115 1 Zwemwaterbehandeling in circulatiebaden door D. G. J. van Straaten en Ir. P. L. Konings Centrilab B.V. 1. Inleiding 115 3 2. Zwemwaterbehandeling 115 3 3. Chemische processen bij de zwemwaterbehandeling 115 4 3.1. Oxidatie en desinfectie 115 4 3.2. Coagulatie/flocculatie 115 9 3.3. ph-beheersing 115 10 4. Aanvullende literatuur 115 12
115 3 1. Inleiding Zwemwater moet worden behandeld omdat zwemmers vuil en ziekteverwekkende organismen in het water brengen. In het hiernavolgende zal worden ingegaan op de zwemwaterbehandeling met een circulatiesysteem en op een aantal chemische processen die daarbij een rol spelen. Bij een circulatiesysteem wordt het zwemwater via een waterbehandelingsinstallatie voortdurend rondgepompt en van een desinfectiemiddel voorzien terwijl regelmatig een deel van het water wordt ververst. 2. Zwemwaterbehandeling In binnenbaden wordt de verontreiniging van het bassinwater hoofdzakelijk veroorzaakt door de zwemmer zelf. In buitenbaden speelt vervuiling door ingelopen of ingewaaid vuil eveneens een rol. De ingebrachte verontreinigingen zijn te verdelen in drie groepen: micro-organismen: elke zwemmer brengt een groot aantal bacteriën, virussen en schimmels in het bassinwater. Ook een gezonde zwemmer kan ziekteverwekkende micro-organismen aan het bassinwater afgeven; niet opgeloste verontreinigingen, zoals gesuspendeerde en colloïdale deeltjes: dit zijn verontreinigingen die een zekere troebeling van het bassinwater kunnen veroorzaken. Voorbeelden hiervan zijn huidschilfers, textielvezels, huidvetten, speeksel, zeepresten, cosmetica, crèmes; opgeloste verontreinigingen: onder andere afkomstige van speeksel, oogvocht, urine en zweet. Zwemwaterbehandeling in de vorm van een circulatiesysteem bestaat uit (zie figuur 1): het transport van verontreinigd water van het bassin naar de waterbehandelingsinstallatie en van gereinigd water weer naar het bassin; het zoveel mogelijk verwijderen van de aanwezige niet opgeloste stoffen uit het water door middel van zeven en filtreren; het zoveel mogelijk verwijderen of modificeren van de opgeloste
115 4 Zwemwaterbehandeling stoffen door middel van flocculatie, oxidatie en micro-organismen; het desinfecteren van het zwemwater door middel van het continu op niveau houden van een bepaalde concentratie van een bepaald desinfectiemiddel. Het resultaat van de zwemwaterbehandeling dient te zijn dat het zwemwater te allen tijde voldoet aan de eisen die zijn vastgelegd in het BHVZ (Besluit Hygiëne Veiligheid Zwemgelegenheden). Indien blijkt dat de vul- en suppletiewaterkwaliteit niet acceptabel is, zal een voorbehandeling van dit water moeten plaatsvinden. De behandeling bestaat uit verschillende onderdelen die echter niet los van elkaar kunnen worden gezien. Dit betekent dat het waterbehandelingssysteem in zijn geheel in beschouwing dient te worden genomen. 3. Chemische processen bij de zwemwaterbehandeling 3.1. Oxidatie en desinfectie Door zwemmers wordt vuil in het water gebracht, waarvan een deel niet oplost in water. Het niet opgeloste deel bedraagt circa 20 % van het totaal, uitgedrukt in het kaliumpermanganaat(kmno 4 )-verbruik van het water. Het KMnO 4 -verbruik is een maat voor de hoeveelheid oxideerbare stoffen. Het doel van het zeven en de filtratie is het verwijderen van de nietopgeloste bestanddelen uit het zwemwater. De niet-opgeloste bestanddelen kunnen worden onderverdeeld in grove delen en in colloïdale deeltjes en gesuspendeerde deeltjes. Door zeven worden de grove delen verwijderd. Suspensies kunnen vanwege de grootte van de deeltjes door filtratie zonder meer worden verwijderd. Bij colloïdale deeltjes is dit niet steeds het geval. Zij worden door een voorafgaande coagulatie/flocculatie in een zodanige toestand gebracht, dat zij in een (zand)filter kunnen worden tegengehouden. De opgeloste stoffen worden door een oxidatiemiddel geheel of gedeeltelijk afgebroken. Door verversen wordt ophoping van bepaalde
115 5 0886-016 Figuur 1. Schematische weergave van de zwemwaterbehandeling.
115 6 Zwemwaterbehandeling stoffen voorkomen. Als oxidatie/desinfectiemiddel wordt in Nederland meestal alleen chloor gebruikt in de vorm van chloorbleekloog (oplossing van NaOCl in verdunde NaOH oplossing), soms ook calciumhypochloriet (Ca(OCl) 2 ) of chloorgas (Cl 2 ). Het laatste wordt ter plaatse bereid uit een zogenaamde chloor-in-situ-apparaat, waarbij keukenzout door middel van elektrolyse wordt ontleed en waarbij de anode en de kathoderuimten gescheiden zijn door een membraan. Door deze constructie is het mogelijk het bij de anode gevormde chloorgas aan het water toe te voegen. Bij het inbrengen van chloorbleekloog in het water treden de volgende reacties op: NaOCl N Na + + OCl - (1) OCl +H 2 ONHOCl + OH - (2) De ph invloed op laatstgenoemd evenwicht wordt in figuur 2 weergegeven. 0886-017 Figuur 2. Verdeling HOCl/OCl als functie van de ph-waarde.
115 7 In het voor zwemwater voorgeschreven ph-traject van 6,8 ph 7,8 is het chloor aanwezig in de vorm van HOCl en OCl. In de zwembadwereld wordt het begrip vrij-beschikbaar chloor (v.b.c.) gehanteerd, zijnde de som van beide verschijningsvormen. Het werkzame bestanddeel bij de oxidatie is voornamelijk het onderchlorigzuur (HOCl). De snelheid waarmee verschillende verontreinigingen met vrij beschikbaar chloor reageren is niet voor elke verbinding gelijk. Sommige verbindingen reageren snel met vrij-beschikbaar chloor, andere stoffen worden slechts langzaam door vrij-beschikbaar chloor geoxideerd. Een voorbeeld van een stof die slechts langzaam wordt afgebroken is ureum (CON 2 H 4 ). In de praktijk zijn de oxidatiereacties bijna nooit volledig en deze verlopen meestal in verschillende stappen, waardoor er verschillende tussen- en eindprodukten worden gevormd. Een deel van de verbindingen die ontstaan bij de reactie van vrij-beschikbaar chloor met zwemmersverontreinigingen zijn ongewenst of hinderlijk voor de zwemmers. Deze ongewenste verontreinigingen zijn te verdelen in twee groepen: Chloor-stikstofverbindingen, deze verbindingen zijn beter bekend onder de naam gebonden-beschikbaar chloor (g.b.c.). Gebonden-beschikbaar chloor ontstaat als tussenstap tijdens de reactie van vrij-beschikbaar chloor met stikstofverbindingen als ammonium, ureum, en kreatinine. Zo ontstaan bijvoorbeeld mono- en dichlooramine door de inwerking van het vrij-beschikbaar chloor op ammoniumzouten. NH 4 + + HOCl H 3 O + +NH 2 Cl (3) NH 2 Cl +HOCl H 2 O + NHCl 2 (4) Een deel van het gebonden-beschikbaar chloor veroorzaakt irritatie van de ogen en slijmvliezen en kan stank (chloorlucht) veroorzaken. Gechloreerde koolwaterstofverbindingen, dit zijn vluchtige verbindingen zoals chloroform of dichloormethaan, die reeds in lage concentraties schadelijk geacht worden voor de gezondheid.
115 8 Zwemwaterbehandeling De mate en de snelheid waarmee ongewenste verbindingen ontstaan is onder andere afhankelijk van de belasting van het bassin, met andere woorden, de hoeveelheid ingebrachte verontreinigingen. Ook de concentratie vrij-beschikbaar chloor in het bassin speelt een rol. Bij een hogere vrij-beschikbare chloorconcentratie ontstaan in het algemeen meer ongewenste verbindingen. Het is daarom van belang het gehalte aan vrij-beschikbaar chloor in het bassin op een zo laag mogelijk niveau te houden. Dit kan worden bereikt door het aantal personen dat van het bad gebruik maakt een gegeven maximum aantal niet te laten overschrijden. De oxidatie van de opgeloste verontreinigingen kan ook worden uitgevoerd in combinatie met een ander oxidatiemiddel, bijvoorbeeld ozon. In buitenbaden treedt fotolyse op; hierbij wordt het vrij-beschikbaar chloor door UV-licht in verschillende produkten omgezet. Daarom wordt in de praktijk cyanuurzuur gedoseerd om dit effect te bestrijden. De grotere stabiliteit is gelegen in het feit dat het chloor dan grotendeels complex gebonden is aan een drager waardoor licht van de betreffende golflengten geen ontleding meer kan bewerkstelligen. Het oxiderend en desinfecterend vermogen wordt door het aanwezige niet-complexgebonden chloor teweeg gebracht. Ook bij de desinfectie speelt onderchlorigzuur een hoofdrol. Dit is onder meer toe te schrijven aan het feit dat onderchlorigzuur een ongeladen molecule is en zodoende gemakkelijker de celwand van een bacterie kan passeren. Afhankelijk van de temperatuur en het type micro-organisme is onderchlorigzuur 100-300 keer effectiever dan het hypochloriet-ion. Niet alle micro-organismen zijn even gevoelig voor chloor. Bepaalde soorten bacteriën kunnen bij lage chloorgehalten vaak enige tijd overleven. Er zijn dan hogere chloorgehalten nodig om afdoding te bewerkstelligen. Het verschijnsel dat onderchlorigzuur vele malen effectiever is als desinfectiemiddel dan het hypochloriet-ion gaat trouwens niet op voor alle micro-organismen. Bepaalde virusstammen zijn relatief ongevoelig voor het onderchlorigzuur. Sommige virussoorten kunnen zelfs beter met hypochloriet-ion behandeld worden. Echter, aangezien de nadruk bij de desinfectie in eerste instantie ligt op de afdoding van bacteriën is het van belang de desinfectie met HOCl uit te voeren (dus binnen
115 9 het voorgeschreven ph-traject een zo laag mogelijke ph; zie figuur 2). Wanneer het zwemwater sterk verontreinigd is kunnen de microorganismen beschermd zijn tegen de inwerking van chloor, doordat ze omhuld zijn door een beschermend laagje verontreinigingen. Hieruit blijkt de noodzaak van een effectieve verwijdering van de ingebrachte verontreinigingen. Het is verder van belang dat de desinfectie continu wordt uitgevoerd, ook buiten de openingsuren van de zweminrichting, om te voorkomen dat de micro-organismen zich in korte perioden van gunstige groeiomstandigheden kunnen vermenigvuldigen. 3.2. Coagulatie/flocculatie De in het zwemwater aanwezige verontreinigingen kunnen naar grootte als volgt worden ingedeeld: Tabel 1. deeltjes Kenmerken van in zwemwater opgeloste deeltjes. deeltjesgrootte opgelost ware oplossingen <10 9 m niet opgelost colloidale systemen (solen) 10 6 10 9 m suspensies >10 6 m Gesuspendeerde deeltjes kunnen zonder meer door een (zand)filter worden afgevangen en zodoende uit het zwemwater worden verwijderd. Voor colloïdale deeltjes, bijvoorbeeld resten van algen, bacteriën, virussen, huidschilfers en stofdeeltjes geldt dit niet. Een colloïdale oplossing is stabiel, omdat alle deeltjes dezelfde lading hebben en elkaar dus afstoten. Hierdoor wordt aangroei tot grotere deeltjes voorkomen. De in het zwemwater aanwezige colloïdale deeltjes zijn negatief geladen, evenals veelal het in het (zand)filter aanwezige filtermateriaal. Hierdoor worden de colloïdale deeltjes nauwelijks door het filtermateriaal tegengehouden. Om een aanvaardbare verwijdering van colloïdale deeltjes te verkrijgen dient de ladingstoestand van de deel-
115 10 Zwemwaterbehandeling tjes of het filtermateriaal te worden veranderd. Dit gebeurt door middel van coagulatiemiddelen. In de zwemwaterbehandeling worden hiervoor voornamelijk aluminiumverbindingen gebruikt zoals aluminiumsulfaat en polyaluminiumhydroxychloride. De werking berust op vorming van onoplosbare hydroxiden door reactie van aluminiumionen met water (hydrolyse). Al 3+ +6H 2 O Al(OH) 3 +3H 3 O + Het hierbij gevormde Al(OH) 3 is vlokvormig. Hiernaast ontstaan bij de juiste ph (6,0-7,4) positief geladen colloïdale hydroxiden zoals Al(OH) 2+ en Al 2 (OH) 2 4+. Onder invloed van deze positief geladen deeltjes destabiliseert de colloïdale oplossing en vindt aangroei tot grotere vlokken plaats (flocculatie). Deze vlokken worden vervolgens door het filter afgevangen. 3.3. ph-beheersing Om een goed verloop van processen zoals desinfectie, oxidatie en vlokvorming te kunnen waarborgen, maar ook ter voorkoming van corrosie en ten behoeve van het welbevinden van de zwemmers is het noodzakelijk de ph-waarde van het zwemwater binnen bepaalde grenzen te handhaven. In Nederland geldt voor de toegelaten ph-waarde van zwemwater: 6,8 ph 7,8. Toegevoegde desinfectie/oxidatiemiddelen en vlokmiddelen beïnvloeden de ph-waarde. Zo zal toevoegen van chloorbleekloog een ph-verhoging tot gevolg hebben vanwege de aanwezigheid van natronloog in dit middel. Toevoeging van chloorgas zal een ph-verlaging bewerkstelligen door het via hydrolyse ontstane zoutzuur (Cl 2 +H 2 O HOCl + HCl). Oxidatiereacties van onderchlorigzuur of reactie hiervan met UVlicht zullen een ph-verlaging veroorzaken doordat hierbij zoutzuur ontstaat. Toevoeging van aluminiumsulfaat of een poly-aluminiumhydroxy-
115 11 chloride zal leiden tot een ph-daling doordat bij de reactie van aluminiumionen met water, hydroxide-ionen aan het water worden onttrokken. In het algemeen heeft de ph-verhogende werking van de toevoeging van chloorbleekloog de overhand. Om te voorkomen dat de phwaarde te hoog wordt, dient een zuur te worden gedoseerd. Gebruikt worden: 30 %-ig zoutzuur, verdund zwavelzuur (ρ=1280 kg/m 3 ), koolzuurgas, natriumwaterstofsulfaat. In gevallen waarbij ph-verhoging noodzakelijk is komen de basen natriumhydroxide, natriumwaterstofcarbonaat en natriumcarbonaat in aanmerking. Voorkomen dient te worden dat de ph-waarde sterk gaat fluctueren bij toevoeging van reeds kleine hoeveelheden ph-correctiemiddel. Leidingwater bevat een hoeveelheid waterstofcarbonaation (HCO 3 - ). Ingebrachte of ontstane hydronium-ionen (H 3 O + ) zullen door de waterstofcarbonaationen worden weggenomen volgens de reactie H 3 O + + HCO 3 2H 2 O+CO 2 (6) Hierdoor blijft de ph-daling beperkt; het water is gebufferd. Indien onvoldoende waterstofcarbonaationen aanwezig zijn zal de phwaarde bij toevoegen van een gelijke hoeveelheid H 3 O + -ion veel sneller dalen. In zwemwater dient minimaal 60 mg/l waterstofcarbonaation aanwezig te zijn; een streefwaarde is 120 mg/l. Bij ontbreken van voldoende waterstofcarbonaation kan, in samenhang met het gehalte aan calciumionen, het aantal opgeloste stoffen en de ph-waarde het water kalkagressief worden. Het water heeft een tekort aan waterstofcarbonaationen of calciumion en wil dit aanvullen. Hierdoor gaan bijvoorbeeld voegen van cement in oplossing. Omgekeerd komt een overschot aan deze stoffen ook voor waardoor kalkneerslag ontstaat. Beheersing van deze effecten kan plaatsvinden door ph-correctie met voornoemde zuren en basen of eventueel door toevoeging van calciumchloride. Het verdient aanbeveling voor elke afzonderlijke zweminrichting een ph-waarde vast te stellen, waarbij alle water-
115 12 Zwemwaterbehandeling behandelingsprocessen optimaal verlopen. Deze ph zal binnen het voorgeschreven traject zodanig moeten zijn dat: 1. de oxidatie en desinfectie zo goed mogelijk verlopen (derhalve zo laag mogelijk); 2. de coagulatie/flocculatie effectief is; 3. in het zwemwater de gehalten aan calcium- en carbonaation zodanig zijn ingesteld dat het oplosbaarheidsprodukt van calciumcarbonaat niet wordt onder- of overschreden. 4. Aanvullende literatuur Waterbehandeling in circulatiebaden. VAR-reeks Ministerie van VROM nr. 9, 1981. Het oxidatieproces in zwemwater. Publikatiereeks VROM nr. 14, 1990. Hygiëne in zwemgelegenheden. Rapport Gezondheidsraad 1989. Optimalisering van de bedrijfsvoering in overdekte zwemgelegenheden. Publikatiereeks Milieubeheer nr. 5, 1987. Chemistry in the marketplace: A consumer guide. ISBN 0-7295- 0334-8.