Микробиологическое загрязнение систем водоснабжения

Второй подход заключается в периодической дезинфекционной обработке системы. Варианты использования биоцидами при периодической или непрерывной обработке напрямую будут зависеть от требуемого качества воды. Например, при создании систем получения "ультрачистой воды", где недопустим контакт производимых изделий с какими-либо посторонними примесями, следует использовать периодическую обработку с отмывкой всей сети водоснабжения от биостатического химиката. И все же большинство систем водоснабжения, использующих непрерывное дозирование биоцида, будет также нуждаться в постоянном обслуживании (пусть не так часто), т.е. в очистке трубопроводов, их промывке и корректировке режимов дезинфекции. Даже в случае, когда выполнена пост-обработка воды ультрафиолетом (УФ) или проведено дополнительное дозирование биоцида в резервуарах хранения и системе распределения воды, вся система в целом будет требовать периодической дезинфекционной обработки.

 Развитие биопленки на различных стадиях обработки воды

1.      Фильтры  механической очистки и фильтры  обезжелезивания. Однослойные, двух- трехслойные фильтры механической очистки обычно предназначены для удаления механических частиц (с размерами более 10-20 мкм), а также для удаления коллоидного железа (в окисленной форме). Большие площади фильтрации в таких фильтрах, складывающиеся из поверхности засыпного материала (как правило, смеси из кварцевого песка различной фракции и гидроантрацита) служат благоприятной средой для активного роста микроорганизмов, в особенности, если исходная вода не имеет остаточного содержания биоцида (например, при остаточном содержании активного хлора в пределах 0,5 – 1 мг/л рост биопленки на механических фильтрах не обнаруживается). В случаях, если исходная вода имеет в своем составе повышенное количество растворенного железа, необходимо добавлять окислитель (в частности, хлор) для окисления железа и его осаждения на фильтре (в случае применения биоцида, обладающего окислительными свойствами (например, хлора или гипохлорита натрия) данная операция весьма полезна с точки зрения регулирования роста микробиологии). Если концентрация железа ниже чем 0,5 мг/л, введение биоцида в исходную воду только полезно с точки зрения контроля роста микробиологических загрязнений в оборудовании предварительной подготовки (даже если, эксплуатационные затраты при этом выше). При выборе дозируемого биоцида для фильтров обезжелезивания воды следует обращать внимание на совместимость насыпного слоя (катализатора обезжелезивания) с раствором биоцида.

2.      Фильтры  умягчения воды. Умягчение воды (процесс  Na-катионирования) достаточно часто используется для предотвращения процессов образования накипи, предварительной обработки воды перед установками обратного осмоса и пр. Указанный процесс не может быть «источником роста микробиологии», так как при регенерации катионообменной смолы используется насыщенный раствор поваренной соли (хлорида натрия), который является неблагоприятной средой для роста и развития микроорганизмов.

3.      Фильтры  адсорбционной очистки. В случае  если в исходной воде содержится  большое количество органических  веществ, используют адсорбцию на  активном угле. Здесь следует  обратить внимание на тот факт, что органические вещества, содержащие  в исходной воде, оказывают положительное  влияние на общий рост микроорганизмов. Поэтому, аспект проблемы, когда  исходная вода содержит как  органические компоненты, так и  растворенное железо, мы оставим  для дальнейшего обсуждения. В  настоящей статье остановимся  только на том, какое общее  влияние может оказывать активный  уголь при стандартных условиях, т.е. когда исходная вода, имеет  перманганатную окисляемость менее 5 мг О2 /л.

Активный уголь имеет огромную площадь для роста микробиологических загрязнений.  Насыщения массы активного угля происходит послойно. Вначале насыщаются верхние слои фильтра, затем более глубокие. Из-за разной избирательности адсорбции органических молекул из водных растворов вначале происходит адсорбция органических соединений, имеющих в своем составе развитые гидрофильные группировки (спиртовые, оксидные, полиэфирные) или ионизированные функциональные группы (анионы сульфогрупп, кислых эфиров серной и фосфорной кислот, карбоксильные и фенольные группы, катионы аминогрупп и азотсодержащих гетероциклов). Это приводит к тому, что при обработке воды биоцидами, в первую очередь на поверхности активного угля будут сорбироваться продукты окисления органических соединений, образующихся при контакте биоцидов с микроорганизмами и содержащими в воде органическими веществами. Те органические вещества, которые не вступили в реакцию с биоцидом, будут удаляться активным углем в более глубоких слоях, которые еще не насыщены. Это приводит к тому, что органические вещества, адсорбированные в более глубоких слоях угля, могут использоваться микроорганизмами как питательная среда. Поэтому при использовании фильтров с активным углем на одной из стадий водоподготовки следует увеличивать дозу биодида, а также время его контакта с водой до того, как вода подается на фильтр. Увеличение время контакта с водой биоцида в данном случае требуется из-за различных скоростей реакции окисления биоцидом различных органических соединений и микроорганизмов.

Именно поэтому фильтры адсорбционной очистки обычно известны как источники микробиологического загрязнения. Для того, чтобы избежать этого, после таких фильтров устанавливают постоянную петлю рециркуляции, чтобы стабилизировать поток воды, проходящей через фильтр, и добавляют УФ облучение в этой петле, которое задерживает микробиологический рост. Кроме того, слой активного угля периодически обрабатывают раствором гидроокиси натрия, имеющего значение pH 11 – 12, в статическом режиме, т.е. выдерживают активный уголь в растворе в течение 4 - 24 часов. Такая обработка занимает долгое время, поэтому в критических ситуациях для дезинфекционной обработки часто используется острый пар, если материал корпуса фильтра и все входящие в фильтр компоненты способны выдержать требуемые давление и температуру (обычно 121 °C и 0,3 МПа в течение 2 часов). Такая обработка приводит к образованию мелких частиц активного угля, которые обычно удаляются путем обратной промывки фильтра с активным углем при его вводе в эксплуатацию. Помимо дезинфекционной обработки активного угля острым паром применяют обработку горячей водой с температурой 85 °С в течение 2 часов.

4.      Патронные  фильтры (микрофильтрационная очистка). Патронные фильтры относятся  к фильтрам периодического действия, работающим под давлением, предназначены  для размещения в них патронных  фильтрующих элементов (картриджей), изготовленных из различных материалов (глубинных, сорбционно-фильтрующих, мембранных, гофрированных, волоконных, намоточных, с перегородкой из нержавеющей сетки, насыпных картриджей и т.д.). Эффективная работа патронных фильтров достигается при соблюдении определенных условий эксплуатации и химической совместимостью конструкционных материалов, из которых изготовлен как фильтрующий элемент, так и сам фильтродержатель. По своей конструкции фильтродержатели патронных элементов делятся на однопатронные и мультипатронные.

Патронные фильтры с рейтингом фильтрации 25 – 100 мкм очень часто используются в качестве стадий предварительной очистки (как фильтры-грязевики). Фильтрующие элементы, имеющие рейтинг фильтрации 5 – 10 мкм наиболее часто используют либо как фильтры тонкой очистки в системах водоподготовки, либо как фильтры предварительной очистки в установках обратного осмоса. Фильтрующие элементы с меньшей тонкостью фильтрации используют для специальных стадий очистки воды, на которых наличие микробиологических загрязнений считается не столько критичным, сколько аварийным.

По принципу действия патронные фильтры относят к тупиковой фильтрации: фильтрат проходит под давлением снаружи через фильтрующую перегородку фильтрующего(-их) элемента(-ов), задерживаемые примеси остаются либо на поверхности фильтрующей перегородки (поверхностная фильтрация), либо в ее глубине (глубинная фильтрация). Механизм фильтрации определяется типом устанавливаемых фильтродержатель патронных фильтрующих элементов (картриджей). Фильтрация жидкости проводится либо до возникновения определенного перепада давления на фильтрующей перегородке за счет накопления механических примесей, либо до насыщения фильтрующего слоя растворенными примесями за счет адсорбции или ионного обмена (в случае применения сорбционно-фильтрующих элементов).

Как в случае с активным углем здесь мы так же имеем дело с огромной площадью фильтрации, особенно в случае применения фильтрующих элементов глубинного типа. Кроме того, в процессе тупиковой фильтрации на поверхности фильтрующей перегородки начинает образовываться, так называемый, поляризационный слой из микрочастиц, удерживаемых поверхностью фильтра. При этом рейтинг фильтрации (тонкость фильтрации) постоянно уменьшается за счет увеличения толщины этого поляризационного слоя. В этом слое начинают накапливаться не только микрочастицы, но и микроорганизмы, закрепляющиеся на поверхности удержанных фильтром микрочастиц. Таким образом, на поверхности фильтрующего элемента начинается рост микрофлоры. Для фильтрующих элементов глубинного типа аналогичных процесс наблюдается в глубине фильтрующего слоя.

Для того, чтобы избежать этого, после патронных фильтров устанавливают постоянную петлю рециркуляции, чтобы стабилизировать поток воды, проходящей через фильтр, и добавляют УФ облучение в этой петле, которое задерживает микробиологический рост. Кроме того, фильтрующие элементы периодически обрабатывают раствором гидроокиси натрия, имеющего значение pH 11 – 12, в статическом режиме, т.е. выдерживают в растворе в течение 4 - 24 часов. Такая обработка занимает долгое время, поэтому в критических ситуациях для дезинфекционной обработки часто используется острый пар, если материал корпуса фильтродержателя и фильтрующие элементы способны выдержать требуемые давление и температуру (обычно 121 °C и 0,3 МПа).

Неплохие результаты приносит периодическая обработка патронных фильтров растворами биоцидов. В этом случае, чтобы уничтожить «выросшую» биопленку, обычно требуются несколько циклов очистки. Первый этап - использование стандартного биоцидного агента. Второй этап - использование раствора с высоким pH, обычно раствор гидроокиси натрия, который помогает удалить высший слой бактерий, убитых биоцидом. Затем вводится повторно свежий раствор биоцида, для того чтобы убить следующий бактериальный слой, потом эта операция снова сопровождается обработкой каустиком. Этот цикл «биоцид – едкий натрий» должен быть повторен несколько раз, пока биопленка не будет полностью удалена. Для удаления обычной биопленки обычно требуется 5 - 10 циклов. Правда «этот путь» не может привести к восстановлению полной фильтрующей способности картриджей, особенно если последние относятся к фильтрам глубинного типа.

Другой особенностью патронных фильтров является наличие застойных зон в самом корпусе патронного фильтра. За счет снижения скорости движения воды в корпусе фильтров на внутренней поверхности колокола (или колбы) могут иммобилизовываться и развиваться колонии микроорганизмов. При этом если при работе установки очистки воды воздух, накапливающийся внутри колокола отводится нерегулярно, происходит дополнительная аэрация воды и процесс роста биопленки резко ускоряется. Чтобы избежать этого явления, необходимо устанавливать автоматические устройства отвода воздуха из корпуса фильтра. Для полной очистки внутренней поверхности корпуса патронного фильтра от биопленки используют те  же методы, что и для обработки фильтрующих элементов.

5.      Установки  очистки воды с использованием  ультрафильтрационных, нанофильтрационных и обратноосмотических мембран. Конструкция мембранных установок довольно сложна, имеет много развитых поверхностей, щелей и застойных зон в ее трубопроводах и аппаратуре. Мембранные элементы, входящие в ее состав, имеют огромную площадь поверхности, которая легко доступна для закрепления и развития микроорганизмов. Именно они являются особенно склонными к биологическому росту. При проектировании мембранных установок и расчете эффективности их использования в том или ином производстве следует учитывать те расходы, которые могут понадобиться для поддержания воды безопасной в микробиологическом отношении (особенно в производствах, где бактериальное загрязнение является критичным для конечного продукта). Такие примеры найдены в пищевой, медицинской, фармацевтической и электронной отраслях промышленности. В этих случаях, прежде всего не следует экономить на трубопроводах и запорной арматуре.

Наиболее простым и эффективным способом предотвращения роста биопленки на поверхности мембран является постоянный контроль общего микробного числа. При контроле и регистрации уровня микробиологических загрязнений в процессе эксплуатации мембранных установок полезно производить анализ тенденций изменений микробиологического качества воды, как в очищенной, так и в исходной воде. В зависимости от источника водоснабжения и времени года в исходной воде могут наблюдаться сезонные колебания уровня ее загрязненности. Поэтому перед проектированием мембранных установок по возможности следует проверить качество исходной воды в течение года. Бактериальный рост часто зависит от обстоятельств, которые сложно предсказать или предусмотреть, и здесь очень важно определить существует ли тенденция к увеличению уровня загрязнения или просто произошел их сезонный всплеск. Если наблюдается медленный рост числа микроорганизмов, такой характер изменений не закономерен для процесса образования биопленки, которая отличается более быстрым увеличением. Пиковое увеличение числа микроорганизмов может указать на изменение состава исходной воды, который вызван какими-либо обстоятельствами. Пик роста может наблюдаться после длительного простоя установки без ее предварительной дезинфекционной обработки.

Соблюдение регламентированных процедур периодической обработки мембран с использованием растворов химических реагентов (в том числе и растворов биоцидов), проводимых в процессе эксплуатации мембранной установки очистки воды, будет являться гарантом микробиологического благополучия. Процессы такой обработки были рассмотрены нами в статье «Обратный осмос. Теория и практика применения» на примере обратноосмотических установок.

6.      Ультрафиолетовая (УФ) стерилизация воды. УФ-стерилизация наиболее перспективный метод обеззараживания воды с высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам, не приводящий к образованию вредных побочных продуктов, чем иногда грешат хлорирование или озонирование.

Установлено, что наибольшим бактерицидным воздействием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 200 до 295 мкм. Эта область ультрафиолетового облучения называется бактерицидной. Максимум бактерицидного излучения располагается около длины волны в 254 мкм. Этот вид излучения обладает энергией, достаточной для воздействия на химические связи, в том числе и на живые клетки. Поглощаясь внутри микроорганизмов молекулами ДНК и РНК, оно вызывает фотохимические изменения в их структуре. Известно, что УФ-излучение действует на вирусы намного эффективнее, чем хлор, поэтому применение ультрафиолета при подготовке питьевой воды позволяет, в частности, во многом решить проблему удаления вирусов гепатита А, которая не всегда решается при традиционной технологии хлорирования. Бактерицидное действие лучей протекает во много раз быстрее, чем хлора. При этом бактерицидные лучи уничтожают не только вегетативные споры бактерий, но и спорообразующие.