Очистка воды от микробиологических загрязнений и биопленок в оборотных системах различного назначения

С. П. САМСОНОВА, А. И. СЕРГИЕНКО, Е. В. ШАЛИМОВА, М. А. НЯКИН – АО «Ионообменные технологии»

Й. ТИЛЕМАНН - компания «aqua-mol GmbH»

В процессах водоочистки и водоподготовки особенно важен выбор технологии подавления нежелательной микробиологической активности. Микробиологические загрязнения занимают первое место в оценке степени риска для здоровья человека, а также риска экономических потерь для всех производственных площадок, где есть оборотные системы охлаждения воды. Наиболее распространенный метод борьбы с микроорганизмами – хлорирование воды. Хлорирование питьевой воды применяется с 1870-х годов и по сей день, но ни этот метод, ни другие (кипячение, озонирование, ультрафиолетовое облучение, обеззараживание ультразвуком и проч.) не обеспечивают удаление биопленок. Описаны технологии с использованием установок каталитической обработки оборотной воды не только для удаления микроорганизмов из водяных систем, но в первую очередь для удаления и предотвращения дальнейшего образования биопленок как среды обитания микроорганизмов. Суть технологий заключается в образовании на поверхности металлического нерасходуемого катализатора активных биотензидов (биологические поверхностно-активные вещества естественного происхождения), которые обладают способностью удалять биологические загрязнения из замкнутых водооборотных систем, в том числе биопленки на поверхности оборудования, трубопроводов и т. п. В качестве примера внедрения технологий каталитической очистки водяных систем описано использование установок для обработки воды в системе горячего водоснабжения г. Кировска Мурманской области с целью избавления от сильного неприятного запаха (вызван заражением системы горячего водоснабжения сульфатредуцирующими бактериями и, соответственно, образованием сероводорода и меркаптанов). Применение установок каталитической очистки воды привело к снижению запаха в системе горячего водоснабжения г. Кировска до нормативных требований СанПиН 2.1.4.2652-10.

Ключевые слова: биопленка, легионеллез, сульфатредуцирующие бактерии, водооборотные системы, биотензиды, установка каталитической очистки воды, катализатор.

В системах оборотного водоснабжения используются методы обработки воды, предназначенные для предотвращения накипи, биологических обрастаний, коррозии различного происхождения аппаратов и труб.

В статье [1] показан механизм образования мостиковых водородных структур на поверхности металлов, что является причиной адгезии биослоя на поверхности оборудования, трубопроводов и т. д. При нарастании слоев биопленки, прочность которой обусловлена связью биослоя с ионами металла, создается благоприятная среда для развития бактерий (в том числе и сульфатредуцирующих). В упрощенном виде действие бактерий в биопленках показано на рис. 1.

kar1

Рис. 1. Действие бактерий в упрощенном виде

Биологическая пленка как среда обитания многочисленных микроорганизмов становится причиной неприятного запаха воды, возникновения процессов коррозии металлов и сплавов, таких как нержавеющая сталь, а также может представлять угрозу здоровью людей. Свободно плавающие в воде микроорганизмы составляют лишь 1–2% от биомассы водных систем, соответственно, остальные 98–99% микроорганизмов живут в биопленках.

Процесс жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий приводит к появлению не только неприятного запаха, но и к микробной (бактериальной, микробиологической) коррозии. Большинство сульфатредуцирующих бактерий – облигатные анаэробы, требовательные к низкому значению окислительно-восстановительного потенциала среды. Облигатные анаэробы живут и растут только при отсутствии молекулярного кислорода в среде, поскольку он для них губителен [2].

Примером угрозы здоровью людей может быть присутствие в воде патогенных бактерий Legionella. Это род грамотрицательных бактерий из класса Gammaproteobacteria, вызывающий легионеллез (болезнь легионеров) – сапронозную бактериальную острую инфекционную болезнь с аспирационным механизмом передачи возбудителя. Болезнь легионеров – тяжелая острая пневмония, для которой описаны спорадические случаи и вспышки, в том числе и внутрибольничные. Легионеллез представляет существенную угрозу общественному здоровью. Описаны крупные эпидемические вспышки и спорадические случаи в различных странах мира с высоким процентом летальных исходов (5–20%). Характер этих вспышек значительно отличается от вспышек других респираторных инфекций, что демонстрируют следующие примеры: г. Ульм, Германия, 2010 г., источник возбудителя – градирня в центре города; г. Варштайн, Германия, 2013 г., источник – пруды очистки воды на пивоваренном заводе; г. Коста-Бланка, Испания, 2012 г., вспышка в отеле продолжалась в течение полугода, источник – СПА-бассейн; г. Эдинбург, Шотландияи, 2012 г., источник – градирня; г. Верхняя Пышма Свердловской области, Россия, 2007 г., источник – градирня одного из предприятий города [3].

Для предупреждения случаев легионеллеза важно понимание того, что для его профилактики необходимо снижать концентрацию легионелл в водных объектах термическими, химическими или иными методами за счет удаления природных биопленок легионелл в открытых и закрытых потенциально опасных водных системах, таких как градирни, централизованные системы кондиционирования с водным охлаждением, джакузи, системы горячего водоснабжения, если температура воды не превышает 55 °С (СП 3.1.2.2626-10 «Профилактика легионеллеза. Санитарно-эпидемиологические правила»).

Удаление биологических пленок как среды обитания бактерий позволит исключить опасность заражения людей болезнетворными бактериями. Для предотвращения образования биологических пленок или биообрастаний широко используется технология обеззараживания воды специальными реагентами – биоцидами. Биообрастания удаляют только механическим путем, останавливая оборудование. Рассмотрим альтернативную технологию и установки каталитической обработки оборотной воды (УКОВ), действие которых направлено на устранение биопленок в водяных системах и предотвращение их дальнейшего образования.

Технология каталитической обработки воды представляет собой один из современных способов очистки воды от микроорганизмов и биопленок в оборотных системах различного назначения. Суть технологии заключается в образовании на поверхности катализатора, выполненного из специальным образом активированного металлического сплава, активных веществ – биотензидов (биологические поверхностно-активные вещества естественного происхождения). Биотензиды обладают способностью удалять биологические загрязнения из замкнутых водооборотных систем, в том числе биопленки на поверхности оборудования, трубопроводов и т. п. В результате происходит очищение всех элементов системы, а также исключается возможность образования нового биослоя.

Образование биотензидов происходит вследствие комплексной химико-физико-биохимической реакции на поверхности нерасходуемого катализатора (на основе сплава Cr–Ni–Fe со специальной наноструктурой поверхности) с разрушением клеточных мембран микроорганизмов. В качестве активатора каталитической реакции обеззараживания может быть использован либо специальный реагент на основе стабилизированного 30–35-процентного пероксида водорода, либо облучение поверхности катализатора светодиодной лампой малой мощности (5–10 Вт) – фотокаталитический процесс.

Следует отметить, что реагент используется периодически (первичная шоковая обработка системы, далее дозирование 1–2 раза в неделю), так как это требуется только для активации каталитической реакции. По сравнению с общеизвестными биоцидами расход реагента для УКОВ меньше в 10–30 раз (для шоковой обработки – 3–5 мг/л, далее 1–3 мг/л один или два раза в неделю). Дозирование осуществляется непосредственно в зону размещения катализатора.

Нерасходуемый катализатор представляет собой кассету, выполненную из металлической сетки (реагентный вариант), либо тонкую пленку из металлического сплава (безреагентный вариант). Таким образом, технология отличается простотой, надежностью и низкими эксплуатационными затратами.

Технология каталитической обработки воды была разработана и впервые опробована в 2004 г. в Германии в охлаждающих полях орошения градирни нефтеперерабатывающего завода в г. Нойштат. После установки соответствующего оборудования и ввода его в эксплуатацию биослои на полях орошения градирни и на поверхности теплообменников были уничтожены без каких-либо отрицательных последствий для оборудования, что позволило повысить эффективность производства. Вопросы обработки воды для устранения и предотвращения биологических обрастаний и коррозии в системах оборотного водоснабжения являются актуальными не только для нефтеперерабатывающих предприятий, поэтому технологии каталитической очистки воды нашли применение в других отраслях промышленности, в ЖКХ (системы горячего водоснабжения, хранения питьевой воды, кондиционирования), в системах для обеззараживания фонтанов, бассейнов и т. д.

Для оценки эффективности работы установки в реальных условиях компания «Ионообменные технологии» были проведены пилотные испытания на реальной воде. Пилотная установка приведена на рис. 2.

kar2

Рис. 2. Пилотная установка каталитической обработки воды со светодиодной лампой

Одним из реализованных проектов с использованием УКОВ был проект обработки воды в системе горячего водоснабжения г. Кировска Мурманской области.

В 2014 г. при переходе на новый источник воды в системе горячего водоснабжения города появился сильный запах сероводорода. В 2015 г. специалисты АО «Ионообменные технологии» выполнили комплекс работ, в результате которых качество воды тепловых сетей системы теплоснабжения г. Кировска было доведено до нормативных требований (СанПиН 2.1.4.2652-10 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»).

Гигиеническая оценка теплосети горячего и холодного водоснабжения была привлечена Научно-исследовательским институтом экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина Минздрава России. Исследования проводились по санитарно-химическим и санитарно-микробиологическим показателям, а также по гигиенической оценке качества воды на соответствие нормативным требованиям (СанПиН 2.1.4.2496-09 «Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. Изменение к СанПиН 2.1.4.1074-01»; СанПиН 2.1.4.2652-10, СанПиН 2.1.5.980-00) по гигиеническим, микробиологическим и химическим показателям. Данные исследования показали, что запах воды вызван заражением системы горячего водоснабжения сульфатредуцирующими бактериями и образованием сероводорода и меркаптанов.

Единственным известным способом решения проблемы была полная замена всей трубопроводной сети системы горячего водоснабжения. Однако расходы были немного выше по сравнению со стоимостью испытаний УКОВ.

Первоначально были проведены пилотные испытания на замкнутом контуре. В качестве активатора каталитической реакции были опробованы специальный реагент (35-процентный раствор на основе стабилизированной перекиси водорода) и облучение светодиодной лампой. Установлено, что отслоение биопленки от поверхности трубопроводов и устранение неприятного запаха происходят эффективно в обоих случаях. Применение реагента позволяет интенсифицировать процесс отщепления биопленок. Использование светодиодной лампы проще и удобнее в эксплуатации. При этом эксплуатационные затраты минимальны (мощность светодиодной лампы – 5–10 Вт, работает примерно 10–12 часов в сутки).

Промышленная установка каталитической обработки оборотной воды в корпусном варианте была размещена на трубопроводе подпитки контуров системы горячего водоснабжения г. Кировска (рис. 3).

kar3

Рис. 3. Промышленная установка каталитической обработки воды

Установка была запущена в работу с использованием реагента, что позволило в течение четырех дней произвести отщепление биопленок, освободить систему горячего водоснабжения от микробиологического загрязнения и снизить запах до 1–2 баллов. Для поддержания системы в стабильном состоянии (с точки зрения запаха) установка была переведена на режим фотокаталитической очистки, т. е. в качестве активатора в дальнейшем используется светодиодная лампа малой мощности, работающая по таймеру.

Для получения объективных параметров уровня микробиологического загрязнения в системе горячего водоснабжения использовался люминометр Lumitester PD-30, с помощью которого анализировался уровень АТФ1. Биолюминесцентный анализ – наиболее чувствительный и быстрый метод определения АТФ. После запуска установки за двое суток уровень активности АТФ снизился в три раза (рис. 4).

kar4

Рис. 4. Снижение уровня АТФ активности микроорганизмов со 150 до 50 относительных световых единиц (RLU)

1 – АТФ, контур 2; 2 – АТФ, контур 1

АТФ – аденозинтрифосфат, выполняет важную роль в обмене энергии и веществ в организмах. Является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов. Это энергетические молекулы, которые содержатся во всех животных, растительных, бактериальных и грибных клетках. АТФ является аккумулятором энергии и ее источником для самых разных процессов, протекающих в живой клетке. Чем больше клеток в образце, тем выше в нем содержание АТФ. Полученный результат дает практически мгновенную оценку микробиологического состояния технологического оборудования, трубопроводов и т. п.

Производительность установки соответствует расчетному значению, равному 250 м3/ч. Результаты анализов воды системы горячего водоснабжения на запах (20/60 °С), балл: 3/4 – до начала пуска УКОВ; 1/2 – в период пуска УКОВ; 0/1 – в нормальном рабочем режиме УКОВ (2/2 – требования ГОСТ 3351-74 «Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности»).

Остальные нормируемые показатели качества воды системы горячего водоснабжения г. Кировска (мутность, цветность, растворенный кислород, содержание железа) не ухудшились после ввода в эксплуатацию установок каталитической обработки оборотной воды.

Выводы

Применение установок каталитической обработки воды привело к снижению запаха в системе горячего водоснабжения г. Кировска до нормативных требований СанПиН 2.1.4.2652-10. Установки обоих типов (реагентный и фотокаталитический варианты) просты в монтаже, наладке и обслуживании, не требуют дорогостоящих реагентов и больших затрат электроэнергии, а также могут быть установлены при необходимости в виде картриджа прямо в трубопровод. Установки каталитической очистки воды представляют собой высокоэффективные, экологически безупречные системы для удаления и предотвращения образования биопленок. Следствием их использования является успешная борьба с микроорганизмами, живущими в биопленках, повышение уровня экологической безопасности до максимально возможного (реагенты либо вовсе отсутствуют, либо используется единственный реагент на основе водного раствора перекиси водорода, который превращается в обычную воду). Установки применяются в промышленности (системы оборотного водоснабжения, системы обратного осмоса), жилищно-коммунальном хозяйстве (системы горячего водоснабжения, хранения питьевой воды, кондиционирования), для обработки фонтанов, бассейнов и т. д.

                  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Коппе Ю. Биослой и его уничтожение (“Biofilme und Ihre Eliminierung”, сборник докладов на конференции «4. Merseburger MOL®CLEAN-Tage am 16. und 17. Mai 2006»). Или все по-русски или по-немецки!

2.      Современная микробиология. Прокариоты: В 2-х томах / Под редакцией Й. Ленглера, Г. Древса, Г. Шлегеля. – М.: Мир, 2005. С. 363–368.

3.      Карпова Т. И., Дронина Ю. Е., Тартаковский И. С., Романова Ю. М., Гинцбург А. Л. Природные биопленки легионелл и их роль в эпидемиологии инфекции: методы изучения и моделирования // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2008. № 2. С. 13–16.

4.      Потапов С. А., Ежов А. Ю., Мартынова И. А. Опыт защиты оборудования тепловых сетей от внутренней коррозии и накипеобразования // Коррозия: материалы, защита. 2006. № 12. С. 26–31.