Met laboratoriumtesten wordt bepaald wat de maximaal toelaatbare grens is voor een microbiologische populatie in bepaalde systemen. Wanneer deze data bekend zijn, betekent dat vaak dat het aantal bacteriën en microorganismen in de onderzochte systemen flink verkleind moet worden. Dit kan gedaan worden door de toevoeging van biociden, chemische stoffen die giftig zijn voor de aanwezige microorganismen. De toegvoegde biociden worden ingezet om de popoulaties zo snel en effectief te reduceren, dat de micro-organismen zich hiervan niet snel herstellen. Er zijn verschillende soorten biociden, waarvan sommige een heel scala aan effecten hebben op meerdere soorten microorganismen. De biocides kunnen verdeeld worden in oxiderende en niet-oxiderende middelen. Oxiderende middelen:Chloor
Chloordioxide
Chloorcyanuraten
Hypochloriet
Ozon
Chloor
Chloor is tegenwoordig de meest gebruikte industriële biocide. Het wordt al lange tijd gebruikt voor de desinfectie van huishoudelijke watervoorzieningen en voor de verwijdering van smaken en geurtjes uit het water. De hoeveelheid chloor die nodig is voor een bepaald watersysteem wordt door een aantal factoren bepaald, namelijk de chloorvraag, de contacttijd, de pH en de temperatuur van het water, het watervolume en de hoeveelheid chloor die door beluchting verloren gaat.
Wanneer chloorgas in een watervoorziening terecht komt, hydroliseert het om hypochloor en hydrochloor zuur te vormen. De laatstgenoemde bepaalt de biocidale activiteit.
Dit proces vindt volgens de volgende reactie plaats:
Cl2 + H2O -> HOCl + HCl
Hydrochloorzuur is verantwoordelijk voor de oxidatiereacties met het cytoplasma van de microorganismen, die plaatsvinden nadat het door de celwanden is gediffundeerd. Chloor verstoort daar dan de vorming van ATP (adenosine trifosfaat), een essentiële stof voor de ademhaling van microorganismen. De bacteriën in het water sterven als gevolg van ademhalingsproblemen die door de activiteit van het chloor zijn veroorzaakt.
De hoeveelheid chloor die toegevoegd moet worden om de bacteriële groei onder controle te houden, wordt bepaald door de pH. Hoe hoger de pH, hoe meer chloor er nodig is om de ongewenste bacteriën in een watersysteem te doden. Wanneer de pHwaarden tussen de 8 en 9 liggen, moet er 0,4 ppm chloor togevoegd worden. Wanneer de pHwaarden tussen de 9 en 10 liggen, moet er 0,8 ppm chloor toegevoegd worden.
Chloordioxide
Chloordioxide is een actief oxiderend biocide, dat tegenwoordig steeds meer wordt toegepast, omdat het minder schadelijke effcten heeft op het milieu en de menselijke gezondheid dan chloor. Het vormt geen hydrochloorzuren in het water, maar bestaat als opgelost chloordioxide, een stof die als een reactiever biocide fungeert bij een hogere pH.
Chloordioxide is een explosief gas, en moet daarom ter plaatse geproduceerd worden en dan volgens deze reactie:
Cl2 + 2 NaClO2 -> 2 NaCl + 2 ClO2
of
2 HCl + 3 NaOCl + NaClO2 -> 2 ClO2 + 4 NaCl + H2O.
Chloorcyanuraten Dit zijn organische chloorstoffen die in het water hydrolyseren tot hypochloorzuur en cyaanzuur. Het cyaanzuur reduceert het chloorverlies dat ontstaat als gevolg van de fotochemische reacties met UV-licht. Hierdoor ontstaat er meer hydrochloorzuur en neemt de biocidale activiteit toe.
Hypochloriet
Hypochloriet is zout van hypochloorzuur. Het kan in verschillende gedaanten voorkomen. Doorgaans wordt hypochloriet toegepast als sodiumhypochloriet (NaOCl) en calciumhypochloriet (Ca(OCl)2). Deze stoffen kunnen gebruikt worden als biociden. Ze functioneren op dezelfde manier als chloor, maar zijn iets minder effectief.
Ozon
Ozon is van nature instabiel. Wanneer het in een reactor wordt opgewekt kan het gebruikt worden als een krachtig oxiderend middel. Als biocide werkt het ongeveer op dezelfde manier als chloor, het verstoord de vorming van ATP, waardoor de celademhaling van microorganismen slechter gaat. Tijdens de oxidatie met ozon sterven bacteriën doorgaans als een gevolg van een verlies van het voor het leven benodigde cytoplasma.
Tijdens het oxidatieproces splitst ozon in een zuurstof- en een ozonatoom. Het ozonatoom gaat verloren tijdens de reactie met de celvloeistoffen van de bacteriën:
O3 -> O2 + (O)
Een aantal factoren bepalen de hoeveelheid ozon die tijdens de oxidatie nodig is, dit zijn de pH, de temperatuur, organische stoffen en oplosmiddelen en geaccumuleerde reactieproducten.
Ozon is milieuvriendelijker dan chloor, omdat het geen chloor aan het watersysteem toevoegt. Vanwege de ontbinding in zuurstof, brengt het geen schade toe aan het waterleven.
Meestal wordt er 0,5 ppm ozon aan een watersysteem toegevoegd. Dit kan of voortdurend of met onderbrekingen gedaan worden. Niet-oxiderende middelen:Acrolein
Amines
Gechloreerde fenolen
Koperzouten
Organische zwavelmengsels
Quaterniare ammoniumzouten
In veel gevallen zijn oxiderende middelen geen effectieve biocides. In die gevallen worden niet-oxiderende middelen toegepast.
Acrolein
Acrolein is een extreem effectief biocide dat voor het milieu ten opzichte van oxiderende middelen het voordeel heeft dat het met behulp van sodiumsulfiet makkelijk gedeactiveerd kan worden, voordat het geloosd wordt op het riool.
Acrolein heeft de bekwaamheid om proteinegroepen en synthese reacties van enzymen te verstoren. Het wordt vaak aan een watersysteem toegevoegd in de vorm van gas en in hoeveelheden van 0,1 tot 0,2 ppm in neutraal tot licht alkalisch water.
Acrolein wordt niet vaak gebruikt, omdat het zeer ontvlambaar en ook giftig is.
Amines
Amines zijn zeer effectief en kunnen als biocide gebruikt worden vanwege hun bekwaamheid om microorganismen te doden. Wanneer ze aan het water worden toegevoegd, kunnen ze het biocidale effect van gechloreerde fenolen versnellen.
Gechloreerde fenolen
Gechloreerde fenolen hebben, in tegenstelling tot oxiderende biocides, geen invloed op de ademhaling. Zij veranderen de groei. De gechloreerde fenolen adsorberen eerst aan de celwand van microorganismen door de interactie met de waterstofbruggen. Daarna diffunderen ze in de cel, waar ze gesuspendeerd worden en eiwitten doen neerslaan. Hierdoor wordt de groei van microorganismen tegengegaan.
Koperzouten
Koperzouten worden al lange tijd als biocide gebruikt, maar de afgelopen paar jaren is het gebruik gelimiteerd, als gevolg van bezorgdheid over metaalvergiftiging. Ze worden toegepast in hoeveelheden van 1 tot 2 ppm.
Wanneer het water dat behandeld wordt in stalen tanks zit opgeslagen, kan men beter geen koperzouten toevoegen, omdat het staal hierdoor kan gaan corroderen. Ook moet men geen koperzouten gebruiken in water dat bestemd is als drinkwater, omdat het voor mensen giftig is.
Organische zwavelmengsels
Organische zwavelmengsels gedragen zich als biocides omdat ze de celgroei tegengaan. Er zijn een aantal organische zwavelverbindingen, die bij verschillende pHwaarden functioneren. Gewoonlijk wordt er energie in bacteriële cellen overgedragen, wanneer Fe3+ tot Fe2+ reageert. Organische zwavelmengsels verwijderen de Fe3+ als een ijzerzout in een complex. Hierdoor wordt de energieoverdracht in de cellen gestopt waardoor er onmiddelijke celsterfte optreedt.
Quaterniare ammoniumzouten
Quaterniare ammoniumzouten zijn oppervlakte-actieve chemicaliën die over het algemeen uit een stikstofatoom bestaan, dat omringd is door 8 tot 25 koolstofatomen die op vier plaatsen vast zitten op het stikstofatoom.
Deze stoffen zijn het meest effectief tegen bacteriën bij alkalische pHwaarden. Ze zijn positief geladen en binden zich aan de negatief geladen delen van de bacteriële celwand. Deze electrostatische verbindingen zorgen ervoor dat de bacteriën sterven als gevolg van spanningen in de celwand. Door de doorlaatbaarheid van de celwand te verkleinen wordt ook de stroom van levensbenodigde stoffen door de celwand stopgezet.
Het gebruik van quaterniare ammoniumzouten is beperkt, vanwege hun interactie met olie en het vanwege feit dat ze schuim veroorzaken. |
