Sanitization of water system

By / Ahmed Hasham

Water & Quality Expert

https://www.linkedin.com/in/ahmed-hasham-01024b27/

 

Definition of Sanitization

Sanitization is not an absolute process. It is a partial removal of organisms. The sanitization process should reduce the organism population by some 90%. In water, sanitization is often defined as a 3-logarithm (log) or 1,000-fold reduction in the number of bacteria.

 

Sanitization tactics:

There are two basic tactics for controlling bacterial growing in a potable water system:

  • The first tactic is to keep a constant residual level of biocide agent within the system (continuous dosing).

As example for this technique that water treatment facilities use when they inject sufficient chlorine to provide a residual throughout the distribution system.

  • The second tactic is to periodically sanitize. If for some aim the process protocol not allows the use of continuous chlorination, then periodic sanitization will be essential.

Chemical Sanitization:

Chemical biocides can be divided into two main groups:

  1. Oxidizing: contain chlorine, chlorine dioxide, and ozone.
  2. Non-oxidizing: contain Quaternary ammonium compounds, formaldehyde, and anionic and nonionic surface-active agents.

This table provides some general information about biocides. The table includes recommended contact times for various concentrations, as well as factors to consider when choosing a biocide to use with automated watering systems. Note that some biocides are not recommended for use with automated watering systems at all.

Chlorine

The most common sanitizing agent is chlorine. Chlorine is the cheapest, most readily available, and is effective and easy to handle. Even though ozone and chlorine dioxide are also effective biocides, there is little understanding using these chemicals to sanitize automated water systems. The effectiveness of a sanitizing chemical depending on both concentration and contact time.

Typical sanitization of an automated water system is accomplished using 20 ppm chlorine for 30–60 minutes. Higher concentrations or longer soak times will increase effectiveness; however, do not use a sanitizing solution with a chlorine concentration higher than 50 ppm. Repeated sanitization at higher concentrations can cause corrosion of stainless steel wetted components in an automated watering system.

Thermal Sanitization using Hot Water

Heated water may be used to sanitize a system if it is held in the range above 70°C (158°F). The practical characteristics of handling water at this temperature (the materials of construction and the energy used).

Sanitization Frequency

Sanitization does not kill 100% of bacteria in a watering system, the remaining bacteria can re grow in the system. This means that the components of a water system will need to be re sanitized periodically.

The frequency for your particular system will depend on its design, the frequency of both flushes and filter changes, the supply water quality, and the bacterial quality you are trying to maintain. To determine the sanitization frequency, establish a regular schedule for drawing samples and monitoring the total bacteria count levels. Increase or decrease the frequency of sanitization based on the measured bacterial quality. To destroy an established biofilm, (for example: a watering system that has been in operation for some time and has never been sanitized) repetitive sanitizing cycles are usually required.

The initial chlorine contact may only kill the top sheet of biofilm. Chlorine will also destroy the glycocalyx or slime which is the “glue” that holds biofilm bacteria composed and to the pipe wall, this weakens the biofilm structure. For that reason, it is a great idea to follow chlorine exposure with a high-flow flush. Fresh chlorine is then injected again to the piping to kill the next bacterial layer. This chlorine sanitization/flush cycle may need to be repeated more than a few times on successive days till the gathered biofilm has been removed. For a well-established biofilm, 3-10 cycles may be need.

Sanitization of an Automated Watering System

All the components in an automated watering system should be sanitized at regular intervals. This section describes how to sanitize these components.

RO Units

Continuous chlorination for feed water:

 For reverse osmosis (RO) systems using cellulose acetate membranes, continuous chlorine pretreatment is used to prevent bacteria growth in the RO machine. Chlorine injection is adjusted to provide 0.5 – 2.0 ppm of free chlorine in the feed water and a minimum of 0.3 ppm free chlorine.

Clean-in-place cycle for RO unit:

Regular cleaning of the RO machine is essential because contaminants can precipitate or scale on membrane surfaces, reducing flow rate and quality of the product water. On most of the RO machines, cleaning is done automatically on a periodic basis. Low pH cleaners (Such as citric acid) are used to remove precipitated salts and metals, and alkaline (Such as NaOH) or neutral cleaners are used to remove dirt, silt, and organic foulants.

RO membranes can also become fouled with microorganisms. To minimize biofouling, it is best if the RO machine can operate continuously, or as many hours a day as possible, to minimize stagnant downtime. If a microbiological cleaner is needed, follow the membrane manufacturer’s recommendations.

References:

Joymalya bhattacharya, Sanitization of automated watering system, Generation of pharmaceutical water. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2013. — 134 pages, ISBN: 1492393495.

تطهير المياه بالاشعة فوق البنفسجية

مقدمة

التطهير هو التدمير والقتل النوعي المنتخب للكائنات المسببة للامراض , مما يعني ليس كل الكائنات الحية  تموت وتدمر خلال هذه العملية , بينما يعرف التعقيم بانه قتل وتدمير لكل الكائنات الحية الدقيقة  الموجودة الممرضة وغير الممرضة .

لا تسمح عملية ترويب المواد العالقة مع عمليات الترسيب والترشيح اللاحقة، وكذلك عملية الكلورة المسبقة للمياه بالحصول على إزالة كاملة للبكتريا الضارة، حيث تحافظ حتى 10% من البكتريا والفيروسات على حياتها بعد العمليات السابقة. وكذلك لا تسمح عمليات المعالجة المختلفة لمياه الصرف الصحي بالقضاء نهائياً على الأحياء الممرضة في هذه المياه. لذلك تعتبر عملية التطهير هي العملية النهائية اللازمة لتحضير مياه الشرب وكذلك لمعالجة مياه الصرف الصحي قبل طرحها إلى المجتمعات المائية الطبيعية أو استخدامها للأغراض المختلفة.

في مجال معالجة المياه والمخلفات السائلة فهناك ثلاث مجموعات رئيسية مسببة للمرض مصدرها داخل الحيوان والانسان  ((Human enteric Organisms  وهي  البكتريا والفيروسات والطفيليات الاميبية

والمواد المستخدمة في التطهير وهي ما تعرف بالمطهرات لابد ان تكون – امنة في النقل والتداول والتطبيق –  وتركيزها في المياه المعالجة يمكن قياسه وتقديره  والا تكون هي مصدرا لتلوث البيئة .

ولمعرفة أهمية التطهير لابد من معرفة أهم الكائنات الدقيقة الممرضة  التي تتواجد في مياه الصرف المعالجة والامراض التي تسببها للانسان والحيوان.

خصائص المواد المستخدمة في التطهير

لكي تتم عملية التطهير بنجاح لابد ان تتوفر في المواد المطهرة خصائص معينة  وأهم الخصائص المطلوب توافرها الاتية :

  1. السمية للكائنات الدقيقة الممرضة فلابد ان يكون شديد السمية عند التركيزات الضعيفة , بحيث ان كميات او تركيزات قليلة من المادة المطهرة تكفي للقضاء علي الكائنات الدقيقة الممرضة الموجودة في المكان المراد تطهيره .
  2. الذوبانية لابد ان يذوب في المياه أو في انسجة خلايا الكائنات الممرضة.
  3. الثبات فقدان قدرته علي الابادة مع الوقت قليل , اي تستمر قدرته التطهيرية مدة مناسبة تكفي للقضاء علي الممرضات المطلوب التخلص منها .
  4. غير سام للكائنات العليا لابد ان يكون ساما للكائنات الدقيقة وغير سام للكائنات العليا فمثلا عند تطهير ماء الشرب لابد ان تكون مادة التطهير غير سامة للانسان الذي سوف يشرب ذلك الماء .
  5. التجانس اذا كانت المادة المطهرة سوف تستخدم في صورة سائلة فلابد ان يكون المحلول المطهر متجانسا.
  6. التفاعل مع المواد الجانبية لابد ان لا يمتص من المواد العضوية دون الخلايا البكتيرية أو الفيروسية .
  7. السمية عند درجة الحرارة المطلوبة لابد ان يكون فعالا عند درجة لحرارة المناسبة
  8. القدرة علي الاختراق له القدرة علي اختراق سطح المياه وله القدرة الي الوصول بسهوله  للهدف المراد تطهيره.

تطهير مصادر المياه

تطهير مصادر المياه المستخدمة لاغراض الشرب والاستعمال اليومي من اهم الوسائل التطبيقية لمكافحة التلوث البيولوجي للمياه وخاصة التلوث بالكائنات الحية الدقيقة الممرضة .كما ان التطهير من الوسائل الفعالة لمنع انتشار الاوبئة والامراض المنتقلة بالماء .فاستخدام العوامل المطهرة من شانه ان يحد من نمو وتكاثر الكائنات الممرضة داخل البيئة المائية التي تتمثل في مياه المسطحات المائية المختلفة وخاصة التي تعد موردا لمياه الشرب أو التي تعد مصبا نهائيا لمياه الصرف المعالجة والمطهرة جيدا . وعملية القضاء علي الكائنات الممرضة التي توجد في الماء الملوث هو الهدف من عملية التطهير بالاضافة الي توفير الظروف المناسبة لعدم نمو اية ميكروبات داخل مياه الشرب أو اية مياه يستخدمها الانسان من اولويات مكافحة التلوث البيولوجي للماء  .

التطهير بالاشعة فوق البنفسجية

الأشعة فوق البنفسجية هي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي. وتتميز بأطوال موجات أقصر من موجات الضوء المرئي ولكن أطول من الأشعة السينية , توجد هذه الأشعة في ضوء الشمس وطول موجتها تتراوح ما بين 100-400 نانومتر تصل إلى سطح الأرض أقصرمن ذلك لترشيحها وامتصاصها في طبقة الأوزون في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي . والضوء فوق البنفسجي الواصل إلى سطح الأرض ذات تأثير قاتل للبكتيريا ولذلك فإن ضوء الشمس يلعب دوراً مهماً في القضاء على الميكروبات في البيئة ، وعلى كل فإن الأمواج الأقصــــر في الطيف فوق البنفسجي أكثر فاعلية في قتل العناصر البكتيرية . والجزء الأكثر فاعلية في الطيف هو الذي يقع بين 200-300 وأكثره أيضاً هو 250-265 نانومتر.

إن التطهير الفوق بنفسجي للمياه هو عبارة عن عملية طبيعية تماما وخالية من المواد الكيميائية.

يتراوح طول موجات الشعاع فوق البنفسجي ضمن نطاق 240 حتى 280 نانومترا، حيث يقوم بمهاجمة الحمض النووي الحيويDNA ,RNA  لجميع الكائنات الممرضة كالبكتريا والفيروسات والطفيليات بشكل مباشر. يبدأ الإشعاع برد فعل كيميائي ضوئي يؤدي إلى تدمير المعلومات الجينية الموجودة في الحمض النووي ويمنع تضاعفه , فتعمل الاشعة علي احداث تغيير في الحمض النووي للبكتيريا خاصة في القواعد النتروجينية  في عملية تسمي Thymine dimerization. . حيث تفقد البكتيريا قدرتها على التكاثر وتتلف وتموت . حتى أن الطفيليات مثل Cryptosporidium أو  Giardia، المقاومة بشكل عنيف للمطهرات الكيميائية، تقل بشكل فاعل نتيجة التعرض لهذا  الإشعاع.

 

كيفية اتلاف الاشعة فوق البنفسجية للحمض النووي

تتداخل الاشعة في عملية تضاعف الحمض النووي  حيث تؤثر في عملية ترتيب القواعد النتروجينية فتغير من هذا الترتيب فلا يحدث تضاعف للحمض النووي بصورة صحيحة وتموت الخلية . اثناء نسخ الحمض  النووي تقوم الاشعة باحداث تلف كيموضوئي  وئتكوين روابط جديدة  (ثنائية)بين النيوكليتيدات المتجاورة مكونة جزيئات مزدوجة أو بوليمرات ثنائية الربط بين النيوكليتيدات المتجاورة خاصة الثايمين , ويؤدي تكون الكثير من البوليمرات الثنائية للثايمين في الحمض النووي للبكتريا أو الفيروسات الي منع تضاعف الخلايا ويؤدي لموتها.

كما يمكن استخدام الأشعة فوق البنفسجية لإزالة الكلور وأنواع الكلورامينات من المياه، حيث تسمى هذه العملية بالتحليل الضوئي وتتطلب جرعة أعلى من التطهير العادي. إن الكائنات المجهرية التي تم تطهيرها لا يتم إزالتها من المياه، فتطهير الأشعة فوق البنفسجية لا يزيل العضويات المتحللة أو المركبات اللاعضوية أو الجزيئات في المياه. ومع ذلك، فيمكن استخدام عمليات ألاكسدة بالأشعة فوق البنفسجية للتطهير عن طريق الأثر الكيميائي وفي الوقت ذاته تؤمن مستوى عال من التطهير.

 

المراجع

  • التلوث البيولوجي للبيئة المائية , احمد احمد السروي , مكتبة الدار العلمية – القاهرة 2010.
  • الملوثات المائية (المصدر – التأثير- التحكم والعلاج) , احمد السروي , دار الكتب العلمية 2008.
  •   HARM, W., 1980, Biological Effects of Ultraviolet Radiation, International Union of Pure and Applied Biophysics, Biophysics series, Cambridge University

بقلم

أحمد أحمد السروي

استشاري جودة المختبرات والدراسات البيئية

البريد الاليكتروني    aelserwy71@yahoo.com