Beneficiile tratamentului cu ozon pentru apa imbuteliata

Conferinta Pan Americana 
International Ozone Association Proceedings

Autori; L. Joseph Bollyky, Ph.D., P.E.
Bollyky Associates, Inc.
Stamford, CT

Tratamentul cu ozon îmbunătățește calitatea apei pentru majoritatea apei potabile în general.
Acesta este un tratament cheie și esențial pentru producerea de apa sanatoasa, de înaltă calitate, cu gust bun si plăcut din punct de vedere estetic precum si pentru o depozitare stabila a apei îmbuteliate. Dezvoltarea și adaptarea tratamentului cu ozon în anii 1970 rezolvat probleme supărătoare și, uneori, jenante in legatura u  dezinfectarea și stabilitatea depozitării și a stabilit o crestere rapida a industriei de îmbuteliere a apei . Până în anul 2001, vânzările anuale de apă îmbuteliată au depășit 5.5 miliarde de galoane și a depășit $ 6 miliarde de dolari în SUA. O discuție despre biologia și procesele chimice implicate în tratament sunt prezentate mai jos.

Tratamentul cu ozon este cel mai frecvent utilizat proces de dezinfectare în îmbutelierea apei astăzi. Prin aplicarea unei singure etape de tratare a ozonului, îmbuteliatorul de apă poate dezinfecta apa, echipamentul de îmbuteliere, sticla, aerul de deasupra apei și capacul etanș al sticlei, oferind astfel cea mai eficientă bariera în calea contaminării microbiologice, în vederea protejării consumatorului. Acestea sunt motivele pentru care majoritatea îmbuteliatorilor de apă se bazează pe tratamentul cu ozon pentru a oferi un produs sigur, cu bun gust, plăcut din punct de vedere estetic și stabil la depozitare. Pe măsură ce tratamentul cu ozon a devenit o parte bine acceptată, de rutină a procesului de îmbuteliere a apei, multe dintre celelalte beneficii ale acestuia, dincolo de dezinfecție, au fost luate de bune și aproape uitate. Unii îmbuteliatori de apă poate nici măcar nu-și dau seama astăzi că utilizarea de ozon oferă, de asemenea, beneficii, cum ar fi, gust îmbunătățit, eliminarea mirosului, și stabilitatea de depozitare lungă de 2 ani. Aceste beneficii au îmbunătățit substanțial produsul, făcându-l o degustare bună și sigură. Acestea sunt caracteristicile de calitate ale produsului pe care clienții au ajuns să se aștepte și de care  să se bucure. Deoarece tratamentul cu ozon a devenit un astfel de proces cheie pentru îmbuteliatorii de apă, ei trebuie să rămână curent cu progresele în tehnologie, precum și îmbunătățirile în procesul de tratare a ozonului. În plus, acestea trebuie să urmeze și să revizuiască modificările de reglementare și procedurale în standardele FDA, USEPA și IBWA.

Astăzi, cativa dintre îmbuteliatorii de apă din statele Unite ale Americii, a căror sursă de apă conține cantități excesive de bromură, se confruntă cu o altă provocare. Ozonul poate oxida bromura in bromat în anumite condiții. Astfel, concentrația de bromat ar putea depăși produsul secundar de dezinfecție nou-stabilit (DBP), nivelul maxim de contaminanți (MCL =10 ug/1). Datorită ușurinței relative sau percepute a tratamentului cu ozon, și "mai mult ozon cu cât este mai bună filosofia, în multe cazuri s-au adăugat cantități excesive de ozon apă, în special atunci când operația de îmbuteliere se efectuează fără utilizarea controalelor de dozare a ozonului necesare pentru dozarea mai precisă a ozonului. Aplicarea excesivă a ozonului poate duce la o concentrație de bromat inutil de mare. Cu toate acestea, atunci când se utilizează monitoare cu ozon și instrumente de control al procesului, iar parametrii procesului de tratare a ozonului sunt ajustați cu atenție, formarea bromului poate fi limitată la niveluri sub MCL în majoritatea cazurilor. Pașii disponibili pentru minimizarea formării de bromat sunt discutați în detaliu mai jos.

Scurt istoric

Tratamentul cu ozon a jucat un rol esențial la începutul industriei apei îmbuteliate și a contribuit la creșterea sănătoasă a industriei. În anii 1970, primii ani ai industriei de îmbuteliere a apei, nu toți îmbuteliatorii de apă foloseau tratament cu ozon pentru dezinfectare. În plus, procesul de îmbuteliere a apei nu a fost complet dezvoltat și apa îmbuteliată nu a fost întotdeauna sigilată corespunzător. În timpul manipulării și stoarcerii sticlei, aerul și microorganismele propagate în aer ar putea intra în sticlă. Astfel, după zile sau săptămâni de depozitare, de multe ori pe rafturile supermarketurilor, exista un potential de creștere explozivă a microorganismelor în apa îmbuteliată, ceea ce ar putea duce la gust si miros neplacut și probleme de sănătate. Mai multe rechemări bine mediatizate de apă îmbuteliată a luat loc în timpul acelor zile. De fapt, s-ar putea spune, că tratamentul nou dezvoltat  cu ozon a salvat industria de apă îmbuteliată . In anii 1970,  apa îmbuteliată nu a fost întotdeauna dezinfectata în mod corespunzător, și a fost frecvent criticată la televizor și în rapoartele de anchetă ale ziarelor pentru deteriorarea rapidă a calității în timpul depozitării pe rafturile supermarketurilor. La scurt timp după aceea, sub presiunea multor organizații de sănătate de stat și FDA, au fost dezvoltate procese adecvate de dezinfectare pentru îmbutelierea apei cu tratament cu ozon ca o componentă cheie. Dozele de ozon necesare, timpii de contact și cerințele de închidere pentru diferitele tipuri de sticle și ape au fost determinate experimental. Ozonul s-a dovedit a fi dezinfectantul și oxidantul magic care ar putea dezinfecta apa, echipamentul de îmbuteliere, sticla și capacul etanș al sticlei, oxidând în același timp orice urmă de materiale mirositoare care ar putea fi prezente în apă. Apoi ozon se descompune in oxigen inofensiv și, prin urmare, a dispare fără a lăsa un gust sau miros nedorit.

Tratamentul cu ozon ar putea realiza simultan dezinfecția și oxidarea chimică a materialelor mirositoare și ar putea permite îmbuteliatorului de apă să producă apă de bună calitate, stabilă la depozitare, fără subproduse inacceptabile, gust și miros asociate cu utilizarea clorului pentru dezinfectarea/oxidarea apei de la robinet municipale sau publice. 

Ozonul (03) este un material gazos produs din oxigen într-un generator de ozon de tip câmp electric de descărcare de gestiune (Corona Discharge). Astăzi, producția de generatoare de ozon conține în mod obișnuit 3-10 la sută din greutate (% w.t.) de ozon în fluxul de gaz de oxigen nereacționat. Generatoare de ozon timpurii operau  la 1-2% ..t. concentrația de ozon.  În contactorul de ozon, ozonul este dizolvat în apă pentru tratament și ozonul nedizolvat rămas în fluxul de gaze este evacuat printr-un decomposer de ozon, unde este reconvertit în oxigen și apoi eliberat în atmosferă la nivelurile de pe acoperiș.

Ozonul este un oxidant puternic și un dezinfectant chimic excepțional. Procesul de tratare a ozonului face parte integrantă din operațiunile stației de tratare a apei potabile în peste 3,000 de instalații municipale de apă din întreaga lume.  Acestea furnizează apă locuitorilor multor orașe importante, renumite pe plan internațional, din Londra, Paris, Budapesta, Kiev, Moscova și Singapore. Numai în statele Unite există aproape 400 de alte instalații de apă potabilă cu ozon, inclusiv cele din Dallas, Los Angeles, Milwaukee, Orlando și Atlanta și în curând în Boston și New York City.

Tratarea apei îmbuteliate cu ozon

Ozonul se adaugă în apă într-un contactor de ozon chiar înainte de îmbutelierea apei. Sistemul de contact cu ozonul are două funcții principale:

În primul rând, este utilizat pentru dizolvarea sau transferul în masă al gazului de ozon din fluxul amestecului de gaze de ieșire al generatorului de ozon în apa care urmează să fie tratată. O cantitate suficientă de ozon trebuie dizolvată în apă pentru a se obține dezinfecția apei necesara dezinfecției echipamentului  de îmbuteliere, sticlei și capacului de apă îmbuteliată sigilat. În plus, trebuie să se prevadă ozon dizolvat pentru oxidarea chimică a oricăror contaminanți organici sau anorganici indezirabili prezenți în apă, cum ar fi materiale odore, fier, Mangan etc. Echilibrul ozonului care rămâne în afara gazului din contactorul de ozon este distrus prin trecerea acestuia printr-o unitate de decompunere în ozon, astfel încât gazul evacuat în atmosferă conține o concentrație de ozon mai mică de 0.1 părți pe milion în volum (ppm v.)- sau 2 x 10 4 miligrame pe litru (mg/1). Pentru tratarea optimă a apei și pentru formarea minimă a bromului, adăugarea ozonului trebuie controlată automat utilizând monitoare cu ozon și instrumente de control al procesului. Un astfel de sistem de tratament ar trebui să asigure o concentrație suficientă de ozon dizolvat pentru tratament, dar să prevină o cantitate excesivă de ozon care ar putea facilita formarea subprodusului. Astfel, pentru apa îmbuteliată de înaltă calitate, adăugarea de ozon trebuie controlată și monitorizată cu atenție.

În al doilea rând, contactorul ozonului este un reactor. Acesta oferă timpul de reacție suficient (timp de reținere sau de contact) pentru a permite ca procesele de dezinfectare și/sau oxidare dorite să se producă în apă. Timpul de reacție este un parametru important pentru toate cele trei reacții de ozon întâlnite în îmbutelierea apei: Dezinfectare, oxidare și descompunere care sunt  discutate în detaliu mai jos. Prin urmare, dimensiunea sau volumul contactorului de ozon ar trebui să fie proiectate pe baza debitului de apă, a calității apei și a cerințelor privind timpul de reacție. Ar putea fi necesar pentru anumite ape sursă și pentru unele instalații de îmbuteliere a apei, ca aceste cerințe  sa se determine experimental prin teste pilot sau de laborator.

Ceilalți factori care influențează cererea de ozon și tratamentul general al ozonului includ: Temperatura, pH-ul, proiectarea umpluturii, procedurile de operare etc. Pentru cele mai bune rezultate, efectele acestora ar trebui, de asemenea, evaluate și luate în considerare. Controalele de proces reprezintă o parte importantă a unui sistem de tratare a ozonului din apa îmbuteliată. Cel mai important dintre aceste controale este controlul automat al dozei de ozon. După cum s-a arătat mai sus, obiectivul acestei bucle de control este de a asigura adăugarea unei cantități suficiente, dar nu excesive de ozon în apă pentru a obține concentrația necesară de ozon dizolvat în apă, în scopul de a realiza dezinfecția, gustul și mirosul de control, dar nu produc subproduse nedorite în condițiile operațiunii de îmbuteliere a apei. Alte controale de proces sunt, de asemenea, discutate mai jos. 

Subproduse de dezinfectare

Procesul de dezinfectare a apei trebuie aplicat înainte de toate tratamentele cu apă și condiționarea apei de la sursă chiar înainte de etapa de îmbuteliere a producției de apă . Procesul de dezinfectare este limitat la microorganisme mai mici, cum ar fi bacterii și viruși. Dezinfecția paraziților mai mari, cum ar fi, Cryptosporidium nu este necesară de FDA, deoarece 75% dintre îmbuteliatorii de apă folosesc apa subterană ca apa lor sursă, care nu este de așteptat să conțină Cryptosporidium și alte 25% folosesc alimentarea cu apă publică, care este deja tratată pentru ea. Se preconizează că dezinfecția cu ozon a apei îmbuteliate va trata microorganismele mai mici cu concentrații de ozon dizolvate în intervalul 0.1 -0,4 mg/1. Valorile CT necesare pentru șase microorganisme sunt prezentate în tabelele IV și V. în timpul unui timp total de contact estimat de 20 minute, concentrația de ozon dizolvată de 0.1 mg/1 și 0.4 mg/1 va furniza valori CT de 2.0 și 8.0 respectiv. O posibilă complicație este aceea că ozonul dizolvat poate oxida ionul bromat prezent în apa sursă pentru a se dizolva în timpul respectiv. FDA a stabilit o limită maximă de concentrație, MCL = 10 ug/1, pentru această dezinfecție produs secundar începând cu ianuarie 2001 (Registrul Federal, iulie 5, 2001). Această limită este aceeași cu cea stabilită de EPA pentru apa potabilă publică. Astfel, procentul de 25 % din îmbuteliatorii de apă care utilizează apa publică pentru apa lor sursă va îndeplini în mod automat această cerință DBP (produs secundar de dezinfecție).

Cantitatea de produs secundar bromat care poate fi produsă în timpul dezinfectării ozonului depinde de concentrația bromurii în apa sursă. Ca o indicație bună, am putea considera că, în esență, toate stațiile de tratare a apei din SUA care utilizează tratamentul cu ozon care au 1 µg/60 bromură sau mai puțin în apa lor brută îndeplinesc în mod obișnuit MCL bromat cu ușurință. În plus, există măsuri care pot fi luate pentru controlul formării bromei în timpul procesului de dezinfectare a ozonului. Acestea sunt prezentate mai jos. Un aspect important al hotărârii FDA din 5 iulie 2001 este faptul că FDA nu va solicita ca apa îmbuteliată deja pe piață să fie rechemată înainte de expirarea perioadei de valabilitate de doi ani. Această decizie permite timp pentru evaluarea și modificarea procesului de dezinfectare a ozonului în cazul în care este necesar să se facă acest lucru.

Controlul bromului
Dezinfectarea cu ozon a apei sursă care conține o anumită concentrație de bromură va depinde de amploarea concentrației de bromură și de calitatea apei din apa respectivă, cum ar fi pH-ul, alcalinitatea; concentrația și tipul compușilor organici și anorganici prezenți în apă și la temperatura apei.

Formarea bromului constă dintr-o secvență complexă de reacții multiple. A fost studiată în detaliu., bromura este oxidată mai întâi de ozon, până la hidrobromuri acid. Acidul hidrobromos disociază în Ion de hidrobromit într-o măsură în funcție de pH-ul apei. Hidrombromitul poate fi apoi oxidat mai departe fie prin ozon, fie prin radicali hidroxil. Produsul final de oxidare este bromat. Reacțiile individuale și ratele acestora sunt prezentate în tabelul VI

Multe studii au fost efectuate pe surse naturale de apă brută pentru a găsi cel mai eficient mod de a controla formarea de bromat. (8) Consensul acestor studii este că, în general, se pot lua următoarele măsuri:

1. Cea mai eficientă etapă de departe este controlul dozei de ozon la o concentrație minimă de ozon dizolvată necesară pentru procesul de dezinfectare în timpul întregii operațiuni de îmbuteliere a apei. Sistemul de îmbuteliere proiectat în mod corespunzător ar trebui să prevadă concentrația de ozon necesară și timpul de contact cu ozonul (CT) în contactorul de ozon, utilizând monitoare de ozon și controale automate. Considerațiile de proiectare ar trebui să ia în considerare, de asemenea, concentrația de ozon și timpul de reacție care apar în sticlă. Pasul de control precis, automat al dozei de ozon este un pas cheie. Aceasta nu necesită adăugarea de substanțe chimice și încă poate fi pasul cel mai eficient pentru controlul bromat. Este foarte recomandat și ar trebui să fie luate în considerare și a încercat mai întâi.

2. Al doilea pas cel mai eficient este scăderea pH-ului. Formarea de bromat poate fi redusă semnificativ atunci când adăugarea unui acid adecvat scade pH-ul, de exemplu, de la pH = 7.5 la pH = 6.0. Cu toate acestea, ajustarea pH-ului necesită un sistem de control al pH-ului proiectat și operat cu atenție, constând dintr-o pompă de dozare, un mixer, un rezervor și un pH-metru și un sistem de control. Sistemul trebuie să fie proiectat corespunzător și să fie operat și monitorizat cu grijă. Schimbarea mică a pH-ului nu afectează semnificativ dezinfectarea, dar poate reduce substanțial formarea de bromat.

3. Al treilea pas cel mai eficient este scăderea temperaturii apei. În condițiile de temperatură a apei mai mică, se produce mai puțin bromat, dar ozonul
procesul de dezinfectare nu este afectat în mod semnificativ. Cu toate acestea, dezavantajul acestui lucru
etapa constă în aportul semnificativ de energie care ar putea fi necesar pentru răcirea apei. Echipamentul de refrigerare este disponibil în comerț.

4. A patra etapă de coborâre a bromatului este adăugarea unei doze mici de amoniac. După cum se indică în figura 5, amoniacul reacționează cu acidul hipobromic și face ca cantități mai mici de hipobromat să fie disponibile pentru oxidare. Pentru tratarea majorității apelor sursă cu concentrații semnificative de bromură
Deasupra treptei opționale recomandate 1, controlul automat al dozării ozonului trebuie să fie suficient pentru a menține formarea bromului sub nivelul MCL = 10 µg/1. Dacă sunt necesari pași suplimentari, vă recomandăm o atenție deosebită
evaluarea experimentala a optiunilor de tratament disponibile intr-un studiu pilot al unei instalatii la fata locului sau intr-un studiu mai economic la scara de laborator pe probe de apa expediate peste noapte pe gheata catre un laborator calificat. Contactați  Asociația internationala de ozon pentru o listă de laboratoare și consultanți.

Concluzie

Tratamentul cu ozon este esențial pentru îmbutelierea apei, deoarece joacă un rol multiplu, benefic în producția de apă îmbuteliată și poate asigura depozitarea stabila a produsului. Ozonul este cel mai puternic dezinfectant chimic disponibil. Le dezinfectează pe toate: apa, sticla, echipamentul de îmbuteliere, capacul de sticlă sigilat și orice microorganisme prezente în aer în spațiul de deasupra apei. În plus, îmbunătățeste gustul,elimină mirosul și oxidează materialele organice și anorganice nedorite care ar putea fi prezente în apa sursă. Apoi, odată ce ozonul și-a făcut treaba, se descompune in oxigen inofensiv. Dacă doriți un dezinfectant ideal pentru apa imbuteliata, nu ai putea visa unul mai bun decat ozonul.