.99Průměrná výše vodného (Kč . m3)
115Spotřeba vody na jednoho obyvatele (l.os-1.den-1)
626 (72)Voda upravovaná (mil. m3, %)
870,4Množství vyrobené pitné vody (mil. m3)
1927Počet veřejných vodovodů (miliony)
8 513, 8Celkový počet zásabovaných obyvatel (miliony)
1997Ukazatel
Alimentární dusičnanová methemoglobinemie
methemoglobinemii vedoucí k cyanózám, kdy červené krvinky
patologickou přeměnou svého červeného krevního barviva pozbývají
schopnosti přenášet kyslík a tím se zúčastnit procesu dýchání.
Zvýšené koncentrace dusičnanů a dusitanů v podzemních vodách, které
byly použity k přípravě pitné vody pro kojence
Systém VYREDOX
Získávání vody umělou infiltrací
1. usazovací nádrž; 2. provzdušňovací nádrž; 3. vsakovací objekt;
4. jímací studna
Odběrní věž před sypanou hrází
Úpravna vody
Odběrná věž před sypanou hrází
Počty baktérií, fytoplanktonu i
zooplanktonu minimalizovat
Organismy
MinimalizaceTrvalý zákal
< 0.5 vhodná
> 0.5 odstranit při úprvě
NH3 a NH4
+ (mg.l-1)
Minimalizovat, vyšší než 0.1 – nutná
separace
Rozpuštěný Mn (mg.l-1)
< 0.3 vhodná
> 0.3 nutná separace při úpravě
Celkové Fe (mg.l-1)
< 12 vhodná
> 12 nevhodná
Teplota (oC)
MinimalizaceBarva, nebo absorbance při 250-387
nm
Optimalizace vzhledem ke
koagulačním testům
Alkalita (mmol.l-1)
Výběr vrstvy s nejlépe upravitelnou
vodou podle koagulačního testu
Organické látky (TOC, CHSK)
PožadavekKritérium
Nejdůležitější kritéria pro řízení hloubky odběru vodárenských
údolních nádrží
Schematický postup pSchematický postup přřii úúpravpravěě povrchovýchpovrchových
a podzemna podzemníích vod na vodu pitnouch vod na vodu pitnou
1. Předúprava vody - denitrifikace in situ, …..
2. Mechanické předčištění - sedimentační nádrže, česla
3. Chemické čiření (koagulace)
4. Filtrace vody - mikrosíta, pomalá filtrace, pískové rychlofiltry,
tlakové filtry, vícevrstevné filtry, filtry se speciální nápln
koagulační filtry
5. Speciální chemická úprava – změkčování vody, odstraňování
Fe II, MnII……
6. Dezinfekce vody
7. Skladování upravené vody – vodojemy
8. Rozvod potrubím do domácností
Principem je oxidace sloučenin železnatých (Fe2+) a manganatých (Mn2+)
sloučenin na vyšší mocenství, v němž vytvářejí vločkovitou suspenzi,
odstranitelnou separací. Během oxidace spolupůsobí železité a manganové
baktérie.
4 Fe(HCO3)2 + O2 + H2O = 4 Fe(OH)3 + 8 CO2
3 Fe2+ + MnO4
- + 4 H+ → MnO2 + 3 Fe3
+ + 2 H2O
3 Mn2+ + 2 MnO4
- + 2H2O → 5 MnO2 + 4 H+
Oxidace vzdušným
kyslíkem
Oxidace
manganistanem
draselným
Odželezování a odmangaňování
Chemické čiření (koagulace a vločkování)
Koagulace
Proces destabilizace koloidů a nečistot ve vodě neutralizací jejich
elektrického náboje (elektrokinetického potenciálu povrchu částic a
agregace částic za vzniku kompaktní sraženiny.
Vločkování
Proces shlukující malé částečky dispergované tuhé hmoty vodní
suspenze do velkých částic, které se rychle usazují a mohou být dobře
odfiltrovány
volná voda
jemný písek
hrubý písek
štěrk
biologická blána
Schema pískového pomalého filtru
Pískové rychlofiltry
Suspenze vloček
oxidovaného
železa
Praní filtrů
Povrch zrna aktivního uhlí
makropóry
Obalová voda
mikropóry
AKTIVNÍ UHLÍ
používá se pro odstraňování pachů a příchutí vody
Dezinfekce pitné vody
zničení či jiná inaktivace patogenních organismů (zejména baktérií
= baktericidní inaktivace)
1. Fyzikální dezinfekce (aplikace tepelné enegie, UV-záření, gamazáření,
X-záření, inverzní osmóza…..
2. Chemická dezinfekce (aplikace chlóru a jeho derivátů, ozón, jod,
brom, peroxid vodíku, manganistan draselný, stříbro, měď, rtuť,
kobalt, nikl)
Nebezpečí vzniku vedlejších produktů dezinfekce
Trihalogenmethany (THM)
Chlór (Cl2) i jeho sloučeniny podléhají ve vodách postupné hydrolýze
za vzniku kyseliny chlorné, která je nestálá a uvolňuje kyslík
2 Cl2 + 2H2O = 4 HCl + O2
Cl2 + H2O = HClO + HCl
2 HClO = 2 HCl + O2
Uvolněný kyslík napadá
protoplasmu bakteriálních
buněk a způsobuje jejich
destrukci
Baktericidní účinek má koncentrace 0.1 až 0.2 mg.l-1 volného
chlóru působícího po dobu kontaktu 10 až 15 minut
Při zhoršené jakosti vody se používá většího přebytku volného chlóru
(„přechlorování vody“)
Oxid chloričitý – chlordioxid (ClO2)
Účinnější než chlór a nemá nežádoucí následné účinky; baktericidní
účinek 0.1 až 0.2 mg.l-1 při době působení 10 minut,
Zejména jsou-li přítomny
prekurzory THM
Chloraminování
Při dopravě vody v rozsáhlých skupinových vodovodech
Chloraminy uvolňují z chemické vazby postupně chlór, takže
voda má po delší dobu požadovanou koncentraci volného chlóru
Cl2 + H2O = HClO + HCl
HClO + NH3 = NH2Cl + H20 (monochloramin)
2 HClO + NH3 = NHCl2 + 2H2O (dichloramin)
3 HClO + NH3 = NCl3 + 3 H2O (trichloramin)
Pokud přirozený obsah amoniaku či
druh jeho chemické vazby v
přirozené vodě nevede ke vzniku
chloraminů, přidává se do vody
samotný amoniak nebo amonné soli
(chloridy, sírany)
Dávka je obvykle v
poměru Cl2 : NH3 = 4 : 1
OH
n Cl
n = 1-3
Chlorfenoly – chlorace fenolických látek + huminových látek
Formaldehyd (CH2O)
Halogenoctové kyseliny (HAA, CY3COOH; Y = H, Cl, Br)
Dichloroctová kyselina, Trichloroctová kyselina
THM (Trihalogenmethany = haloformy) CHX3 ; X = Cl, Br
Bromoform, Dibromchlormethan, Bromdichlormethan , Chloroform (CHCl3)
Chloral (CCl3C(OH)3), Chloralhydrát (2,2,2 trichlor-1,1 ethandiol)
Chloracetonitril (CY3CN; Y = H nebo Cl)
Dichloracetonitril, Dibromacetonitril, Trichloracetonitril,
Chlorkyan (ClCN)
Některé vedlejší produkty chlorace pitných vod
Zhoršení organoleptických
vlastností upravené vody
(fenolový pach)
Ozón - ozonizace
2 O3 + 2,06 . 105 J = 2 O2 + 2 O
Ozón je značně nestálý a
snadno se rozpadá na
molekulu kyslíku a velmi
reaktivní atomární kyslík
Baktericidní účinek má koncentrace 0.1 až 0.2 mg.l-1 ozónu po dobu
působení 1-2 minuty, virocidní účinek koncentrace 0.4 mg.l-1 působící po
dobu 4 minut.
Ozón zlepšuje organoleptické vlastnosti vody, netvoří THM,
ale jako silné oxidační činidlo může zvyšovat množství prekurzorů !
Působí korozívně na kovové trubní materiály
Ultrafialové záření (UV)
UV-záření je elektromagnetické záření od cca 100 do 400 nm.
Využitelné germicidní účinky vykazuje především oblast záření
v rozmezí cca 240-290 nm. Principem UV dezinfekce je fotochemická
změna deoxyribonukleové kyseliny (DNA) při záření 260-265 nm,
která způsobuje inaktivaci reprodukce mikroorganismů, dochází k
utlumení a poruše procesů buněčného metabolismu a/nebo
k usmrcení organismů.
Význam tohoto typu dezinfekce
spočívá v tom, že nevznikají
vedlejší závadné produkty, voda
nemá pach po chloru a voda je
dezinfikována okamžitě.
Do vody nepřidává
žádný dezinfekční
prostředek a tím
nedochází k tvorbě
tzv. indukovaného
znečištění
2.052.8OHHydroxylový radikál
1.782.42OAtomární kyslík
1.522.07O3Ozón
1.301.77H202Peroxid vodíku
1.101.49HOClKyselina chlorná
1.01.36Cl2Chlor
0.70.95ClO2Chlordioxid
Poměr oxid. potenciálu k
potenciálu Cl2
Oxidační
potenciál (V)
vzorecOxidační činidlo
Oxidační potenciály činidel použitelných při úpravě pitné vody na
oxidaci a dezinfekci
Vazba na –SH skupiny enzymů
Sloučení s DNA nebo RNA
Kovy (Ag, Cu),
alkylované látky, oxidační
činidla (chlor, peroxid vodíku)
Enzymy nebo proteiny
Štěpení vazeb, vazba látek na
nukleové kyseliny, cross-linking
Barviva, alkylované látky,
ionizující a UV záření
Nukleové kyseliny
Vyplavení nízkomolekulárních
látek
Kvartérní amonné sloučeninyCytoplasmatická mebrána
Interkce s –NH2 skupinami
Lýze buněk
Aldehydy
Anionické surfaktanty
Buněčná stěna
VlivProstředekCíl
Mechanismy inaktivace běžných dezinfekčních prostředků
Synergistické působení
chloru a kovu
50/1Giardia lamblia
72.4/1Cryptosporidium parvum
70/10Hepatitis A virus
50/30Rotavirus
60/25Poliovirus
55/1Vibrio cholerae
65/1Shigella spp.
65/1Salmonella spp.
70/2Mycobacterium spp.
66/0.45Legionella
65/1Escherichia coli
75/1Campylobacter spp.
Teplota [oC/čas(min)]Organismus
Doba a teplota (TDT) nutná k usmrcení vodních a z potravy
přijatých patogenních organismů
Čas potřebný k
usmrcení daného
množství organismů
při specifické
teplotě se nazývá
„thermal death
time“ (TDT)
Organismy v pitných vodách
Viry ve vodárenství
Z hlediska zabezpečení hygieny pitné vody jsou nejdůležitější enterické viry,
které jsou přítomny v trávicím traktu člověka a při vylučování se dostávají do
vodního prostředí
Komunální odpadní vody, které vykazují až 105/l infekčních virových částic
Splachy z polí hnojených přirozenými hnojivy
Vletním období je možná přímá kontaminace rekreačně využívaných nádrží.
Rychlá adsorpce na živé či neživé částice
Koagulace viry neodstraní, pouze inaktivuje !!!
Nejúčinnější dezinfekce = UV záření v kombinaci s perodxidem vodíku
indikátory obecného
znečištění vod
(organotrofní mezofilní
a psychrofilní b.)
indikátory fekálního
znečištění vod
(koliformní b., enterokoky,
anaerobní klostridia
patogenní a podmíněně
patogenní bakterie
(onemocnění lid a zvířat)
baktérie tzv. funkčních skupin
(železité, manganové)
Problémy v technologii
Bakterie v pitných vodách Základem mikrobiologického vyšetřování
pitných vod je sledování výskytu
baktérií, které indikují obecné a fekální
znečištění vody.
Anorganické inkrustace
(uhličitany) + mikrobiální
biofilm na vnitřní stěně
exponovaných trubek (18
týdnů)
Biofilm
Aktivní biologická vrstva složená z mikroorganismů (baktérií,řas, hub,
mikroprotozoa, metazoa) a jejich extracelulárních polymerních produktů,
která je přichycena na povrch nejrůznějších podkladů, které mohou být či
jsou v kontaktu s vodou.
Struktura biofilmu
• heterotrofní vs
autotrofní biofilmy
• monospeciové vs
polyspeciové biofilmy
1. Biofilmy i sekundárně pomnožená bakteriální biomasa volné vody zvyšují
obsah organických látek a tím i spotřebu chlóru v rozvodné síti ⇒ jeho
předčasné vyčerpání a snížení koncentrace aktivního chlóru, potřebného
pro hygienické zabezpečení pitné vody
2. Tvorba biofilmů umožňuje pomnožení oportunních patogenních bakterií
včetně rodů Legionella, Mycobacterium a Aeromonas a dále k pomnožení
koliformních bakterií
TvorbaTvorba biofilmbiofilmůů ve vodve vodáárenských zarenských zařříízenzenííchch
TvorbaTvorba biofilmbiofilmůů ve vodve vodáárenských zarenských zařříízenzenííchch
4.24.25.614
E.coliA. hydrophilaHetrotrofovéČas (dny)
4.34.55.321
4.64.35.37
5.13.05.94
2.83.34.91
Živé počty (log10KTJ/ml)
Vliv monochloraminu (0.3 mg/l) na heterotrofní biofilm s Aeromonas
hydrophila a Echerichia coli
Dezinfekční protředek
proniká biofilmem v
subletálních dávkách –
selekce
rezistentních
baktérií
4.000-51.0003.1-3.8Přímá abstrakce říční vody
4.0752.4-2.9Zadržená říční voda
3474.6Nížinná přehradní nádrž
1001.0Přehradní nádrž
181.0-1.1Moorland reservoir
321.7Řeka
1-40.2-0.3Studna
Geometrický průměr
(CFU/ml)
TOC (mg/l)Zdroj
Vztah mezi TOC ve vodě a počtem baktérií
999990Cryptosporidium
> 9997-99.958-99Giardia
> 99.99910-9988-95Enterické viry
> 99.99950-9876-83Fekální koliformy
> 99.99950-9874-97Celkové koliformní
Pomalá filtrace
(% odstranění)
Rychlofiltrace
(% odstranění)
Koagulace a
sedimentace
Organismus
Typická účinnost odstranění vodárenskými technologickými postupy
a kvalita na odtoku
BiologickBiologickáá stabilita pitnstabilita pitnéé vodyvody
Sekundární pomnožování
mikrooganismů (regrowth) a tvorba
biofilmů na vnitřním povrchu potrubí,
na stěnách komor vodojemů a dalších
zařízeních ve vodárenských rozvodných
sítí se považuje za projevy
nedostatečné biologické stability vody
je definována jako míra odolnosti pitné vody proti rozvoji
mikroorganismů a tvorbě biofilmů při její akumulaci a distribuci v
podmínkách absence dezinfekčních prostředků
Snižování biolog. stability
1) průnikem lehce biologicky
odbouratelných látek (BDOC),
které jsou živným substrátem pro
heterotrofní mikrobiální složku.
Zdrojem těchto látek bývá
nejčastěji eutrofizovaná surová
voda z vodárenských nádrží a
toků.
2) Amonné ionty, železo a mangan
jsou živinami pro chemolitotrofní
nitrifikační, železité a manganové
bakterie – organická hmota
vytvořená těmito b. je zdrojem
uhlíku pro heterotrofní bakterie
Mikromycety
Z vláknitých mikromycet byly nejčastěji a
v relativně největším množství izolovány druhy
rodu Penicillium, Cladosporium a Trichoderma,
zástupci rodů Alternaria, Aspergillus,
Aureobasidium, Fusarium, Geotrichum, Mucor,
Paecilomyces, Rhizopus a Verticillium.
Při velkém výskytu spor
penicillioz může být jejich
inhalace (rovněž u rodu
Aspergillus, Alternaria,
Rhizopus) jednou z příčin
onemocnění dýchacího
systému (chronické
bronchiální katary,
bronchopneumonie). Některá
penicillia mohou být dále
původci zánětu zvukovodů,
některé druhy ostatních
shora jmenovaných rodů jsou
známy jako původci
nebezpečných mykóz nebo
jako producenti mykotoxinů.
Z kvasinek se v pitných vodách nejčastěji
vyskytují zástupci rodů Rhodotorula a Candida.
Jejich patogenita pro člověka je sporná, jejich
velký výskyt v pitné vodě každopádně zhoršuje
její kvalitu tím, že se zvýší podíl organických
látek a dále se jejich biomasa může substrátem
pro rozvoj dalších mikroorganismů. Představitelé rodu Candida
vyvolávají četná onemocnění
lidí, především kůže, nehtů,
dýchacího, zažívacího a
urogenitálního systému
Přítomnost řas a jejich metabolických produktů v surové vodě
znamená (Moravcová 1985):
a) negativní ovlivnění organoleptických vlastností upravené vody
b) negativní ovlivnění technologických postupů (mechanické
zanášení sacích košů, špatná koagulace a zanášení filtrů)
FYTOPLANKTON a SINICE
- voda nevhodná k úpravě na vodu pitnou4. množství nad 50.000 org. v 1 ml
-průnik organismů do výsledné upravené vody
-možnost vzniku organoleptických potíží
- nadměrné zkracování pracovního chodu filtrů
3. množství od 10.000 do 50.000 org. v 1 ml
- počátek obtíží úpravy, zejména souvisejících se
zkracováním pracovního chodu filtrů
- začátek potíží s průnikem organismů
2. množství od 3.000 do 10.000 org. v 1 ml
- úprava snadná i jednostupňová1. množství organismů nižší než 3.000 org. v 1 ml
Limity oživení surové vody
Rybí pach, typický pro vodní květy a
řasy obývající příbřežní pás
(Pandorina, Volvox, Gonium, Eudorina,
Mallomonas, Euglena, Ceratium,
Tribonema), se připisuje různým
aminům. Bylo zjištěno, že každý druh
řasy produkuje charakteristické aminy.
Výskyt aminů z hlediska škodlivosti
(organoleptické vlastnosti) je
hygienicky významný, neboť aminy
jsou fyziologicky velmi účinné látky
400 až 800 buněk Asterionella formosa
vyvolá zemitoaromatický pach vody, do
1600 jedinců v 1 ml vody vyvolá aromatický
pach po kakostu (pelargóniích) a masový
výskyt vede k odpornému rybímu zápachu
Řasy způsobující pachové závady
pitné vody
DOrganismy neodstranitelné na mez přípustnou
ČSN 757111 „Pitná voda“ ani velmi složitou
technologií
V
COrganismy odstranitelné dvoustupňovou
úpravou s dávkováním pomocného flokulantu,
aplikací oxidačních prostředků v
technologickém procesu a popř. i filtrací přes
zrněné aktivní uhlí
IV
COrgnismy odstranitelné dvoustupňovou úpravou
(s optimální dávkou koagulantu)
III
BDobře odstranitelné organismy, např.
koagulační filtrací (s nízkou dávkou koagulantu)
II
AVelmi dobře odstranitelné organismy pouhou
pískovou filtrací
I
Odpovídající
kategorie ČSN 75
7214 ??????
Charakteristika upravitelnosti vodyKategorie
Kategorie odstranitelnosti organismů z vody její úpravou
Organismy drobné (menší než 30
µm), jedinci i části rozpadavých
kolonií, cenobií a vláken
Jehlicovité rozsivky (jedinci i
části rozpadavých kolonií)
Drobná lákna a protáhlé štíhlé
buňky sinic a zelených řas
Pohyblivé druhy drobných, většinou
nárostových a bentických penátních
rozsivek (menší než 30 µm)
Fototrofní a fototaktické druhy
barevných bičíkovců
Giardia lamblia
trofozoit
Cryptosporidium parvum
Příklad zooplanktonu způsobujícího problémy
při úpravě vody na nádrži Koryčany
Vyšší bezobratlí
Slávička (Dreissena polymorpha)
Územní působnost vodárenských soustav
(umožnění dodávky vody do spotřebišť, která nemají pro místní
zásaobování v přijatelné vzdálenosti vodní zdroje dostatečné vydatnosti a
jakosti
Místní vodovod s jedním
zdrojem vody
Místní vodovod s více zdroji vody
Skupinový vodovod Oblastní vodovod
Vodojem před spotřebištěm
Vodojem před spotřebištěm
i za ním
podle výškového vztahu vodojemu ke zdrojům vody dělíme vodovody na:
a) Gravitační
b) Výtlačné
VODOJEM
Schémata gravitačních vodovodů
1 – zdroj vody
2 - vodojem
Schémata výtlačných vodovodů
Vodojem před spotřebištěm
Věžový vodojem uvnitř spotřebiště
Vodojem za spotřebištěm
Automatická tlaková stanice
s akumulací
Automatická tlaková stanice bez
akumulace