ГЛАВНАЯНОВОСТИГОСТЕВАЯ КНИГАУСЛУГИ И ЦЕНЫКОНТАКТЫБИБЛИОТЕКА
 
  Вернуться назад

Библиотека

Все документы предоставляются в формате *.pdf, *.djvu

  Скачать PDF-reader
  Скачать DJVU-reader

СТАТЬИ

ПРОБЛЕМЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ.
(автор: Ген.директор компании "МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" - С.В.Черкасов)

1. ВВЕДЕНИЕ.
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МИРООРГАНИЗМОВ.
   2.1. Аллохтонные микроорганизмы.
   2.2. Автохтонные микроорганизмы.
3. ФОРМИРОВАНИЕ БИОПЛЕНКИ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ.
4. НЕПРЕРЫВНАЯ ИЛИ ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ДЕЗИНФЕКЦИОННАЯ ОБРАБОТКА?
5. РАЗВИТИЕ БИОПЛЕНКИ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ОБРАБОТКИ ВОДЫ.
   5.1. Фильтры механической очистки и фильтры обезжелезивания.
   5.2. Фильтры умягчения воды.
   5.3. Фильтры адсорбционной очистки.
   5.4. Патронные фильтры (микрофильтрационная очистка).
   5.5. Мембранные установки очистки воды (ультра- и нанофильтрация, обратный осмос).
   5.6. Ультрафиолетовая (УФ) стерилизация воды.
   5.7. Дозирование химических реагентов.
   5.8. Защита очищенной воды.
6. РЕЗЮМЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

      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».

 

2. 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.

 

2.1 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.

 

2.2 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).

 

Значение перманганатной окисляемости воды, мгО2 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.

 

3. ФОРМИРОВАНИЕ БИОПЛЕНКИ В СИСТЕМАХ ВОДОСНАБЖЕНИЯ.

     Удаление микроорганизмов не всегда является первоочередной задачей систем водоподготовки. 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 стадии предварительной микробиологической подготовки, практически на всех поверхностях системы очистки воды начинается процесс формирования биопленок (или бактериальных обрастаний).
Биопленки – наиболее распространенная форма организации жизнедеятельности микроорганизмов, в которой последние находятся в так называемой сессильной фазе (от англ. sessile – сессильное, фиксированное), в которой они находятся в виде специфически организованных, прикрепленных к субстратам комплексов, чем отличаются от микроорганизмов живущих в виде свободно плавающих планктонных клеток – в планктонной фазе.
     Как известно, около 99% всех бактерий существует на Земле именно в форме биопленок, образование которых представляет сложный, строго регулируемый биологический процесс. Способность формировать биопленки является составной частью жизненного цикла большинства микроорганизмов и успешной стратегией защиты бактерий от неблагоприятных факторов среды. Биопленки могут формироваться бактериями одного вида, или формируют сообщества, развивающиеся из многих видов микроорганизмов. Зрелые, уже сформированные биопленки могут содержать также покоящиеся или некультивируемые формы бактерий.
     Считается, что единственным условием (помимо присутствия микроорганизмов) для образования биопленки является наличие относительно твердой и увлажненной поверхности неорганического или органического происхождения. При этом из процесса формирования биопленки выделяют несколько фаз (см. рисунок):

  1. жизненный цикл биоплёнкиАдгезия микробы иммобилизуются, «прилипают» к поверхности за счет адгезии;
  2. Колонизация – межклеточная адгезия и формирование микроколоний как отправная точка формирования сложной структуры биопленки; в эту фазу происходит транскрипция генов, необходимых для получения и выделения внеклеточных полисахаридов. 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.
  3. Созревание – процесс, требующий наличия особых «коммуникационных сигналов» между микроорганизмами, находящимися в биопленке, которые способствуют регулированию внутри биопленки экспрессии генов и белков, что позволяет клеткам контролировать собственную структуру, морфогенез и адаптацию клеток, и, в конечном счете, распределение видов микроорганизмов между собой.
  4. Выделение или дисперсия с поверхности зрелой биопленки планктонных микроорганизмов в окружающую среду.

     Глубокое изучение данной организации микроорганизмов стало возможным только с изобретением средств сканирующей электронной и конфокальной микроскопии, позволяющей видеть этот микромир в объеме. Оказалось, что биопленка не является простым скоплением бактерий на некой поверхности, а состоит из клеточного компонента – моно- или макро-ассоциации культур микроорганизмов и внеклеточного матрикса, представляющего из себя сложную биохимическую смесь полисахаридов, гликопептидов, нуклеиновых кислот и липидов. Большинство находящихся в биопленке бактерий находится преимущественно в неактивной фазе жизненного цикла. Тем не менее, с поверхностных слоев биопленки происходит постоянная дисперсия свободных планктонных форм микроорганизмов, отправляющихся в «свободное путешествие» для освоения новых территорий, пригодных для колонизации. Этот слизистый трехмерный биополимер неоднороден в разных слоях, более того, содержит в своем составе структуры, похожие на транспортные и водные каналы, что позволяет ему успешно противостоять внешним факторам агрессии.
     В биопленках наблюдается некая разновидность биологического синергизма, когда продукты жизнедеятельности одного вида служат питательной средой для другого, а также четко выстроенное взаимодействие между микробами, принадлежащими к одному или разным видам, с помощью специальных «сигнальных» систем. Благодаря наличию ферментов внеклеточный матрикс может рассматриваться как внешняя пищеварительная система, в которой также обнаруживается накопление воды и питательных веществ, что позволяет переживать микроорганизмам, находящимся в фазе низкой метаболической активности в «трудные времена». К таким «трудным временам» можно отнести существование биопленок в очищенной, чистой и ультрачистой деионизованной воде, когда окружающая биопленку вода имеет в своем составе минимальное количество питательных веществ (неорганических и органических примесей).
     Таким образом, сутью существования биопленки является выработка гуморальных и клеточных факторов защиты микроорганизмов,  находящихся в ней, от воздействия неблагоприятных физических, химических и биологических факторов внешней среды. К ним можно отнести температурное воздействие, обезвоживание, ультрафиолетовое излучение, обработку различного рода химическими реагентами (в том числе биоцидами), отсутствие питательных веществ и пр.
     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.

 

4. 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.

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.

 

5. РАЗВИТИЕ БИОПЛЕНКИ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ОБРАБОТКИ ВОДЫ.

5.1.      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.

5.2.      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.

5.3.      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.

5.4.      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.

5.5.      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 с помощью специальных установок химической промывки были рассмотрены нами в статье «Обратный осмос. Теория и практика применения» на примере обратноосмотических установок.

5.6.      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.

Основным преимуществом метода УФ-обеззараживания является то, что установки УФ-стерилизации легко вписываются в типовые технологические схемы и достаточно компактны, что не требует проведения значительных строительных работ на существующих водоочистных сооружениях. УФ-стерилизация не образует побочных продуктов при обработке воды, поэтому доза УФ-излучения может быть увеличена до значений, обеспечивающих эпидемиологическую безопасность, как по бактериям, так и по вирусам. Поэтому при УФ-обеззараживании воды не существует проблемы передозировки.

Особое внимание при применении установок УФ-обеззараживания воды следует обратить на предварительную подготовку воды. Для обеззараживания воды чаще всего используются установки с бактериологическими излучателями закрытого типа, которые обеспечивают более высокую эффективность использования УФ-излучения ламп. При этом конструкция бактериологических излучателей обеспечивает равномерное распределение дозы облучения во всем объеме обеззараживаемой воды. Проникновение УФ-лучей в воду сопровождается их поглощением, как самой водой, так и веществами, находящимися в воде в растворенном или взвешенном состоянии. Поглощающая способность воды характеризуется коэффициентом поглощения, цифровое значение которого указывает долю бактерицидного излучения, поглощенного слоем воды, толщиной в 1 см. Влияние минерального состава воды на степень бактерицидного излучения проявляется, кроме того, в образовании осадка на поверхности чехлов УФ-ламп. Опыт работы показывает, что для применения УФ-стерилизации исходно качество воды должно соответствовать следующим требованиям:

  • коли-индекс исходной воды не должен превышать 1000 ед/л;
  • содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л;
  • мутность воды не должна превышать 2 мг/л.

При проектировании установок предварительной подготовки воды надо учитывать тот фактор, что при обработке воды, неблагоприятной в микробиологическом отношении, на фильтрах предварительной очистки может образоваться биопленка, что в свою очередь может вызывать увеличение общего микробного числа и ухудшать качество воды. Поэтому, в этих случаях лучше всего применять комбинированные методы обеззараживания воды.

При размещении УФ-установок надо предусматривать возможность вторичного микробиологического загрязнения воды. Это происходит чаще всего из-за того, что водопроводная сеть и связанное с нею оборудования находятся в надлежащем санитарно-техническом состоянии. Поэтому, УФ-обеззараживание наиболее применимо для локальных установок водоподготовки на завершающей стадии обработки воды для обеспечения ее надлежащего питьевого качества, в непосредственной близости от потребителя воды.

В УФ-установках должна предусматриваться периодическая очистка кварцевых чехлов, т.к. в процессе их работы накапливаются отложения органического и минерального происхождения на внутренней поверхности бактерицидной лампы. На практике применяются специальные системы очистки двух типов: механическая и химическая. В первом случае специальная муфта из фторопласта, приводимая в движение специальным механизмом и плотно облегающая кварцевый чехол, периоди-чески скользит по нему. Ее основным недостатком является низкая надежность и небольшая долговечность. Химическая очистка является более простым и эффективным методом. Она осуществ-ляется путем циркуляции через установку воды с добавлением небольших доз пищевых кислот при помощи промывочного насоса. И в первом и во втором случае УФ-установка отключается на проведение профилактических работ. Операция промывки кварцевых чехлов служит для гарантии интенсивности УФ-излучения и, как следствие, качества обрабатываемой воды. Помимо очистки кварцевых чехлов от механических примесей периодически следует производить их дезинфицирующую обработку с использованием стандартных растворов биоцидов.

5.7.      Дозирование химических реагентов.Дозирование химических реагентов становится неотъемлемым процессом для систем очистки воды. Это:

  • дозирование растворов биоцидов (окислителей) в процессах дезинфекции воды;
  • дозирование растворов коагулянтов перед осветляющими фильтрами;
  • дозирование ингибитора в установках обратного осмоса;
  • корректировка химического состава воды в процессах приготовления различного рода напитков;
  • корректировка химического состава воды в теплоэнергетических процессах (вода для водогрейных и паровых котлов, вода для оборотных систем водоснабжения, обработка систем парового конденсата и пр.);
  • дозирование реагентов для дезинфекции воды в плавательных бассейнах и корректировки ее химического состава.

Резервуары подачи растворов химических веществ таких, как антискаланты, коагулянты, флокулянты, биоциоды или восстановители, вещества для корректировки химического состава воды, могут самостоятельно стать источниками загрязнения. Чтобы предотвратить это явление необходимо тщательно изучить все рекомендации изготовителя химических реагентов, чтобы определить соответствующие условия для выбора условий эксплуатации резервуаров и соблюдения «чистоты» приготовления растворов. Как правило, наиболее лучшим подходом к решению проблемы предотвращения роста микробиологических загрязнений в системах дозирования реагентов является обычный комплекс организационно-технических мероприятий: использование постоянных поставщиков реагентов, полная замена запасов реагента и полная периодическая очистка резервуаров с применением моющих и дезинфицирующих средств.

5.8.      Защита очищенной воды.После очистки воды могут потребоваться определенные шаги для поддержания ее микробиологического качества. Независимо от всех используемых в дальнейшем методов поддержания микробиологической чистоты воды следует выполнить петлю рециркуляции от резервуаров для хранения очищенной воды до системы ее распределения для того, чтобы поддерживать минимальную скорость потока воды 1,5 м/с. В целом для поддержания микробиологического качества очищенной воды доступны несколько методов. Первый способ: следует нагреть воду до 80°C и поддерживать эту температуру по всей системе хранения и распределения очищенной воды. Второй способ: следует непрерывно дозировать озон, являющийся чрезвычайно мощным биоцидом, с содержанием его в воде 0,2-0,5 мг/л. Третий способ: следует установить УФ обработку с длиной волны 254 нм на петле рециркуляции и в точках отбора очищенной воды, хотя в этом случае УФ излучение не будет уничтожать биопленку, которая образовалась с системе хранения и распределения воды. Все эти методы эффективны при защите очищенной воды от вторичного микробиологического загрязнения, поэтому при проектировании системы хранения и распределения воды следует учесть только экономические аспекты.

 

     6. РЕЗЮМЕ

     Микробиологическое загрязнение, и особенно рост биопленки, может серьезно отразиться на качестве очищенной воды и нанести существенный эксплуатационный ущерб при работе установок очистки воды. Компоненты с большими площадями поверхности, входящие в систему очистки, такие как, загрузка фильтров и мембранные элементы, относятся к наиболее опасным с этой точки зрения. Если микроорганизмы не могут быть удалены полностью на стадиях предварительной очистки, можно ограничить их рост. Первый шаг в этом направлении - надлежащее проектирование, как самой системы очистки воды, так и составляющих ее компонентов, с целью устранения застойных зон и площадей, которые способствуют бактериальному развитию. Второй шаг – включает в себя непрерывное или периодическое воздействие биоцидов на поверхности компонентов, входящих в систему очистки. Первое не всегда практично, но уменьшает частоту проведения циклов дезинфекционной обработки. Второе почти неизбежно, так как без проведения регулярных циклов дезинфекционной обработки компонентов системы очистки воды, рост микроорганизмов неизбежен.


   Создание сайта: студия «Unstandard»
   Дизайн: С.Черкасов, комп.поддержка: Н.Ксенофонтов

наверх