Infobank - Industriell vattenrening

Avjoniserat vatten används inom ett stort antal områden, från rengöring av laboratorieutrustning till sköljning och rengöring i mikrotillverkningsprocesser. Problemet med avjonisering är att det inte går att använda traditionella desinficeringsmedel eftersom det äventyrar vattenkvaliteten. Ozonbehandling erbjuder en lösning på det här problemet.

Ozonbehandling av avjoniserat vatten sker när joniseringssystemet saneras. Ozon löses i det avjoniserade vattnet och renar systemet på bakterier inom några timmar.

Det kan tvättas bort från systemet nästan lika snabbt. Användning av ozon innebär att nivån för bakteriebärande partiklar (CFU, colony-forming units) minskar och att nivån för TOC (Total Organic Compounds) kan kontrolleras. Det innebär också att det avjoniserade vattnet kan användas mer än en gång, vilket ger både ekonomiska och miljömässiga fördelar.

Inom bland annat massa- och pappersindustrin har blekning traditionellt åstadkommits med hjälp av klorbaserade ämnen. Användningen av dessa ämnen har dock börjat omfattas av strängare riktlinjer och därför används alternativa lösningar.

Ozon är ett kraftfullt oxidationsmedel också vid låga temperaturer, vilket innebär att det har en snabb reaktionstid och effektiva blekningsegenskaper. Detta gör det möjligt att eliminera den akuta toxiciteten och klorfenoler, vilket ökar den biologiska nedbrytbarheten hos utflödesvattnet. Resultatet av denna procedur är dubbelt,

där den första delen handlar om att miljön förbättras och därmed blir det också lättare att följa lagstiftningens krav. Den andra delen handlar om att ozonbehandling gör att vattenkvaliteten kan nå en så hög nivå att det blir möjligt att återvinna och återanvända vattnet. På så sätt minskar den totala vattenförbrukningen i processen och behandlingen blir ekonomiskt och miljömässigt bättre.

COD, kort för ”Chemical Oxygen Demand”, är ett mått på vattenkvalitet som mäter mängden kemiskt oxiderbart material i vattnet. Med COD mäts med andra ord syrebehovet i vattnet vid total oxidation av vatteninnehållet och ger därför en god indikation på t ex mängden organiskt material som vattnet innehåller. Det är därför ett effektivt verktyg för att skapa sig en bild av miljöpåverkan vid ev. utsläpp av exempelvis avloppsvatten i miljön. BOD, kort för ”Biological Oxygen Demand”, mäter också syrebehovet i vattnet men baserar syrebehovet på den mängd syre som förbrukas då mikroorganismer står för oxidationsprocessen (istället för ett kemiskt oxidationsmedel som i fallet med COD-måttet). BOD-värdet på ett typiskt vatten är vanligtvis lägre än COD-värdet beroende på att allt COD ofta inte är helt biologiskt oxiderbart. Typiska COD-värden för industriella avloppsvatten varierar från 200 – 40 000 mg/L. Typiska COD-värden för kommunalt avloppsvatten ligger på ca 100 – 450 mg/L. I figuren nedan visas en enkel kategorisering av vatten utifrån COD-begreppet och även i vilken utsträckning ozon kan användas för att behandla vattnet.

Vissa industriella avloppsvatten innehåller särskilt höga halter på uppemot 1000 ppm (COD). Exempel på sådana industrier är t.ex. bryggerier, mejerier, gruvindustri, och pappersmassaindustri. Enligt figuren ovan kan COD vidare delas in i biologiskt nedbrytbart och biologiskt icke-nedbrytbart COD. Se kommande avsnitt för en mer detaljerad beskrivning.

Biologiskt icke-nedbrytbart COD

Denna typ av COD kan av olika anledningar inte brytas ned biologiskt och släpps därför igenom. Några exempel är kemiskt stabila bekämpningsmedel, industriella processkemikalier (som halogenerade organiska ämnen) och hormoner. Tabellen nedan visar ozonbehovet för några typiska ämnen av denna typ.

Ämne	BOD5/COD ratio	COD:O3 ratio
Läkemedel	0.1	6:1 to 3:1
Motståndskraftiga organiska ämnen	0.2	5:2 to 2:1
Aldehyder	0.3	7:1 to 4:1
Aminer	0.5	4:1 to 3:1

Ju lägre BOD/COD-kvoten är, desto mindre biologiskt nedbrytbar är kemikalien.

Biologiskt nedbrytbart COD

Denna typ av COD kan vidare delas in i biologiskt lättnedbrytbara ämnen och biologiskt svårnedbrytbart COD. Den svårnedbrytbara kategorin består typiskt sett av svårlösliga partiklar, kolloider eller mer komplexa strukturer (t ex polymera material). I tabellen nedan visas ozonbehovet för några typiska ämnen av denna typ.

Ämne	BOD5/COD ratio	COD:O3 ratio
Fettsyror	0.4	2:3
Näringsämnen	0.6	7:1
Proteiner	0.7	6:2
Alkoholer	0.9	5:3
Sockerarter	0.7	4:2

I tabellen nedan visas även typiska COD- och BOD5-värden för denna typ av ämnen.

Typ av måt på syrebehov (mg/L)	Kommunalt avloppsvatten	Livsmedelsindustri	Kemisk- och läkemedelsindustri
BOD5	200-300	450-1100	250-1000
COD	450-700	1450-2200	2000-18750

Ozon

Ozon är ett kraftfullt oxidationsmedel som är lättlösligt i vatten. Det ger möjligheten att bryta ned/oxidera/deaktivera potentiellt farliga kemiska ämnen utan att addera mer till vattnet än syreatomer som tagits direkt från luften vi andas. Eventuella återstående mängder ozon som inte konsumeras under behandlingen återgår till syrgas, naturligt eller genom en katalyserad process. Mer detaljerad information kan läsas på följande sida. I följande avsnitt beskrivs några av alla de möjligheter som man kan dra nytta av med ozonbaserade behandlingsmetoder för att behandla organiska ämnen i olika typer av avloppsvatten.

Avancerade oxidationsprocesser (AOP) med ozon

AOP-processer använder sig av mycket reaktiva kortlivade ämnen kallade radikaler för att bryta ned särskilt svårnedbrytbara ämnen. Dessa radikaler är starkare oxidationsmedel än t ex ozon och reaktionshastigheten är ca en miljon gånger snabbare. Detta leder till snabbare reaktionstider, kortare processer och i slutändan mer kompakt processutrustning och effektivare nedbrytningsprocesser. AOP kan även användas för att nå total oxidation då renhetskravet är särskilt högt. En kemisk beskrivning av reaktionsmekanismen för några typer av AOP:er visas i tabellen nedan.

Järnoxid	Fe2+ + O3 + H2O -> (FeO)2+ + O2 + OH– + H+
Väteperoxid	O3 + H2O2 + H2O -> 2O2 + H2O + OH– + H+
Ultraviolett strålning	O3 + H2O -> O2 + H2O2 2O3 + H2O2 -> 2OH + 3O2

Andra AOP-metoder inkluderar t.ex. en kombination av titandioxid och UV för att skapa hydroxylradikaler.

I figuren nedan visas resultat från försök i Ozonetechs pilotprocess med och utan AOP för behandling av ett industriellt avloppsvatten.

En ozonbaserad AOP-behandling är fördelaktig i situationer där enbart ozonbehandling inte uppnår total oxidation av föroreningen i fråga. I dessa fall kan AOP-behandling användas för nedbrytning av även de mest motståndskraftiga kemikalier. Detta visas tydligt i exemplet i figuren ovan.

Ozonetech har stor erfarenhet av rening av komplexa typer av avloppsströmmar från bl.a. kemisk processindustri, läkemedelsindustri, och livsmedelsindustri. Vi erbjuder även pilotprojekt för att skräddarsy reningsprocesser för fullskaliga reningssystem. Mer information om uppskalning och pilotprojekt kan läsas här.

I hela process- och livsmedelsindustrin, inklusive bryggerier, mejerier och läkemedelsindustrin, förbrukas stora mängder vatten, energi och kemikalier för att bebehålla hygienisk och ren miljö, framför allt i sluten processutrustning. Utrustning såsom tankar, rör, ventiler och värmeväxlare behöver hållas fria från mikroorganismer, biofilm, avlagringar och kemiska restprodukter för att kvalitetssäkra produktionen. Oaktsam rengöring och sanering kan leda till följande:

• Förstörd slutprodukt – stora volymer kan behöva slängas
• Låg verkningsgrad på värmeväxlare – ökade driftkostnader
• Hög grad av underhåll
• Ökat behov av kemikalier, vatten och energi

Clean-in-Place

Grundläggande CIP

Clean-in-Place (CIP) är en av de vanligaste enhetsoperationer inom den industriella sektorn och är viktig för att bibehålla ren processutrustning och oförstörd produkt. Idag är dessa processer till stor del automatiserade med centrala CIP-stationer som används för en hel anläggnings rengörings och desinfektionsbehov. Systemen möjliggör rengörings- och seneringscyklar i sluten utrustning som annars är oåtkomliga genom manuell rengöring. En typisk CIP-cykel består av följande steg:

Typical CIP phases in process equipment cleaning and sanitation.

Fas i CIP-cykel	Syfte	Medel	Utmaningar
1. Förskölj	Ta bort den största delen av organiskt material från föregående produktion.	Vatten.	Vattenförbrukning och belastning på avlopp.
2. Lutrengöring eller syra	Tar bort och rengör material som fastnat på ytor i processutrustningen. Syra kan även ta bort oorganiskt material för and undvika avlagringar. Detta tar bort grogrunden för oönskade mikroorganismer och biofilm.	Natrium- eller kaliumhydroxid. Olika typer av syror såsom fosforsyra.	Kemikaliehantering, förbrukningskostnader.
3. Sköljning	Sköljer bort lut och/eller syra från föregående rengöringssteg.	Vatten.	Vattenförbrukning och belastning på avlopp.
4. Sanering & desinfektion	Säkerställ att inga mikroorganismer (bakterier, alger, virus) finns kvar i systemet. Enbart ett fåtal bakterier kan orsaka förstörd produkt i påföljande produktion genom snabb tillväxt.	Klorbaserade desinfektionsmedel, perättiksyra, hetvatten, ånga, jodoforer.	Att mäta och uppnå komplett sanering. Kostnader för kemikalier. Tidskrävande.
5. Slutskölj	Sköljning av resterande kemikalier. Behövs inte om hetvatten används.	Vatten.	Vattenförbrukning, energiförbrukning vid hetvatten, tidskrävande.

Ozon-CIP

Ozonteknik erbjuder ett ny typ av saneringsprocess som förbättrar och minskar många av de utmaningar som nämns i tabellen ovan. Detta inkluderar lägre vattenförbrukning, kemikalier och dess hantering samt energiförbrukning. Ozon eliminerar användandet av desinfektionskemikalier och hetvatten. Det lämnar inga restprodukter vilket innebär att slutskölj kan uteslutas från CIP-processen. Det är även möjligt att skölja med ozon i CIP-steg nr 3 (tabell ovan) vilket innebär att en 5-stegs CIP kan reduceras till tre (3) eller fyra(4) steg. De övergripande möjligheterna med att använda ozon för att sanera processutrustning illustreras i figurerna nedan.

Hetvattensanering är även mycket vanligt inom många industrier där kemikalier undviks på grund av dess restprodukter eller för att hetta upp hela processutrustningen massa. I många fall kan ozon ersätta även hetvattendesinfektion vilket spar stora mängder energi och kostnader. Detta koncept illustreras nedan.

Ozon produceras in-situ (det vill säga på plats) och vid behov. Detta är en av de viktigaste egenskaperna vid ozonanvändning jämfört med traditionell kemikalie- eller hetvattendesinfektion. Ozon produceras kontinuerligt över saneringscykeln och regleras mot ett riktvärde. Ett exempel på hur ozonproduktionen går till visas i figuren nedan. Det gröna bandet representerar ozonkoncentrationen i processutrustningen som saneras. Sanering kan uppnås inom några minuter tack vare ozonets starka desinficerande egenskaper och vid mycket låga koncentrationer. Beroende på vilka mikroorganismer som ska inaktiveras kan komplett desinfektion på 3 log-nivå uppnås inom 5-15 minuter vid 0,5-1 ppm då erforderliga CT-värden är 10-1000 gånger lägre jämfört med kemikalier och hetvatten.

Clean-out-of-Place (COP)

Medan CIP avser desinfektion i sluten processutrustning innebär COP desinfektion av öppna ytor såsom transportband, rör och golv. I traditionella metoder används desinfektionsmedel med skummande egenskaper för att avgöra om ytor har sanerats eller inte. Saneringen sker ofta för hand. Ozon kan användas även för dessa ändamål genom att använda ozonerat vatten i exempelvis en buffertank. Även denna ozonproduktion sker vid behov vilket eliminerar hantering av kemikalier.

Behandling av biofilm

Tack vare ozonets starka desinficerande egenskaper kan existerande biofilm behandlas med ozonteknik. I många fall kan det kräva en längre saneringsperiod under vilken ozonet bryter ner de lager av mikroorganismer som fått fäste vid en yta i processutrustningen. Dessa ytor kan uppstå om rengöring eller sanering inte varit tillräckligt under produktion. I dessa fall är ozon et utmärkt alternativ till behandling men även långsiktigt förebyggande av biofilm. Slutna vattensystem och kylsystem är typiska exempel där biofilm är vanligt förekommande i form av bakterier eller alger.

Kyltorn och slutna vattenkretsar

Dessa typer av applikationer skiljer sig något från rengöring av processutrustning via CIP. I dessa system circkulerar stora mängder vätska under långa hydraliska uppehållstider. En mycket låg ozonkoncentration, under 0.2 ppm, förebygger effektivt tillväxt av bakterier och andra mikrober som kan ge uphov till legionellautbrott eller biofilm.

Applicerbara branscher

Ozonsanering är speciellt värdefullt för rengörings- och saneringsintensiva branscher som bryggerier, mejerier, off-shore och övrig livsmedelsproduktion. Vad kan Ozonetech göra för er. Besök våra branschsidor för att lära dig mer om våra tjänster och system.

Användning av ozon vid behandling av dricksvatten är inte någon ny teknik. Man beräknar att ozon idag används i drygt 3 000 kommunala dricksvattenanläggningar runt om i världen. Behandlingen erbjuder en rad fördelar jämfört med den traditionella användningen av klor, framför allt när det gäller att förbättra smak, lukt och utseende. Kopplat till detta är förmågan att döda bakterier och avaktivera virus på ett effektivare sätt än något kemiskt ämne.

Ozon minskar också mängden tungmetaller som finns i dricksvattnet, t.ex. järn och mangan, till säkrare nivåer genom oxidation. Allt detta sker inom en process som är miljövänlig och vars främsta biprodukt är syre. Ozonbehandling motverkar riskerna med bildande av trihalometan, vilket innebär att det är en säkrare metod som också förbättrar kvaliteten.

Flasksköljning var en av de första användingsområdena med ozon inom industrin. Det var en attraktiv lösning istället för kemikalier och pastörisering. Idag är det ofta en integrerad del av hela tappmaskinen.

Flaskskölj med ozon

I de fall där icke sterilizerade flaskor används för att fylla öl, läsk eller vatten behöver flaskans inre ytor saneras före fyllningsprocessen. Det är särskilt viktigt för returglasflaskor att saneras noggrannt innan de fylls med ny produkt då de inte kommer steriliserade från leverantören.

Ozon mot kemikalier

Trots att kemikalier som perättiksyra och hypoklorit, vanliga desinfektionsmedel inom bryggerinäringen, lämnar restprodukter efter sig används de fortfarande av många anläggningar. De kemiska restprodukterna kan lämna ofördelaktiga smaker efter sig. Även om restprodukterna sköljs kan oönskade partiklar och mikroorganismer introduceras i sköljvattnet. Ozon kan förebygga dessa potentiella problem.

Ozon är det mest effektiva desinfektionsmedlet som finns tillgängligt för industriell användning. Vid låga koncentrationer (cirka 1 ppm) desinficeras flaskor och burkar på några sekunder. Det lämnar inga kemiska rester vilket innebär minskar riskerna för dålig kvalitet och kort hållbarhet. Läs mer om ozon som desinfektionsmedel på vår dedikerade Desinfektionssida för vatten.

Ozon mot pastörisering

I många fall pastöriseras både flaska (eller burk) och produkt efter fyllning genom att hetta upp till 100 grader C under flertalet minuter. Detta säkerställer att oönskade former av mikrorgansimer som bakterier avdödas, vilka är de största orsakerna bakom förstörd produkt. Trots att hetta är ett effektivt sätt att förlänga hållbarhet kan det förstöra unika aromer och smaker. Vår ozonteknik erbjuder ett alternativt sätt att preservera produkten och samtidigt bevara produktkvalitet och smaker – utan att använda kemikalier eller pastörisering. Eftersom ozon appliceras kallt är det en kostnadsbesparande teknik tack vare att pastöriseringsenergi kan undvikas.

Desinficering av tappmaskiner

Precis som annan processutrustning som fermentationstankar, rör och ventiler, är ozon en effektiv metod för att sanera själva tappmaskinen. Besök vår sida om CIP & Processutrustning för att läsa mer!

Ozonbehandling av vatten i dryckesindustrin har haft en viktig roll ända sedan 1970-talet då flaskvattenbranschen föddes. Utmaningarna i industrin var i produktionen, steril hantering and lagring av stora vattenmängder där tillväxt av bakterier och andra mikroorganismer kan föröka sig explotionsartat. Smak, lukt and konsumentens hälsa kan påverkas utan noggrann desinfektion. Amerikanska FDA godkännde officiellt ozon som säkert i vattendesinfektionsapplikationer och under GMP (Good Manufacturing Practice) för upp till 0.4 ppm koncentration av ozon i vattenfas. Sedan dess har flera statliga myndigheter godkännt ozon som en nyckelkomponent in flaskvattenapplikationer, exempelvis WHO. Ozon är säkert att använda i flaskvattenindustrin enligt lInternational Bottle Water Association (IBWA) utan att lämna några bieffekter.

Ozonbehandling i flaskvattenprocesserna

Figuren nedan visar de övergripande enhetsoperationerna i tillverkning av vatten på flaska och vanliga ozonapplikationer.

Ozonrening i förbehandling

Ozon kan användas i förbehandlingsprocesser för att eliminera järn, mangan, färg, bakterier, smak och lukt. Förozonering reducerar utvecklingen av biofilm som kvalitetssäkrar vattnet samt minskar underhållskostnaderna nedström i processen. I många fall används ozon tillsammans med annan teknik men är alltid en grundläggande del av reningprocessen. Ozon används som ersättning av klorbaserade desinfektionsmedel i förbehandlingen.

Desinfektion med ozon

Ozon är ett exeptionellt kemikaliefritt desinfektionsmedel och en kraftfull oxidant. Mer information om mekanismerna kring ozondesinfektion finns på denna sida. Under ozonering av flaskvatten, regleras noggrannt ozonnivåerna för en specifik kontakttid, vilket sanerar vattnet innan fyllningsprocessen. Typisk koncentration är cirka 0,2-0,5 ppm för en kontaktid på cirka 5-20 minuter, beroende på övrig vattenkvalitet och temperatur. Våra ozonsystem når snabbt rätt nivåer av inlöst ozon och oxidationspotential tack vare vårt inbyggda styr- och reglersystem som är en del av våra RENA Vivo-system. Under ozonering skapas en ogästvänlig miljö för mikroorganismer att växa i, såsom parasiter, Cryptosporidium och Guardia cysts. Förutom detta uppnås en slutgiltig kvalitetssäkring av vattnet helt fritt från oänskad lukt och smak inför fyllningssteget.

Ozon jämfört med kemisk desinfektion

Trots att ozon är en vanlig teknik för vattenbehandling innan fyllningslinjerna använder vissa anläggningar fortfarande kemikalier såsom hypoklorit (NaClO) för att hålla vattnet mikrobfritt. Tabellen nedan sammanfattar skillnaden mellan dessa två metoder.

Egenskaper	Ozon	Hypoklorit och andra kemikalier
Desinfektionskapacitet (CT, mg/L.min)	0.05-1	0.1-10
Typisk applicerad koncentration (ppm)	0.1-0.3	0.3-0.6
Restprodukter	Inga	Ja, kräver eliminering med UV eller filter
Biprodukter	Inga	Kan generera cancerogena klorerade biprodukter vid högre halter organiskt material
pH-reglering	Krävs ej	Bör regleras till cirka 6,5-7 för att bibehålla bästa desinkfetionskapacitet
Mekanisk utrustning	RENA Vivo ozone system	Doseringspump, kemikaliertank, övrig utrustning för pH och andra sensorer
Förbrukning	1-2 kW	Kemikalier, el för makanisk utrustning, syra för pH-reglering

Kyltorn har länge använts som kylapplikation pga. en hög verkningsgrad och kostnadseffektivitet. Användandet av vatten som kylmedel kan dock leda till problem allteftersom halten föroreningar i vattnet ökar. Detta leder bland annat till förkalkning, korrosion, uppbyggnad av biofilm, samt tillväxt av patogener som t.ex. Legionella. Dessa problem leder till ökade kostnader pga. minskad verkningsgrad, förslitning av utrustningen, samt hälso- och miljörisker.

Traditionellt sett har man använt sig av olika sammansättningar av kemikalier för att behandla vattnet och motverka ovan nämnda problem. Det handlar dels om att deaktivera biologisk tillväxt och dels att minska förkalkning- och korrosionsproblem. Ozon har emellertid visats kunna utgöra ett slagkraftigt alternativ med både ekonomiska och effektivitetsvinster som följd.

Det ozonbehandling tillför processen är att lösa det ursprungliga problemet och avsevärt minska de sekundära kostnaderna och problemen. Ozon är en kraftfull biocid, som dödar virus och eliminerar bakterier samt har visat sig ha en positiv effekt på avlagringar. Det minskar också mängden och kostnaden av vatten som blöds ut avsevärt tack vare ozonets specifika egenskaper. Till detta tillkommer den besparing som beror att man inte har något behov av att hantera kemiska ämnen då ozonet produceras på plats. Detta gör det betydligt enklare att följa lagstiftningens krav.

Nya fördelar och möjligheter med ozontekniken upptäcks hela tiden och huvudfördelarna ligger i besparingar av vatten, kemikalier, energibesparingar, samt ökad miljövänlighet.

Varför ozonbehandling?

Genom att implementera ozonteknik i kyltorn kan följande positiva effekter uppnås:

• Ökad verkningsgrad i kylprocessen (vilket minskar energikonsumtionen)
• Minskade utsläpp av kylmedia (vilket minskar utsläppskostnader samt kostnader för komplementvatten)
• Minskade underhållskostnader till följd av kontaminering av systemet. Dessutom är kostnaderna för ozonsystemets kontinuerliga underhållsarbete låga.
• Obetydlig uppbyggnad av kemikalier (som desinfektionsmedel och dess biprodukter)
• Mycket effektiv desinfektion
• Ingen hantering av hälsovådliga kemikalier
• Låg korrosion
• Miljövänlig behandling, vilket underlättar efterlevnad av regler gällande miljöpåverkan

Nedan visas även några konkreta fördelar med ozoneringsteknik för anläggningar med eget reningsverk:

• Minskad energianvändning för pumpning av komplementvatten till kyltornet.
• Minskad energianvändning för pumpning av avtappningsvatten till reningsverket.
• Minskad energianvändning för pumpning av vatten från reningsverket.
• Minskade utsläppskostnader för avtappningsvatten
• Minskade kostnader för kemikalier, filtrering, samt underhåll.

En annan stor fördel med ozonbehandling är det faktum att det inte sker någon uppbyggnad av desinfektionsmedel eller dess biprodukter. Detta är pga. ozonmolekylens korta halveringstid och att ozonet kontinuerligt återbildas till syrgas.

Potentialen med ozonbehandling

Ozon är ett mycket kraftfullt oxidationsmedel och produceras in-situ. Det möjliggör därför en reduktion eller elimination av användandet av miljö- och hälsovådliga kemiska behandlingsmetoder. Det underlättar även efterlevnad av lagstiftning gällande hälsa- och miljöskydd.

Ozonbehandling kan öka kyltornets verkningsgrad avsevärt genom att möjliggöra drift vid högre koncentrationscykler vilket även ger driftkostnadsbesparingar, energibesparingar, samt minskade utsläpp (se ”Fallstudie” nedan).

Följande citat är hämtat från en utredning genomförd av U.S. Department of Energy:

In a properly installed and operating system, bacterial counts are reduced, with subsequent minimization of biofilm buildup on heat exchanger surfaces. The reduction in energy demand, the increased operating efficiency, and the reduced maintenance effort provide cost savings as well as environmental benefits and improved regulatory compliance with respect to discharge of wastewater from blowdown.

Ozonets verkan

Ozon deaktiverar och dödar mikroorganismer på ett effektivt sätt genom att oxidera deras organiska beståndsdelar och bryta ned cellväggar. Det är därför en desinfektionsmetod som mikroberna inte kan utveckla resistans mot till skillnad från vissa andra biocider. Exempelvis leder en koncentration på 0.4 mg/L till 100 % avdödning inom 2 – 3 minuter för Pseudomonas fluorescens vilken är en känd orsak till biofilmproblem. En koncentration på 0.1 mg/L avlägsnar ca 80 % av biofilmen inom 3 timmar.

Ozonbehandlingen motverkar även problem med förkalkning. Genom att avlägsna biofilm som annars accelererar kalkuppbyggnad kan förkalkningseffekter kraftigt reduceras.

Ozonmolekylen

Låga korrosionseffekter

Farhågor rörande korrosionsproblem är vanligt förekommande i samband med användandet av ozon. I själva verket blir korrosionseffekterna av ozon små (till och med hälften av korrosionseffekterna från kloranvändning). Dessutom minimeras korrosionseffekter som orsakas av biologisk tillväxt. Vidare har ozonbehandling en något pH-höjande effekt vilket ökar skyddet mot korrosion.

Fallstudie

Fallstudier har visat att typiska nyckelfärdiga ozonanläggningar för att behandla kyltorn med kapaciteter på 3.5 MW kostar mellan 300000 och 400000 kronor. En fallstudie gjord av U.S. Department of Energy 1994 vid en anläggning för Lockheed Martin i Florida visade en 90 % reduktion av avtappningsvatten och förhållande mellan besparing och investering på 31.2. Dessutom visade studien att korrosionseffekterna kunde halveras jämfört med klorbehandling. En jämförelse mellan de årliga kostnaderna för de olika behandlingsmetoderna visas nedan i tabellen.

Kostnadspost	Kemisk behandling	Ozonbehandling
Elektrisk driftkostnad	$0	$2,592
Kemikalier	$18,613	$0
Manuellt arbete	$9,360	$2,808
Hantering av avtappningsvatten	$45,360	$4,536
Klorgas	$6,120	$0
Elkostnad	$118,715	$47,479
Totalkostnad/år	$198,168	$57,415

Kostnadsjämförelse mellan traditionell kemisk behandling och ozonbehandling för Lockheed Martin studien

Viktiga parametrar vid ozonbehandling

Följande aspekter är viktiga att beakta när man utformar, installerar, och använder ozonteknik för behandling av kyltornsvatten:

• Förbehandling, avfuktning, och syrgaskoncentrering av matargas till ozongeneratorn. Detta ökar livslängden och kapaciteten på generatorn avsevärt.
• Lämplig dosering och capacitet på ozongeneratorn.
• Effektiv& stabil kylning till ozongeneratorn. Även detta ökar generatorns livslängd och kapacitet.
• Svårare implementering då höga COD/BOD-halter införs till kylmediet från komplementvatten och omgivande luften. Detta kan i vissa fall konsumera en stor del av ozonet.
• Då komplementvattnet har en hårdhet på över 150 ppm calcium kan ett filter behövas. Är hårdheten (CaCO₃) över 500 ppm eller sulfathalten över 100 ppm är ozonbehandling inte lämplig.
• Ozonbehandling är heller inte lämpligt vid vattentemperaturer över 45 ⁰C pga. den låga lösligheten av ozon vid högre temperaturer.
• Långa rörsystem. Pga. ozonets relativt korta halveringstid på ca 10 – 15 minuter kan ozonbehandling bli något mer komplicerad då kylmedievolymen överstiger ungefär 400 m³. Detta problem löses dock genom att tillföra ozon till flera punkter i systemet.

Skadeverkningar från förorenat kylvatten

Som redan nämnts ovan uppstår i huvudsak fyra problemtyper i kyltornsvattnet, nämligen korrosion, förkalkning, biofilm, och tillväxt av patogener.

Visuell beskrivning av skadeverkningar som kan uppkomma pga. korrosion och/eller förkalkning

Korrosion	Korrosion är ofta ett problem vid användning av vatten som media. Det kan till viss del kontrolleras men kan ej undvikas helt. Korrosionseffekter är särskilt problematiska när mjukt vatten används.
>Behandling	Korrosion är ett fenomen som är kontrollerbart men är omöjligt att undvika helt. Olika komplementvatten ger olika förutsättningar men mjukt vatten ger en särskilt korrosiv miljö.
Förkalkning	Förkalkning leder I huvudsak till två problem, dels strömningsblockering och dels kraftigt minskad värmetransport. Konduktiviteten är t.ex. 400 större för koppar än för kalciumkarbonat. Med andra ord, ett förkalkningslager på bara 0.025 mm tjocklek minskar värmeöverföringen i värmeväxlaren med ca 12.5 %.
>Behandling	Förkalkning kan behandlas med olika metoder. Kemikaliebehandling kan adsorbera eller ombilda förkalkningsbildande joner till andra ämnen. Man kan också minska pH-värdet eller späda kylvattenflödet med färskt vatten.
Biofilm	Biofilmer i värmeväxlaren har samma typ av negativa effekter som förkalkning men biofilmer har generellt sett ännu sämre konduktivitet än kalklager. Därför är det viktigt att behandla vattnet både med avseende på mineralinnehåll och mikroorganismer.
>Behandling	Oxiderande och icke- oxiderande biocider (se beskrivning nedan).
Patogener	Patogener i kylsystemet är ett vanligt problem vilket riskerar att orsaka infektioner i närheten av kyltornet. Patogener kan då färdas från kyltornet med det avdunstande vattnet. 2004 rapporterades ett fall i Pas-de-Calais i Frankrike där bakterier hittades så långt som 6 km från kyltornet som var källan. Bakterien dödade 21 av de 86 som kunde bekräftas smittade.
>Behandling	Oxiderande och icke- oxiderande biocider (se beskrivning nedan).

Antibakteriell behandling – biocider

Biocider (för behandling av både biofilm och patogener) har en viktig roll i kyltorn då det hela tiden utsätts för luft- och vattenburet organiskt material och mikroorganismer. Biocider kan delas in i två kategorier: oxiderande och icke-oxiderande.

Oxiderande biocider

Generellt sett kan oxiderande biocider anses vara effektiva desinfektionsmedel som oxiderar och därmed dödar mikrober vid relativt låga doser. Vanliga nackdelar med dessa ämnen är bl.a. att de ofta minskar pH, ökar korrosionseffekter, samt att dess effekt påverkas av pH-förändringar. Det visar sig för övrigt att ozon (som är en oxiderande biocid) inte följer mönstret när det gäller någon av dessa nackdelar.

Icke-oxiderande biocider

Icke-oxiderande biocider deaktiverar mikrober genom att utsätta dem för stress och störa deras metabolism. En fördel är att behandlingen kan riktas specifikt mot vissa organismer. I vissa fall kan dock mikroberna utveckla resistans mot denna typ av behandling vilket leder till att mer resistenta organismer tar över. Andra nackdelar är t.ex. att det krävs höga doser, lång desinfektionstid, samt högt pris.

Exempel på biocidtyper

I tabellen nedan visas några oxiderande och icke-oxiderande biocider som används eller har använts.

Oxiderande biocider	Icke-oxiderande biocider
Elektrolytisk brom Stabiliserad brom Hydantoin Klordioxid Hypoklorit Klorgas Brom Ozon	Hydroxymetyl nitro (Trisnitro) Metylen-bis(tiocyanat) Kvartenära ammoniumjoner Karbamater Isothiazolin Glutaraldehyd Dibromo nitrilo propionamid (DBNPA)

Hårdhet, förkalkning, och koncentrationscykler

Förkalkningsproblem uppkommer genom att mineralkoncentrationen av huvudsakligen calcium, magnesium, och karbonater ökar i kylvattnet. En del av förkalkningsprocessen kan beskrivas genom följande kemiska jämviktsreaktion:

Jämviktsreaktion

Genom jämviktsreaktioner som denna kan man se att högre mineralkoncentrationer leder till utfällning av exempelvis kalciumkarbonat vilket leder till förkalkningsproblem.

Förkalkning av rörsektion

En andra förkalkningsmekanism är genom uppbyggnad av kalkavlagringar på biofilm. Mikrokristaller adsorberas till biofilmen och bygger snabbt upp kalklager.

Koncentrationscykler

När mineralkoncentration ökar och överstiger lösligheten inträffar utfällning av mineralsalt vilket leder till kalkavlagringar. Detta regleras genom att blöda av en del av flödet samtidigt som man tillför komplementvatten. Samtidigt ökas lösligheten genom kemiska behandlingsmetoder.

Koncentrationscykler är ett begrepp som är ett relativt mått som jämför mineralkoncentrationen i kylsystemet relativt komplementvattnets koncentration. Till exempel, om koncentrationen i kylvattnet är fyra gånger högre än koncentrationen i komplementvattnet är koncentrationscyklerna fyra.

Tabellen nedan visar tydligt kostnadsfördelarna med drift vid höga koncentrationscykler. Något som också kan utläsas är att bara lägre cykler är möjliga då mineralhalten i komplementvattnet är högt.

Det finns omkring 100 000 registrerade kemikalier i Europeiska unionen (EU). Av dessa 100 000 är cirka 30 000 distribuerade i stora mängder om ca ett ton per år eller mer för mänsklig konsumtion. Under produktion, avfallshantering och efter vanlig användning, når en väsentlig del av dessa aktiva substanser (mikroföroreningar) oundvikligen vattenmiljön.
Läkemedel är en av de viktigaste klasserna av nya föroreningar i vattenreningsprocesser och har direkt påverkan på mänskligt välbefinnande och vattenlevande organismer. Källorna till läkemedelsutsläppen inkluderar bl.a. rester från djuruppfödning, sjukhus, fiskodlingar, samt kommunala och industriella avloppsutsläpp. Behandling av avloppsvatten har dessutom blivit allt svårare på grund av flera orsaker:

• Avloppsvattnet innehåller kluster av mikroföroreningar (dvs. farmaceutiska aktiva substanser) som är resistenta mot befintliga avloppsbehandlingsprocesser
• Sjukhus är en av huvudkällorna för utsläpp av resistenta patogener
• Strikta regler om avloppsvattnets utsläppsgränser

I följande text kommer fokus att ligga på några centrala läkemedelssubstanser som typexempel för allmän rening av läkemedelsrester. Dessa substanser inkluderar: paracetamol, kodein, diklofenak, och propofol.

Paracetamol

Paracetamol (N-acetyl-4-aminofenol) är en grupp av läkemedel (t.ex. Alvedon) som finns i milda analgetika eller icke-steroida antiinflammatoriska läkemedel som säljs i stora mängder. De används ofta för att minska smärtor och febersymptom. Den beräknade årliga världsproduktionen av paracetamol är ca 145 000 ton. I korthet består paracetamolmolekylen av en bensenring i kärnan som är substituerad med en hydroxylgrupp och med kväveatomen på en acetamid.

Kodein

Kodein (3-Metylmorfin) är ett narkotiskt läkemedel (t.ex. Oramorph) som används för att behandla måttlig smärta och hosta. Den består av en aromatisk ring och en kvarternär kolatom bunden till en tertiär amingrupp med två andra kolatomer. Denna kemiska egenskap är även känd som morfinregeln. Molekylen består av totalt fem ringar, varav tre är i samma plan.

Diklofenac

Diklofenak 2-(2, 6-dichloranillino) fenylättiksyra är en icke-steroid antiinflammatoriskt receptfritt läkemedel (t.ex. Voltaren). Flera hundra ton säljs varje år. Den består av två närliggande aromatiska ringar, med en karboxylat-ring och en fenylring bundet till två orto-klorid grupper.

Propofol

Propofol (2,6-bis (1-metyletyl) fenol) är en stabil molekyl och ett intravenöst anestetiskt medel (t ex Propoven).

Propofol består av en bensenring och två isopropylgrupper. Propofol, liksom de andra föreningar som nämnts ovan, kan brytas ned till under detektionsgräns med hjälp av ozon. Propofol i synnerhet har visat en första ordningens reaktion i ett typiskt avloppsvattenflöde från läkemedelsindustrin. Inga skaliga biprodukter kan heller identifieras under ozonbehandling.

Ovanstående läkemedel är komplexa molekyler som inte lätt behandlas i traditionella kommunala och industriella biologiska reningsverk.

Översikt av ytterligare läkemedelsrester

Här listas några andra läkemedelsföroreningar som är vanligt förekommande i avloppsströmmen:

Farmaceutiska föreningar	Verknings	Molekyl
Hydroklortiazid	Anti hypertensiva
Metoprolol	Anti hypertensiva
Furosemid	Diuretika
Oxazepam	Sedativ
Karbamazepin	Sedativ

Paracetamol – nedbrytningsexempel

Internt utförda pilotskaletester i samarbete med industrin påvisade > 99 % borttagande av paracetamol direkt från en produktionsanläggning med hjälp av ozonbehandling. En av reaktionsmekanismerna för nedbrytning av paracetamol under behandlingsprocessen med ozon är radikalrekationer på den aromatiska ringen med efterföljande hydroxylering. Farmaceutiska föreningar har en reaktionshastighet som är direkt beroende av koncentrationen av aktiv substans som är närvarande i blandningen. En schematisk figur presenteras nedan, där oxidationsvägen och reaktionsordningen visas.

Kort information om reaktionsordning

Det finns olika typer av kemiska reaktioner. Ordningen för alla kemiska reaktioner definieras som reaktionshastighetens beroende av koncentrationen av reaktanter i lösningen. Representativa grafer för 1:a, 2:a, och 3:e ordningens reaktion visas här nedan:

Det är viktigt att bestämma reaktionskinetik för att skala ett fullskaligt ozonsystem. Ozonetech erbjuder konsulttjänster inom rening på pilot- och fullskala för att

fastställa de specifika kraven som erfordras på ett ozonbaserat reningssytem, bland annat för läkemedelsindustrin och avloppsvatten från sjukhus. Kontakta oss för mer information!

Ozonetech tillhandahåller produkter med premiumteknologi för desinfektion. Det kan vi göra bl.a. för att alla våra produkter utformas och produceras i våra lokaler i Hägersten, några kilometer söder om Stockholm. Ozonsystemen kan på ett enkelt sätt installeras på ett sidoflöde till det befintliga vattenreningssystemet. Därför är vi även bekanta med andra desinfektionstekniker som t.ex. UV och klorering. De följande avsnitten kommer att behandla desinfektion mer generellt för att ge en ökad förståelse för desinfektionsproblematiken samt beskriva vilka tekniker som lämpar sig bäst i olika fall, om än på ett översiktligt plan.

Fördel med ozonbehandling vid vattenrening

Det finns många fördelar med att använda sig av ozon vid desinfektion jämfört med mer traditionella tekniker, såsom klorering och UV. Ozon är mer kraftfullt som desinfektionsmedel mot mikroorganismer och virus. Detta gör bl.a. att det krävs små mängder desinfektionsmedel samtidigt som den erforderliga uppehållstiden för att uppnå fullständig desinfektion minskar.

Ozonets styrka ligger till största delen i dess höga oxidationspotential. Detta leder till biologisk stress för de skadliga mikroberna bl.a. genom en sönderdelning av mikroorganismernas cellmembran samt nedbrytning av livsnödvändiga biomolekyler inom bakterierna. I bilden nedan visas ett exempel på hur ozonet reagerar (oxiderar) ett kolväte på samma sätt som vid en eventuell desinfektionsprocess.

Som med alla desinfektionsmedel bör man ha respekt även för ozonet som desinfektionsmedel. Därför har Ozonetech utvecklat styr- och övervakningssystem för att kontrollera ozondoseringen samt garantera säkerheten i den omgivande arbetsmiljön. En stor fördel med ett ozonsystem är att inte krävs någon kemikaliehantering efter att systemet installerats och driftsatt.

En annan stor fördel med ozon är att det inte kommer att lämna några restprodukter i den behandlade vattenmassan. Eventuella ozonresidualer efter desinfektionsprocessen sönderfaller naturligt inom minuter till några timmar beroende på vattenkvaliteten (temperatur, pH, COD/BOD-mängd). Ozonbehandlingen förebygger också effektivt tillväxt av organsikt material, givet att övriga delar av desinfektionsprocessen t.ex. har minskat partikelmängden i vattnet. Ozonet produceras in-situ och kräver enbart matning med atmosfäriskt syre. Detta gör att man slipper transport och hantering av kemikalier, vilket i sin tur ger en säkrare, miljövänligare, och i slutändan billigare process.

Desinfektionseffektivitet

Som nämnts ovan uppnås effektiv desinfektion med ozon. Desinfektionseffektiviteten mäts vanligtvis med det s.k. CT-värdet (koncentration multiplicerat med tid för ett desinfektionsmedel). Ozonbehandling av vatten skyddar mot alla typer av skadliga och sjukdomsframkallande mikrober. I tabellen nedan visas CT-värden för ozon för en rad olika mikroorganismer.

Mikroorganism	Nödvändig dos / CT-värde (mg, min/L)
Bacillus	0.1
Clostridium botulinum spores	0.4
Cryptosporidium	7
E. coli	0.5
Encephalomyocarditis virus	0.25
Giardia cycts	0.5
Legionella pneumophila	0.1
Polio virus type 1	0.5
Pseudomonas	1.5 – 2
Salmonella	0.1 – 0.4
Staphulococcus	1.5 – 2
Streptococcus	0.1

Nedan visas en jämförelse mellan olika desinfektionsmetoder mot typorganismer som används av EPA och WHO:

Jämförelsetabell CT-värden (mg.min/L)* för olika desinfektionsmetoder.

Typ	Log inaktivering	Ozon	Hypoklorit	Klordioxid	Fritt klor	Perättiksyra (PAA)
E. coli	2	<0.02	25-30	<1	<0.05	25-30
Virus	4	<0.1	<0.1	25-30	6	Otillräckliga resultat
Protozoa	3	1-2	10-20	15-25	>100	Otillräckliga resultat

*Notera att mätningar av CT-värden är relativt osäkra och att forskningsresultaten skiljer sig åt till viss grad, däremot uppvisas konsekventa relativa resultat när man jämför mellan t.ex. olika organismer eller desinfektionsmedel. Tabellen ovan är tänkt att användas som en indikation.

Generellt kan sägas att sporer är betydligt motståndskraftigare. De uppvisar CT-värden som är 10 till 15 gånger större än för organismernas aktiva form. Det är även viktigt att nämna att i de flesta fall förekommer en desinfektionströskel vad gäller koncentrationen på desinfektionsmedlet. Innan denna koncentration uppnås fås dålig eller ev. liten desinfektionsverkan. Men då koncentrationen höjs över tröskeln fås i princip total desinfektion för organismen i fråga. Med andra ord krävs i vissa fall en minimikoncentration för att uppnå effektiv desinfektion.

Typiska desinfektionstekniker

I dryckes- och bryggeriindustrin kämpar operatörer och kvalitetsansvariga med smaköverföringsproblem. I mineralvattenproduktion används aromämnen för att smaksätta dryck. Dessa tenderar att överföras mellan produktionscykler av olika typer av drycker med olika smak i slutprodukten. På bryggerier, specielly anläggningar där både öl och cider tillverkas i samma processutrustning, såsom fermentationstankar och fyllningsmaskiner, kan framförallt smakämnen i cider överföras till öl. Detta förebyggs oftast med långs och intensiva reningscykler som kräver stora mängder med kemikalier och hetvatten.

I dessa fall kan exempelvis naturellt vatten smaka apelsin eller blåbär och öl kan smaka cider. Aromämnen kan absorberas eller fastna i tätningsmaterial eller värmeväxlare som finns som en del av all processutrustning. I anläggningar där vatten på flaska produceras kan även källan vara aromberedningstankar och omrörare.

Aromämnenas egenskaper

Smakämnen (synonymt med aromer) är vanligtvis estrar eller cykliska föreningar med flertalet kovalenta dubbel- eller trippelbindingar. Det kan finnas hundratals olika aromämnen i frukt eller syntetiska smaker som tillsätts inom dryckesindustrin idag. Tabellen nedan ger en överblick av några typiska smakämnen.

Namn	Beskrivning	Chemical structure
Hexanal	Vanlig natuligt förekommande substans som ger en smak av bittermandel.
Limonen	Ämne som kan användas för apelsin eller citron inom produktion av vatten på flaska.
Decanal	En av de dominerande ämnena i citrus.
Fructone	Används för äpple- eller ananassmak.
Vanillin	Vanliljsmak.
Etylacetat	Kallas även etyletanoat och ger en söt doft i många drycker och andra smaksatta livsmedel.

 

En av de mest påfallande likheterna mellan alla smakämnen, inklusive ovan, är att de innehåller minst en kovalent dubbelbindning. Ozon reagerar omedelbart vid dessa kemiska bindingar och sätter igång en kedjereaktion som involverar radikaler och biprodukter från oxidation av aromämnena. Reaktionen går vanligtvis helt till koldioxid och vatten, men den enkla oxidationen av aromämnena gör att smakeffekten försvinner. Denna process liknar den som sker vid desinfektion med ozon i vatten.

Ozonrening av aromämnen

Som nämnt ovan tenderar aromämnen att stanna kvar i processutrustningen mellan de olika produktionscyklarna av olika smaksatta drycker. Ozonbehandling av systemet sker på samma sätt som när ozon används i CIP. En typisk ozonkoncentration som kan användas för att behandla smakrester är 3 ppm i CIP-vätskan. En typisk

applicering är att använda ozonerat vatten för att skölja processutrustningen. Läs mer om ozon-CIP och rengöring av processutrustning eller flaskskölj med ozon.

Om ozon används som den primära desinfektionstekniken i CIP-processerna på bryggeriet, kan detta kombineras som smakborttagningsmetod.

Ozonrening kan även användas inom en rad andra applikationer såsom:

Akvarier och vattenparker

Används för anläggningens interna reningssystem där ozon ger en kraftfull desinficerande effekt i det cirkulerande vattnet. Läs mer här!

 

Ballastvatten

Ozon är ett tillämpbart alternativ för att rena förbrukat ballastvatten för det släppps ut. Tack vare ozonets höga oxidationspotential säkerställer det inaktivering av mikroorganismer som bakterier och virus. Läs mer här!

Biltvättar

I restvatten från biltvättar bidrar ozonrening med en starkt desinficerande effekt med bredspektrumavdödning av mögel, virus och bakterier. Läs mer här!