Микробиологическое загрязнение систем водоснабжения

Министерство образования и науки РФ

Государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

 

 

 

Реферат на тему: 
 
Микробиологическое загрязнение систем водоснабжения 
 
 

 

Выполнил(а): 
Студентка IV курса, 
43 группы, специальности биоэкология 
Мартемьянова Д.Б. 
 
Проверил(а): Мейсурова А.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

Тверь 2014

Введение

Микробиологическим загрязнением называется отрицательное воздействие микробных составляющих продуктов жизнедеятельности человека или животных, поступающих в водные объекты.

В обиходе часто можно услышать термин «живая вода». Практически любая природная вода - живая. Достаточно взглянуть на нее в микроскоп, желательно электронный. В любой капле кипит жизнь маленьких "невидимых зверушек", как называл микроорганизмы изобретатель микроскопа Антони ван Левенгук (1632-1723).

В подавляющем большинстве поверхностных вод (для подземных вод эта проблема стоит менее остро, однако не снимается совсем) обитают различные микроорганизмы - бактерии, вирусы, простейшие, а также микроскопические водоросли и грибки.

Среди них встречаются как безвредные для здоровья человека, так и способные вызывать заболевания (подчас смертельно опасные). Последних принято называть болезнетворными или патогенными.

Практически все современные технологии очистки воды, как правило, предназначены для удаления из воды как можно большего количества примесей. Одна из наиболее трудных проблем при проектировании системы очистки возникает при столкновении с микробиологическими загрязнениями, присутствующими либо в исходной воде, либо вносимых в очищенную воду в процессах ее дальнейшей обработки. Можно привести тысячи примеров, когда недооценка микробиологической опасности исходной воды или возможности возникновения пост-загрязнений приводила к выходу из строя оборудования очистки воды.

Целью данной публикации является попытка обобщения опыта проектирования и эксплуатации установок очистки воды, в которых так или иначе проявилась проблема «роста микроорганизмов».

 Основные виды микроорганизмов 

Чтобы знать, как бороться с микробиологическими отложениями в системах водоснабжения, надо представлять себе, что такое микроорганизмы и каковы оптимальные условия их развития.

Термин "микроорганизмы", как правило, включает в себя существа, имеющие микроскопические размеры и поэтому невидимые невооруженным глазом. Сюда входят как представители растений, так и представители животных. Не всегда легко решается вопрос об отнесении микроскопического существа к растительному или животному миру, поэтому многие исследователи предлагают выделять микроорганизмы в особое царство простистов, или Protobionta. Из растений к простистам относятся водоросли, грибы, в том числе дрожжи, бактерии, из животных – простейшие. Первые могут быть названы микрофлорой, вторые – микрофауной.

На качество обрабатываемой воды влияют биологические процессы, происходящие как в источнике водоснабжения, так и в самой системе водоснабжения. Организмы, попадающие в водопровод извне и не способные к нормальной жизнедеятельности в водопроводной системе, называются аллохтонными. Автохтонные микроорганизмы также попадают в систему водоснабжения в основном с потоком исходной воды, но в отличие от аллохтонных приживаются в водопроводной системе и способны в ней размножаться. Аллохтонные микроорганизмы создают помехи, в основном, в работе фильтров, автохтонные – во всей системе водоснабжения.

 

 
Аллохтонные микроорганизмы 

        К  аллохтонным организмам относятся  нитчатые бактерии, грибы, водоросли  и различные планктонные животные. Среди нитчатых бактерий особенно  часто служит помехой Sphaerolitus natans. Среди грибов наиболее опасен Leptomitus lascteus.

        Гриб L. lascteus находится в водоемах круглый год, но массовое его развитие отмечается только в зимний период. Непременное условие развития гриба L. Lascteus – присутствие в воде органических веществ. Слизистые массы гриба L. Lascteus, иногда со значительной примесью нитчатых бактерий Sph. natans, в течение 1,5-2 часов способны полностью забить слизью и вывести из строя сетки, закрывающие вход в водопроводный канал, ведущий к насосам первого подъема.

        Водоросли, создающие помехи в водоснабжении, относятся к различным типам. В северных районах работу  систем водоснабжения затрудняют  в основном диатомовые водоросли; в южных «цветение» водоемов  чаще всего вызывают синезеленые и зеленые водоросли.

        Диатомовые  водоросли имеют прочный кремниевый  скелет. При фильтрации воды они  оседают на поверхности фильтра, образуя плотную пленку, препятствующую  прохождению воды через фильтр, что значительно снижает его  производительность. Диатомовая водоросль  Melosira islandica обычно имеет два максимума развития: весной после вскрытия водоемов, и осенью. Как правило, весенние «цветение» интенсивнее осеннего и продолжается дольше. Помимо мелозиры, помехи в работе систем водоснабжения создают и другие диатомеи – Asterionella Formosa, Synedra и т.п. Интенсивность развития диатомовых водорослей в значительной степени связана с содержанием в воде железа, окислительная способность которого выше при низких значениях рН и  низкой температуре воды.

 
Автохтонные микроорганизмы 

        Автохтонные микроорганизмы, как было уже замечено, попадают в систему водоснабжения из водоемов, но в отличие от аллохтонных они способны существовать в водопроводе, размножаться и заселять новые пространства. Многие из них развиваются на трубах и  каналах более интенсивно, чем водоемах, так как здесь отсутствуют их естественные враги. Среди автохтонных микроорганизмов присутствуют бактерии, грибы, моллюски, членистоногие, черви, мшанки, губки, простейшие и другие низшие животные. Водоросли к автохтонным организмам обычно не относятся, так как отсутствие света препятствует их жизнедеятельности.

        У  автохтонных микроорганизмов есть  приспособления, позволяющие им  прикрепляться к поверхностям  стенок и труб и тем самым  противостоять потоку воды. Внутренние  обрастания в трубах очень  стойки и часто располагаются  в труднодоступных местах. Поэтому бороться с автохтонными обрастаниями гораздо труднее, чем с аллохтонными, и ущерб, причиняемый ими, очень велик.

         Пионерами обрастаний всегда  выступают бактерии, среди которых  преобладают формы с мощной  слизистой капсулой, скрепляющей  клетки друг с другом. В водах, загрязненных органическими веществами, развиваются Zoogloea ramigera и Sphaerolitus natans. В чистой воде и, в частности, в водопроводных трубах основная роль в бактериальных обрастаниях принадлежит железобактериям. Нитчатые железобактерии, относящиеся к родам Letothrix и Crenothrix, представляют собой палочковидные клетки, соединенные в неветвящиеся нити, одетые слизистой капсулой. Отмечались случаи, когда массовое развитие железобактерий в речных водах, вызывало полную парализацию систем водообеспечения.

        Даже  при использовании артезианских  вод возможно развитие биологических  обрастаний в системе водоснабжения. В водопроводах, питаемых из подземных  источников, встречается одноклеточная  железобактерия галлионелла. Это литотрофный организм, и ее температурный оптимум находится около 6-7 оС, в связи с чем она развивается большей частью в ключевых и артезианских водах.

        Железобактерии, развивающиеся на внутренних  поверхностях труб, извлекают из  воды растворенное закисное железо  и окисляют его с образованием  малорастворимого гидрата окиси  железа. При обильном развитии  железобактерий вода приобретает  ржаво-красную окраску, металлический  привкус и запах. Вид железобактерий, преобладающих в системе водоснабжения, зависит в большей степени  от содержания органических веществ (см. Табл.1).

 Таблица 1

Значение перманганатной окисляемости воды, мгО2 /л	Наименование преобладающего вида железобактерии, развивающейся в системе водоснабжения
5-7	Галлионелла
7-17	Лептотрикс
> 17	Кладорикс

 

 

      Грибы в  составе обрастаний встречаются  в системе технического водоснабжения, питаемого неочищенной водой  загрязненных источников. Для их  роста необходима достаточно  высокая концентрация растворенных  органических веществ, поэтому в  системах питьевого водоснабжения  они встречаются достаточно редко.

      Простейшие  редко бывают причиной развития  обрастаний, но могут входить  состав обрастаний, образованных  другими формами. Широко распространены в водоводах микроскопические колониальные животные – мшанки. Их колонии состоят из хитиновых трубочек, на концах которых располагаются отдельные особи. Мшанки питаются микроорганизмами путем седиментации.

Черви Tubiflex и Nais обнаруживаются в резервуарах водопроводных сооружений и в водопроводной воде в случае ее недостаточной очистки. Среди обрастаний нередко встречаются членистоногие: рачки-циклопы и личинки насекомых. Как правило, их появление напрямую связано с качеством предварительной обработки воды.

Моллюски, встречающиеся в питьевых водопроводах, представлены большим числом видов, но особенно опасна Dreissena polymortha. Массовое развитие дрейссены приводит к зарастанию подводных поверхностей гидротехнических сооружений, решеток, щитов, затворов и закупорке водоводов. При массовом отмирании дрейссены ухудшается вкус и запах воды.

Автохтонные микроорганизмы поселяются в различных очистных сооружениях. Например, без предварительной обработки хлором в верхних слоях механических фильтров развивается богатый биоценоз из разных бактерий, жгутиковых, инфузорий, моллюсков; в резервуарах обнаруживаются черви, рачки, моллюски. С введением предварительного хлорирования развитие животных прекращается.

Обрастания, развивающиеся на подводных поверхностях, на стенках каналов, внутри труб, представляют собой биоценоз с определенными экологическими отношениями, складывающимися между его обитателями. Качественный и количественный состав биоценоза зависит от качества воды, материала поверхности прикрепления, скорости течения воды, ее температуры и других причин. Если при этом режим эксплуатации объекта меняется (например, режим водопотребления или режим обработки воды), это ведет только к смене состава биоценоза, но никак не к его исчезновению. Формирование биоценоза обрастаний начинается с того, что на гладкой поверхности труб осаждаются иловатые (коллоидные) частицы и бактериальные клетки. В этом процессе наибольшую роль играют явления сорбции, электрические заряды клеток и оседающих частиц. При большой концентрации в исходной воде растворенных органических веществ биомасса биоценоза становиться значительной при малом разнообразии видов. В чистой воде, наоборот, наблюдаются разнообразные по составу биоценозы, но с небольшой биомассой. Еще одной особенностью биоценоза чистой воды является то, что в нем отсутствуют свободноплавающие организмы, вся микрофлора прикрепляется к поверхности.

При массовом отмирании биологических обрастаний микроорганизмов (вследствие изменений условий существования или сезонных колебаний) биомасса разлагается с образованием сероводорода. В этом случае вода может приобретать запах сероводорода и содержать окрашенные в черный цвет включения сернистого железа. Другой путь образования сероводорода состоит в том, что в анаэробных условиях, которые создаются в плотных густых обрастаниях, сульфатвосстанавливающие бактерии окисляют органические вещества кислородом до сульфатов. При этом сера восстанавливается до сероводорода.

 Формирование биопленки в системах водоснабжения 

       Удаление  микроорганизмов не всегда является  первоочередной задачей систем. Однако все системы очистки  воды (особенно мембранные) сталкиваются  с последствиями микробиологического  роста, в особенности бактерий. Это  обусловлено рядом причин: во-первых, присутствие бактерий в воде  неизбежно, они живут в любых  системах, где есть хоть какое-нибудь  количество воды. Во-вторых, рост  бактерий неизбежен, если есть  питательные вещества (а им для  «жизни» не так много надо). В-третьих, микробиологическое загрязнение намного легче предотвратить, нежели избавиться от него.

       Если  рост микробиологических примесей  не регулируется, т.е. вода не проходит  стадию предварительной микробиологической  подготовки, практически на всех  поверхностях системы очистки  воды начинается процесс формирования  биопленок (или бактериальных обрастаний). Большинство типов бактерий, обнаруженных  в воде, содержат слизь, содержащую  полисахарид (glycocalyx), которая увеличивает способность бактерий иммобилизоваться (закрепляться) на поверхности. Рост колоний иммобилизованных микроорганизмов происходит гораздо быстрее, нежели в планктоническом (свободном) передвижении. Иммобилизованные микроорганизмы формируют большую колонию, так как слой полисахаридной слизи помогает «прилипанию» как других бактерий, так и питательных веществ, которые «проплывают» мимо них, и также действует как защитный слой, который сопротивляется химическому воздействию. В дальнейшем микробиологическое обрастание мы будем называть - биопленка.

Размер и сложность колонии, ее сопротивление дезинфекционной обработке растут в пределах этой биопленки, которая является своеобразным барьером для доступа обычно использующихся реагентов. Биопленка также становится источником вторичного загрязнения, когда процесс очистки не удаляет ее полностью. Однократная дезинфекционная обработка обычно только затрагивает верхний слой биопленки, поэтому жизнеспособные бактерии, находящиеся глубоко в биопленке, повторно загрязнят систему, что вновь приведет к бактериальному росту в течение нескольких дней.

 

Непрерывная или периодическая дезинфекционная обработка 

      Существуют  два основных подхода для того, чтобы регулировать бактериальный  рост в системе водоснабжения. Первый должен обеспечить достаточный  уровень биоцидного агента в  пределах системы водоснабжения (непрерывное дозирование). Это, как  раз обычно и используется, когда  в исходную воду вводят большое  количество хлора или хлораминов, чтобы обеспечить его остаточное  содержание по системе распределения, вплоть до точек потребления. Хлор является самым обычным  применяемым биоцидом (минимальное остаточное содержание – 0,3 мг/л). В качестве биоцида в данном случае чаще всего используется гипохлорит натрия (хорошо известный домашним хозяйкам как отбеливатель). В Европе, более популярно применение озонирования в системах очистки воды, хотя в этом случае поддержание остаточного содержания озона в воде затруднено из-за его быстрого разложения.