Регистрация

ГЛАВНАЯНОВОСТИГОСТЕВАЯ КНИГАУСЛУГИ И ЦЕНЫКОНТАКТЫБИБЛИОТЕКА
 
  Вернуться назад

Библиотека

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

  Скачать PDF-reader
  Скачать DJVU-reader

СТАТЬИ

ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ В СИСТЕМАХ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ.
(автор: Ген.директор компании "МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" - С.В.Черкасов)

Содержание:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПИЧНЫХ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ
  3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА
  4. ОБНАРУЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ
    1. Препарирование на мембранных фильтрах
    2. Препарирование на предметных стеклах
    3. Микроскопическое исследование препаратов
  5. ВЛИЯНИЕ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ
  6. БИОКОРРОЗИЯ
    1. Аэробный вид коррозии
    2. Анаэробный вид коррозии
  7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОПЛЕНОК эпидемиологически опасными микроорганизмами
  8. БОРЬБА С БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБРАСТАНИЕМ

     Железо необходимо всем живым организмам. В природе оно существует в органических и неорганических соединениях. Главную роль в круговороте железа в природе играют микробы (в данном случае железобактерии).
К группе железобактерий относятся организмы, принадлежащие к различным систематическим единицам: нитчатые бактерии, флексибактерии, одноклеточные бактерии из разных таксономических групп, микоплазмы, цианобактерии и др. Можно считать установленным, что все исследованные чистые культуры известных видов железобактерий обладают гетеротрофным типом обмена, и окисление закисного железа не служит источником энергии для ассимиляции углекислоты. Исключение составляет лишь ряд облигатно-ацидофильных бактерий, характеризуемых автотрофным типом метаболизма. Однако их местообитание ограничено подземными водами сульфидных месторождений, кислыми водами железистых источников (рН менее 4,5).
Для одних кислотоустойчивых бактерий (выдерживают значения рН, равные 2,5) способность к хемолитотрофному образу жизни (получению энергии за счет окисления ионов закисного железа) убедительно доказана. Таким организмом является представитель тионовых бактерий — Thiobacillus ferrooxidans. Для других «классических» железобактерий (например, Gallionella  ferruginea) таких данных нет.

     Железобактерии были открыты в конце XIX века Р. Лиске и X. Молишем, включившими в их число организмов, которые способны откладывать вокруг клеток окислы железа или марганца, независимо от физиологического значения данного процесса для организма.
     После открытия С.Н.Виноградским хемосинтеза сложились две точки зрения на физиологию железобактерий. По концепции С.Н.Виноградского, к которой полностью присоединился Н.Г.Холодный, железобактерии относились к типичным хемолитоавтотро­фам, использующим энергию окисления двухвалентного железа для автотрофной ассимиляции углекислоты. В противоположность этой концепции В.О.Калиненко полагал, что окисление железа есть побочная функция некоторых гетеротрофных организмов. Возникшее противоречие разрешили В.В.Балашова, Г.А.Заварзин и Г.А.Дубинина.

     На основании всех проведенных исследований в настоящее время принято считать, что процесс переработки железа из воды идет по двум каналам,  а именно:

  • минерализация органических соединений, содержащих железо, при участии гетеротрофных микроорганизмов;
  • окисление восстановленных (закисных) и восстановленных окисных соединений железа.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПИЧНЫХ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ

     Состояние железа в водных растворах зависит, прежде всего, от концентрации водородных ионов и растворенного кислорода, что описывается диаграммами полей устойчивости в координатах Red-Ox потенциала (в дальнейшем Еh) – рН. В соответствии с областью устойчивости Fe2+ в системе координат Еh – рН железобактерии подразделяются на три большие группы (рис.1):

  • ацидофильные хемолитотрофы – высокое значение Еh, низкое значение рН (например, Thiobacillus);
  • микроаэрофильные хемолитотрофы и органотрофы – умеренные значения Еh, значение рН, близкое к нейтральному (например, Gallionella, Leptothrix, Crenothrix); 
  • хемоорганотрофы, разрушающие железоорганические соединения − высокое значение Еh, нейтральное значение рН (например, Arthrobacter).

     Подземные воды характеризуются величиной рН, близкой к нейтральной, поэтому в качестве микробиологических агентов систем водоснабжения выступают, как правило, представители двух последних групп, что находит подтверждение в работах ряда исследователей. Ими в системах водоснабжения были обнаружены представители родов: Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Siderocapsa (Arthrobacter).
     Gallionella является типичным представителем одноклеточных железобактерий. Бактерии этого рода представляют собой слегка изогнутые бобовидные клетки, от вогнутой стороны которых отходят длинные переплетенные стебельки, хорошо различимые при микроскопировании. Общая длина стебелька может достигать 1000 мкм. В состав стебелька входят железо в аморфном состоянии и органическое вещество. Более 90 % сухой массы этих организмов приходится на окисное железо. По сравнению со стебельком сама клетка очень мала, ее размеры составляют 0,5−0,6 ;  1,2−1,5 мкм, именно по этой причине клетка Gallionella долго оставалась незамеченной исследователями. В настоящее время установлено, что представители рода Gallionella не имеют клеточной стенки и представляют собой сапрофитные микоплазмы.
     Leptothrix – нитчатый микроорганизм. Наиболее распространенный вид данного рода – L. оchracea. Окисляя закисное железо, он образует гидроокись железа, которая откладывается на поверхности клеток. При этом образуется типичный слизистый чехол, импрегнированный гидроокисью железа, который препятствует сообщению клеток с внешней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покидают его и они приступают к выработке нового. Освободившиеся клетки имеют жгутики и поэтому подвижны. Чехол L. оchracea имеет форму цилиндра, постоянного диаметра на всем протяжении: внутренний – 1 мкм, наружный – 2−3 мкм. Нити L. оchracea никогда не ветвятся.
     Для Crenothrix характерны коническая форма чехла и прикрепление к субстрату узким концом. Железо откладывается только у основания. Длина нитей Crenothrix достигает 3 мм, ширина у основания - 1,5−5 мкм, а у верхнего конца – 6−9 мкм. Клетки Crenothrix размножаются не только поперечным, но и продольным делением, поэтому у открытого конца чехла образуется несколько параллельных рядов. 
     Различные виды рода Siderocapsa в таксономическом отношении принадлежат к коринебактериям рода Arthrobacter и характеризуются большой морфологической вариабельностью, обусловленной возрастом и условиями культивирования. Чаще обнаруживаются кокки или короткие палочки, погруженные в капсулу, в свою очередь окруженную желтыми или коричневыми отложениями, содержащими железо или марганец.
     Единый взгляд на наиболее распространенные формы железобактерий в системах водоснабжения отсутствует. Одни исследователи указывают на Gallionella, другие – на нитчатые организмы Crenothrix, Leptothrix; третьи – на Siderocapsa (Arthrobacter). Однако данные расхождения можно связать с химическим составом воды и условиями эксплуатации систем водоснабжения. 

3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

     Механизмы окисления железа рассмотренными выше организмами весьма разнообразны. Gallionella, например, способна расти на минеральной среде без органических веществ и в процессах окисления закисного железа получать энергию. Выход энергии у Gallionella настолько мал, что для синтеза 1 г клеток этому микроорганизму необходимо выделить 500 г гидроокиси железа.
     У представителей рода Leptothrix окисление железа связано с наличием перекиси водорода, выделяющейся в метаболических процессах при окислении органических веществ. Отложение окислов железа на поверхности клеточных структур в чехлах происходит в результате взаимодействия перекиси водорода с ионами Fe2+. Таким образом, закисные соединения железа в среде необходимы клеткам для ликвидации токсичного продукта метаболизма – перекиси водорода, который ингибирует их рост.
     Деятельность Arthrobacter связывают с окислением железа в результате разложения его органоминеральных комплексов, например соединений с гумусовыми веществами.
     Минерализацию железосодержащих органических веществ проводят многочисленные гетеротрофные организмы (бактерии, грибы, актиномицеты). Только специфические возбудители — хемолитоавтотрофы — способны осуществлять второй процесс. Это — представители рода Thiobacillus — грамотрицательных аэробных бактерий. Основной процесс, проводимый ими, описывается следующей схемой:

4Fe2+ + 4H+ + O2 → 4Fe3+ +2H2O

     В настоящее время железобактерии не рассматриваются как отдельная таксономическая единица. Это физиологическое, экологическое понятие, которое объединяет микроорганизмы, отлагающие на своих поверхностях окислы железа и (или) образующие его оформленные осадки.
Порядок железобактерий объединяет сборную группу одноклеточных бактерий, способных аккумулировать соединения железа и марганца в результате гетеротрофных процессов. Другие организмы, способные к окислению и восстановлению соединений железа, отнесены к другим порядкам: серобактериям (род Thiobacillus) и нитчатым бактериям (род Leptothrix). Бактерии, отнесенные к порядку железобактерий, разделены на 2 семейства. Многие представители этих семейств обладают своеобразной морфологией и сложным жизненным циклом.

     Все семейства перечисленных выше микроорганизмов способны аккумулировать на себе не только соединения железа, но марганца.
Накопление окислов железа и марганца на поверхности бактериальных клеток — результат двух взаимосвязанных процессов: аккумуляции (поглощения) клетками этих металлов из раствора и окисления, сопровождающегося обильным отложением нерастворимых окислов на поверхности бактерий. Процесс аккумуляции тяжелых металлов из растворов в основе имеет физико-химическую природу и в значительной мере обусловлен химическим составом и свойствами поверхностных структур клетки. Он включает связывание металлов внеклеточными структурами (капсулы, чехлы, слизистые выделения), клеточной стенкой и ЦПМ. Сорбционные свойства поверхностных клеточных структур определяются в большой степени суммарным отрицательным зарядом молекул, входящих в их состав. Поглощение металлов приводит к значительному концентрированию их вокруг клеток по отношению к среде. Коэффициент накопления для железа и марганца может достигать величины 105–106.

4. ОБНАРУЖЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ

     Обнаружение микроорганизмов, способных осаждать гидрат окиси железа проводят в процессе микроскопических исследований отложений (биообрастаний) с предварительной обработкой, позволяющей дифференцированно окрасить бактериальные клетки и их чехлы, импрегнированные гидратом окиси железа. 
     Поверхностный слой отложений (биообрастаний) снимают пинцетом и переносят в колбу с притертой пробкой, содержащую 20-25 мл воды из исследуемого трубопровода, резервуара или фильтра станции обезжелезивания. Пробы исследуют, как правило, сразу после их отбора. 
     Содержимое колбы интенсивно взбалтывают и после полуминутного отстаивания надосадочную жидкость методом декантирования сливают в пробирку, из которой после 5-ти минутного отстаивания жидкость сливают в другую пробирку. Препараты для микроскопического исследования готовят из последней фракции.

4.1. Препарирование на мембранных фильтрах

     Каплю жидкости из последней фракции наносят на поверхность мембранного фильтра с диаметром пор не более 0,5 мкм, помещенного на фильтровальную бумагу. После подсушивания на воздухе, фильтр переносят пинцетом на 2-3 минуты на фильтровальную бумагу, увлажненную 2% водным раствором желтой кровяной соли, затем на 2-3 минуты на фильтровальную бумагу, увлажненную 5% раствором соляной кислоты. Далее фильтр отмывают от соляной кислоты, перекладыванием его (не менее 10 раз) по поверхности фильтровальной бумаги, увлажненной водой. Фильтр, отмытый от соляной кислоты, подсушивают на фильтровальной бумаге на воздухе, затем кладут на 60 минут на фильтровальную бумагу, увлажненную 4% раствором эритрозина, приготовленного на 5% растворе карболовой кислоты (фенола). После окончания окрашивания из фильтра удаляют избыток краски, что достигается посредством перекладывания его по фильтровальной бумаге, увлажненной водой (до тех пор, пока на бумаге будут оставаться слабоокрашенные следы). При выполнении всех операций по обработке и окраске препаратов на поверхность мембранных фильтров не должна попадать вода. 
     Для обнаружения микроорганизмов, способных осаждать гидрат окиси железа, в воде, пробы объемом 5 мл, из исследуемого объекта системы водоснабжения (скважины, водопроводной сети, водоразборной колонки, пожарного гидранта, водоразборного крана), пропускают через фильтровальную установку УФ-1 с последовательно расположенными фильтрами №1 или №2 (диаметр пор до 0,5 мкм) и №6 (диаметр пор 3 – 5 мкм). Фильтр №6 для удаления из воды, взвешенных в ней частиц, размещают выше фильтров №1, 2.

4.2. Препарирование на предметных стеклах

     Небольшой объем исследуемой пробы наносят на поверхность чистого обезжиренного стекла, подсушивают на воздухе, фиксируют фламбированием и обрабатывают теми же реактивами, которые применяли при изготовлении препаратов на мембранных фильтрах. После окраски карболовым раствором эритрозина предметное стекло тщательно промывают водой и сушат на воздухе. 
     Оценку интенсивности развития железобактерий на поверхностях оборудования систем питьевого водоснабжения осуществляют с использованием пластинок обрастания, в качестве которых применяют обезжиренные предметные стекла. 
     В связи с тем, что объекты водоснабжения, за исключением фильтров станции обезжелезивания, представляют собой закрытую систему, для оценки интенсивности развития железобактерий на предметных стеклах, последние закрепляют на пенопластовых поплавках и опускают в приемные и распределительные камеры фильтров станций обезжелезивания либо непосредственно в фильтры. 
     Как правило, успешное проведение микроскопических исследований поверхности стекол обрастания возможно при соблюдении периода экспозиции не более 4 часов.
Стекла извлекают из воды, оберегая от смыва прикрепившихся к ним микроорганизмов. Нижнюю часть тщательно протирают 5% раствором соляной кислоты. Полученный препарат высушивают, фиксируют фламбированием и обрабатывают по вышеизложенной методике.

4.3. Микроскопическое исследование препаратов

     Окрашенные препараты рассматривают под микроскопом с иммерсионным объективом при увеличении 1350 или 1800 (объектив от 90х и выше, окуляр 15х или 20х). Изучают качественный состав микроорганизмов и минеральных компонентов отложений. 
     Количество железобактерий и минеральных компонентов в охристых отложениях оценивают в соответствии с вышеприведенной методикой по пятибальной шкале: 5 – массовое развитие (для минеральных компонентов – обильно); 4 – много; 3 – умеренно; 2 – мало; 1 – единично; 0 – отсутствуют. 
     В результате обработки препаратов, по вышеизложенной методике, бактериальные клетки окрашиваются в розовый цвет, а их чехлы, заполненные гидратом окиси железа, приобретают ярко-синюю окраску (цвет берлинской лазури).

5. ВЛИЯНИЕ ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИЙ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ

     Как правило, эксплуатируемые станции обезжелезивания обеспечивают снижение содержания железа в воде от 0,07 до 0,3 мг/л (при подаче в водопроводную сеть). В результате транспортировки воды по водопроводным сетям качество ее ухудшается – увеличивается содержание железа в воде, повышается мутность и цветность. Указанное явление, именуемое как вторичное загрязнение, традиционно связывают с коррозионной активностью воды, которая, как правило, объясняется ее химическим составом. По данным ведомственных лабораторий, в ряде случаев наблюдается увеличение концентрации железа до 1 мг/л и ухудшение качества воды по органолептическим показателям. При этом случаи выявления некачественной воды непостоянны. 
     Обычно, критерием выявления служат жалобы и обращения конечных абонентов по поводу ухудшения качества воды только по органолептическим показателям (ржавый цвет, посторонний привкус, запах). Конечно, выбранные критерии имеют субъективный характер. Однако в первом приближении их можно рассматривать как показатели, указывающие на наличие негативных процессов, происходящих в водопроводной сети.
     На участках сети с наибольшей частотой появления некачественной воды производились отборы проб и выполнялись микробиологические исследования по методикам, изложенным в п.4. В 97% отобранных проб были обнаружены нитчатые микроорганизмы и их фрагменты (чехлы). При этом все рассматриваемые загрязнения носили временный и локальный характер.
     В результате биообрастаний внутренние поверхности металлических трубопроводов покрываются наростами и отложениями, высота которых может достигать 30-40 мм.
Практика показывает, что 30-40% вновь построенных металлических трубопроводов, в результате образования таких наростов, теряют пропускную способность на 20-60% в течение 10-15 лет, а в некоторых случаях даже в течение первых 4-6 лет эксплуатаци. 
     Микроорганизмы, прикрепившиеся к стенкам трубопроводов, образовывают достаточно толстый слой, сокращают их исходное сечение и изменяют гидравлический режим работы водопроводной сети, что в свою очередь приводит к увеличению энергетических затрат на подачу воды потребителям. 
     На основании вышеизложенных исследований и известных физиолого-биохимических особенностей железобактерий рассматриваемых видов был сделан вывод, что загрязнение воды обусловлено заселением стенок трубопроводов железобактериями и неравномерностью гидравлического режима работы водопроводной сети. Это позволяет объяснить проблему вторичного загрязнения воды следующим образом:
     Железобактерии – типичные представители микрофлоры, которые выносятся из источника водоснабжения в водопроводную сеть, после чего закрепляются на стенках трубопровода. Учитывая, что поверхность трубы не является идеально гладкой, а железобактерии в большей своей части представлены нитчатыми формами, на первой стадии происходит механическое удерживание (иммобилизация) микроорганизмов. Закрепившись на стенке трубопровода, железобактерии размножаются, формируя биопленку. Низкие концентрации органических веществ, биогенных элементов и восстановленных соединений железа компенсируются условиями протока. Окисляя закисное железо, клетки образуют гидроокись, которая откладывается на их поверхности в формируемом слизистом чехле. Когда чехол становится достаточно плотным и начинает препятствовать сообщению клеток с внешней средой, они его покидают и начинают формировать новый. Даже при незначительном количестве (менее 0,3 мг/л) железа в воде (прежде всего, двухвалентного) клетки микроорганизмов активно аккумулируют его, так как испытывают в нем физиологическую потребность для удаления токсичных продуктов метаболизма. Таким образом, на поверхности трубопровода появляются участки, покрытые обильными охристыми отложениями, образованными биогенным путем.
При резких изменениях давления и, соответственно, скоростей течения воды, а также знакопеременных потоков в водопроводной сети охристые отложения с внутренней поверхности трубы срываются, ухудшая тем самым качество воды по органолептическим показателям. Если же гидравлический режим водопроводной сети достаточно ровный, то охристые отложения минерализуются, в результате чего на внутренней поверхности трубопровода образуются плотные бугристые отложения, которые с течением времени уменьшают его поперечное сечение.
В процессе роста, кроме органических веществ, микроорганизмы ассимилируют и минеральные, основными из которых являются соединения азота и фосфора. 
Внешний вид охристых отложений различается в зависимости от видов, присутствующих в них железобактерий , а также наличия минеральных компонентов. В одном случае (минеральные компоненты – обильно, железобактерии – единичные клетки) охристые отложения пред­ставляют собой мелкую плотно оседающую порошкообразную взвесь. В другом – охристые отложения имеют хлопьевидную, кустиковидную структуру или представляют собой рыхлокрошковатый осадок, легко сдвигающийся при изменении потока воды.
Образование охристых отложений также способствует протеканию коррозионного процесса, связанного с возникновением дифференцированно аэрируемых ячеек и кислородной деполяризацией участка металла, подвергшегося обрастанию. Сущность механизма образования дифференцированно аэрируемых ячеек состоит в следующем. В воде, протекающей по трубопроводу, содержится определенное количество кислорода. Участки трубопровода, не подвергшиеся обрастанию железобактериями, омываются водой и хорошо вентилируются. Участки под охристыми отложениями водой не омываются и поэтому аэрируются слабее. Таким образом, на поверхности внутренней стенки трубы создаются дифференцированно аэрируемые ячейки, в которых вентилируемые участки имеют более высокий потенциал и функционируют как катод, а менее аэрируемые, подвергшиеся обрастанию, действуют как анод. В анодной зоне железо растворяется в соответствии с уравнением:

Fe = Fe2+ + 2e,

следовательно, возникает процесс коррозии. Именно поэтому после механического разрушения минерализованных охристых отложений под ними во всех случаях обнаруживаются коррозионные повреждения материала труб.

6. БИОКОРРОЗИЯ

     Деятельностью железобактерий, по мнению специалистов, может быть обусловлено от 50 до 80% коррозионных повреждений трубопроводов подачи воды. А на водопроводные сети в настоящее время приходится до 70% затрат при капитальном строительстве, и не менее 50% при их эксплуатации. 
     Микробиологическая коррозия может осуществляться различно: за счет непосредственного воздействия продуктов метаболизма микроорганизмов (СО2, Н2S, NН3, органические и неорганические кислоты) на металлические и неметаллические конструкции; путем образования органических продуктов, действующих как деполяризаторы или катализаторы коррозионных реакций; а так же, при условии, когда коррозионные реакции являются отдельной частью метаболического цикла бактерий.
     Коррозионные процессы, протекающие на поверхности материалов, зависят от физико-химических условий в приповерхностном слое. На интенсивность течения коррозии оказывают влияние рН, концентрация кислорода, окислительно-восстановительный потенциал, а также концентрация химических соединений.
     Расположение биопленок, присутствующих в среде непосредственно на поверхности материала, обусловливает тот факт, что перечисленные параметры в приграничном слое существенно отличаются от таковых в водной фазе. В этой связи, биопленки на поверхности материала могут оказывать заметное влияние на кинетику коррозионного процесса.
     Различают аэробный и анаэробный виды коррозии.

6.1. Аэробный вид коррозии

     Осуществляется в присутствии достаточного количества свободного или растворенного в воде кислорода. Аэробной коррозии подвержены бетонные и стальные водопроводные трубы, насосы и различное оборудование системы водоснабжения, каменные, бетонные сооружения и стальные конструкции подземных сооружений, где образуются кислые воды. Возбудителями аэробной коррозии являются тионовые, нитрифицирующие и железобактерии. В результате жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий агрессивные коррозионные среды создаются за счет накопления серной и азотной кислот – конечных продуктов их метаболизма. Участие железобактерий в коррозионном процессе связывают с образованием дифференцированно аэрируемых ячеек. 
     Тионовые бактерии ответственны за возникновение различных восстановленных соединений серы, которые осуществляют один из этапов превращения этого элемента в природе. Тионовые бактерии широко распространены не только в водоемах, но и в почвах, и в разрушающихся горных породах. Им принадлежит ведущая роль в окислении неорганических соединений серы. Представителями тионовых бактерий являются Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus thioparus и др. Тионовые бактерии представляют собой типичных хемолитотрофов, которые развиваются в простых минеральных средах. Источником азота для них служат соли аммония или нитраты. Растут тионовые бактерии при различных значения рН. Среди них есть термофилы (Thiospirillum pistiense) с оптимумом роста 50 оС и выше. Значительное количество их отмечается в термальных источниках вулканического происхождения. Наличие минеральной среды вблизи вулканов и серной кислоты в водных источниках обусловлено деятельностью тионовых бактерий. Они являются энергичными окислителями сероводорода. При участии данных бактерий в природных условиях происходит окисление сульфидов и выщелачивание металлов. Доказано, что основная роль в окислении широкого круга соединений серы до сульфатов принадлежит представителям рода Thiobacillus. В связи с этим роль тионовых бактерий как фактора создания агрессивных сред очень велика. Тионовые бактерии, обладающие мощным ферментативным аппаратом, по своей окислительной активности могут конкурировать с агентами процессов химического окисления сульфидов металлов, элементарной серы, сульфата закиси железа. Известно, что скорость бактериального окисления дисульфида железа в условиях кислой среды в миллионы раз выше скорости химического окисления. В процессе бактериального окисления пирита протекают химические реакции, в результате которых происходит активное снижение рН среды за счет образования серной кислоты:

FeS2 + 3,5O2 + H2O = FeSO2 + H2SO4,
2FeSO4 + 0,5O2 + H2SO4  = Fe2(SO4)3 + H2O,
FeS2 + Fe2(SO4)3 = 3FeSO4 + 2S0,
S0 + H2O + 1,5O2 = H2SO4.

     Роль тионовых бактерий, как факторов коррозии металла, сводится не только к образованию серной кислоты. Thiobacillus ferrooxidans окисляет закисное сернокислое железо до окисного, являющегося чрезвычайно агрессивным по отношению к металлическим сооружениям, поскольку оно выступает как активный окислитель. Окисное железо, принимая электроны с поверхности стали или железа, восстанавливается до закисного, которое, в свою очередь, снова окисляется до окисного бактерией Thiobacillus ferrooxidans. В условиях, благоприятных для развития тионовых бактерий, процесс образования окисного железа может идти постоянно, вследствие чего существует угроза постоянного разрушения металла под действием этого соединения. Понятно, что коррозионные процессы с участием тионовых бактерий могут происходить в системе водоснабжения при транспортировке воды с низкими значениями рН и содержанием сульфидов (сероводорода).
     Возникновение кислых агрессивных сред может происходить и в результате деятельности нитрифицирующих бактерий. Процесс нитрификации связан с образованием азотной кислоты за счет окисления аммиака. Окисление его происходит в две фазы:

NH3 + 1,5 O2 = HNO2 + H2O + 73 ккал.,
HNO2 + 0,5 O2 = HNO3 +17 ккал.

     Возбудителями первой фазы нитрификации являются  представители Nitrosomonas, Nitrosocystis и др., возбудителями второй – Nitrobacter vinogradskii
     Участие железобактерий в процессе аэробной коррозии, в отличие от участия тионовых и нитрифицирующих бактерий, сводится к иному механизму – образованию дифференцированно аэрируемых ячеек на поверхности коррозируемого субстрата. Сущность механизма образования дифференцированно аэрируемых ячеек мы уже рассмотрели ранее.

6.2. Анаэробный вид коррозии

     Основными возбудителями анаэробной коррозии являются сульфатредуцирующие бактерии, ответственные за восстановление сульфатов до сероводорода и относящиеся к родам Desulfovibrio и Desulfotomaculum.
     В настоящее время существует несколько гипотез относительно механизма анаэробной коррозии стали, железа и алюминия под действием сульфатредуцирующих бактерий, из которых представляют интерес следующие:

  • катодная деполяризация, проявляющаяся в стимуляции катодного участка коррозирующего металла путем перемещения и потребления бактериями поляризованного водорода;
  • стимуляция катодной деполяризации твердыми сульфидами железа, образующимися в результате взаимодействия ионов железа с сульфид-ионами, которые являются конечным продуктом бактериального восстановления сульфатов.

     Существо процесса заключается в том, что сульфатредуцирующие бактерии используют сульфидную пленку (сульфид железа) как катод, осуществляя катодную деполяризацию с использованием водорода для последующего восстановления сульфатов. Поскольку сульфид железа, образованный сульфатредуцирующими бактериями, выступает как катод, а коррозионное разрушение происходит на железе (аноде), то создаются благоприятные условия для протекания двух упомянутых выше электрохимических реакций.
     В случае сероводородной коррозии, обусловленной жизнедеятельностью сульфатредуцирующих бактерий, интенсивно идут следующие реакции: ион металла, связываясь с сульфид-ионом, ослабляет перенапряжение концентрации ионов металла в приэлектродном слое, ускоряя анодную реакцию; сульфатредуцирующие бактерии, снижая перенапряжения Н2  в приэлектродном слое, ускоряют реакцию. Поэтому суммарный процесс двух реакций обеспечивает ускорение коррозии по сравнению с химической сероводородной коррозией (без участия сульфатредуцирующих бактерий) в десятки и сотни раз; сульфатредуцирующие бактерии ускоряют коррозию в анаэробной зоне за счет утилизации водорода катода с помощью гидрогеназной  системы. Микробиологическая коррозия больше связана с потреблением водорода, чем с восстановлением железа. Гирогеназная активность рассматриваемых микроорганизмов подтверждена исследованием их бесклеточных экстрактов. 
     В этих условиях вопрос рационального использования водопроводных сетей и, прежде всего, металлических трубопроводов приобретает особое значение. Эта задача напрямую связана с масштабами применения металлических труб в системах водоснабжения. По сравнению с трубами из других материалов они транспортабельны, имеют более высокую прочность, хорошо отработанную технологию соединения и ремонта, относительно невысокую стоимость. Но, как ни странно, из металлических труб, используемых в коммунальном водоснабжении, стальные в большей степени, чем чугунные, подвержены коррозионным разрушениям.

7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОПЛЕНОК эпидемиологически опасными микроорганизмами

     В биопленках, образованных на поверхностях оборудования систем водоснабжения железобактериями, могут активно размножаться другие микроорганизмы.
    Даже если биопленки образованы из полностью безвредных, олиготрофных видов, возникновение в бедной питательными веществами системе локальных зон, обогащенных биомассой, способствует появлению и развитию эпидемиологически опасных организмов – патогенных бактерий, грибов, простейших, паразитов, а также вирусов.
    Так в биопленках, образованных железобактериями, обнаруживали Escherichia coli, бактерии рода Pseudomonas, а также энтеровирусы.
    Бактериальная плотность таких микроорганизмов в биопленке может колебаться в области от 107 до 1011 КОЕ/мг массы биопленки. Отделение микроорганизмов из биопленки происходит, как правило, бессистемно и может быть обусловлено рядом факторов, из которых следует выделить:

  • увеличение биомассы обрастания до некоторой «критической» величины;
  • изменение экологических условий (концентрация питательных веществ, переключение на другой источник водоснабжения, качественный состав биоценоза, температура, давление, концентрация кислорода и т.п.);
  • возникновение знакопеременных потоков в трубопроводе.

    Микроорганизмы вырываются из биопленки потоком воды как более или менее непрерывно (постоянно), так и срываются «лоскутом». Поэтому пробы воды никоим образом не могут показать, где и в каком количестве образуются биопленки.
    Важным критерием оценки биопленок обрастания является создаваемый ими потенциал микробиологического загрязнения (в зарубежной литературе –  контаминационный потенциал).
    Условное представление о количественных параметрах биомассы, которая существует в качестве потенциала бактериального загрязнения  в отдельных участках системы питьевого водоснабжения, можно получить на основании приблизительного (ориентировочного) расчета, исходя из формулы:
                                                                            Q = 4q /d,
где Q – потенциал бактериального загрязнения, КОЕ/м3;
      q – бактериальная плотность КОЕ/м2;
      d – диаметр трубопровода, м.
    Зная количество клеток на единице поверхности,  рассчитывают общее количество микрофлоры на одном квадратном метре омываемой поверхности (q). Допуская единовременное смывание всех микроорганизмов, определяют возможную концентрацию клеток в единице занимаемого объёма (Q).
    Естественно, эта оценка очень грубая, она не  учитывает скорости роста микроорганизмов биопленки (и всех влияющих на него параметров), гидродинамических условий эксплуатации, колонизируемого материала и т.п., тем не менее, она позволяет предполагать возможную дополнительную биологическую нагрузку на систему водоснабжения.
    В результате жизнедеятельности и отмирания микроорганизмов биопленки обрастания снижается качество питьевой воды: повышается мутность, цветность, ухудшаются органолептические показатели.
    Часто, особенно в тупиковых участках сетей водопровода, в условиях анаэробиоза выделяют сульфатредуцирующие микроорганизмы.

    Наличие в системе сульфатредукторов обусловливает появление сероводородного запаха, а при взаимодействии с железом ведет к образованию сульфида железа, который имеет черный цвет.
    Присутствие в воде посторонних запахов связывают также с развитием в биопленках актиномицетов.

    В отдельных работах сообщается, что железобактерии, формируя биопленку обрастания на внутренней поверхности водопроводной сети, осуществляют в некотором смысле «биологическую дефферизацию» питьевой воды, вследствие чего вода приобретает «ржавый» цвет.

8. БОРЬБА С БИОЛОГИЧЕСКИМ ОБРАСТАНИЕМ

    Биологическое обрастание сетей и сооружений систем водоснабжения создает конфликт между жизнедеятельностью, присущей водным микроорганизмам, и эффективным функционированием поверхностей оборудования и трубопроводов, омываемых водой, которая является естественной средой обитания этих организмов. Этот конфликт рациональнее всего разрешать не путем борьбы с природными факторами биобрастания, а методами избирательного предупреждения обрастания и повреждения каждого отдельного типа оборудования в зависимости от его размещения в системе водоснабжения.
    В научно-техническом плане защита от обрастания является комплексной проблемой, требующей участия различных специалистов: биологов, химиков, физиков, технологов, инженеров.
    Установленная на протяжении многих лет прямая зависимость образования, роста и развития биообрастаний с санитарным состоянием водоисточников и химическим составом воды в них доказывает, что первоочередной задачей избирательного предупреждения обрастания является охрана этих источников водоснабжения от попадания в них загрязнений. Решение этой задачи в области питьевого водоснабжения возлагают на так называемые санитарные охранные зоны источников водоснабжения СанПиН 2.1.4.027.
    В ряде случаев для предупреждения образования обрастаний необходима соответствующая обработка воды. При выборе источника водоснабжения всегда необходимо выяснить, в какой мере и какого рода обрастания могут образовываться при дальнейшем его использовании. Необходимые для этого сведения можно получить путем гидробиологического обследования планируемого водоисточника.
    В тех случаях, когда источником водоснабжения служат подземные воды, содержащие повышенные концентрации железа или сероводорода, предупреждение развития железобактерий или серобактерий в системе водоснабжения состоит в предварительной обработке воды, т.е. ее дефферизации. В последнее время для решения этой задачи наиболее широко применяют фильтры каталитического обезжелезивания. Применение таких фильтров позволяет достичь остаточной концентрации железа в воде не выше 0,1 мг/л, а сероводород удаляется практически полностью.
    В числе мероприятий, применяемых для предотвращения биообрастаний, широко используются:

  • купоросование в зоне водозабора,
  • внедрение процессов микрофильтрации и ультрафильтрации перед поступлением воды на основное водоочистное оборудование,
  • использование флокулянтов для повышения скорости и эффективности осаждения микроорганизмов, 
  • проведение обеззараживания с обязательным соблюдением времени контакта обрабатываемой воды с биоцидом, например, с хлором или озоном,
  • удаление органических веществ и т.д.

    Ограничение роста массы биообрастаний путем удаления из среды питательных веществ, представляет собой важнейшую задачу при борьбе с ними. Одним из важнейших факторов роста биопленок в воде является содержание органического углерода в воде, как растворенного, так и связанного (в коллоидных формах). Этот параметр считают определяющим для биологической стабильности воды. Очевидно, немаловажную роль для формирования биоценозов обрастания играет так же содержание в воде и других питательных веществ. Поэтому, теоретическое обоснование разработки эффективных методов борьбы с биообрастаниями в системах питьевого водоснабжения должно быть основано на изучении влияния биогенных элементов на микробный состав биообрастаний и их интенсивность.
    Принято считать, что основным источником питательных веществ для микроорганизмов являются химические соединения, выделяемые в воду поверхностью, которая подвергается обрастанию биопленкой. Т.е. определенные химические соединения могут диффундировать из материала в среду и оказывать активирующее или ингибирующее воздействие на рост биопленки.
    Исследования образования биопленок на высококачественной стали, поливинилхлориде, полиэтилене и меди, проведенные Г.-К. Флемингом и Л. Грубертом при разном времени экспозиции в питьевой воде, показали, что существенные отличия в плотности заселения микроорганизмов на различных материалах сглаживаются (выравниваются) при длительном времени экспозиции. Так, по данным Л. Груберта после максимальной (восьмимесячной) эксплуатации полиэтиленового трубопровода на его поверхности образовывается такая же биопленка, как и на стальных трубах, обработанных специальными покрытиями. Даже на поверхности меди, которая на первоначальных этапах экспозиции (свежая поверхность) заселяется незначительно, после эксплуатации от месяца до года обнаруживается достаточно развитая биопленка.
    Это характерно также и для минеральных материалов. Например, остатки органических веществ на цементных поверхностях приводят к усиленному росту биопленок. Органические составляющие цемента также могут быть использованы в качестве питания для роста биопленок, даже если они первоначально находятся в связанном состоянии со щелочной матрицей цемента и встречаются там только в небольших концентрациях (0,2 – 0,5%). Они высвобождаются путем абиотических коррозионных процессов и стимулируют рост микроорганизмов.
    Таким образом, зависимость скорости биологического обрастания от химического состава материалов, используемых в системах водоснабжения, является основным фактором для правильного подбора последних. Именно поэтому, в составе мероприятий, применяемых для предотвращения обрастаний, способствующих коррозии труб и элементов оборудования, омываемых водой, главной задачей технологов является не только выбор технологии и подбор собственно технологического оборудования, но и материалов, из которых это оборудование изготовлено.
    Для борьбы с обрастаниями в резервуарах большое значение имеют такие простые профилактические мероприятия, как своевременная и тщательная промывка и дезинфекция.
    Смыв обрастаний с поверхностей в значительной мере зависит от качества отделки конструкций резервуара. Чем менее гладкая поверхность, чем больше она содержит шероховатостей, тем менее эффективно происходит удаление с нее органических веществ при промывке, тем большее количество микроорганизмов остается на стенах, перегородках, колонах. Более гладкая поверхность таких покрытий существенно затрудняет прикрепление микроорганизмов.
    Как показали исследования на действующих резервуарах, промывка из брандспойта обеспечивает удаление слизи и обрастаний с поверхностей резервуаров только в местах непосредственно направленной струи. Там, где поверхность обрабатывается размытой струей, смыв обрастаний бывает неполным. Особенно это касается обрастаний, образованных железо- и серобактериями, для снятия которых требуется обработка скребками.
    Кроме того, применение получают защитные бактерицидные покрытия стенок резервуаров, содержащие токсические для микробов вещества. Механизм их действия заключается в ламинарном (пристеночном) слое покрытия такой концентрации биоцида, которая была бы достаточной для уничтожения попадающих в него расселительных форм. Необходимая концентрация биоцида, превышающая некоторое критическое значение, поддерживается благодаря постоянному выщелачиванию его из покрытия.
    Прямое обеззараживание воды в резервуаре, по возможности, необходимо производить при полном его заполнении, с целью предотвращения вторичного инфицирования воды микроорганизмами, иммобилизованными на стенках резервуара выше уровня воды.
    Так последующая после смыва обрастаний со стенок резервуара дезинфекция хлором в дозах 50-70 мг/л при времени экспозиции 24 ч убивает микрофлору и гидробионтов, находящихся в поверхностном слое оставшихся обрастаний, разрушает слизистые пленки обрастаний, и они легче смываются с поверхностей резервуара. С другой стороны при высокой шероховатости стенок резервуара микроорганизмы, развившиеся в углублениях, порах, неровностях стен, сохраняют жизнеспособность. Более того, получая доступ к органическим веществам, которые под воздействием хлора переводятся в легко усвояемую для них форму, они могут дать повторные вспышки роста.
    Поэтому при выборе емкостного оборудования необходимо учитывать не только материал, из которого оно будет изготовлено, но и степень шероховатости его внутренней поверхности.
    При выборе времени экспозиции следует учитывать степень и особенности воздействия дезинфектантов на микроорганизмы биопленок. Известно, что бактерии в форме биопленок переносят более значительную концентрацию биоцидов (более чем в два раза) по сравнению с планктонными клетками и для их уничтожения необходимо более длительное время воздействия токсикантов.
    Г.-К. Флеминг показал, что хлор проникает в биопленку не на всю глубину, поэтому некоторые зоны оказываются не хлорированными.
    T. Грибе на примере псевдомонад, выделенных из питьевой воды, показал, что защита от хлора связана у них с образованием  внеклеточных полимерных веществ.
    Г.-К. Флеминг, выявивший массовое развитие железобактерий в распределительной водопроводной сети  города Эберсвальда, установил, что они совместно с другими микроорганизмами формировали гетеротрофную биопленку и были существенно защищены от хлорирования.
    Т.е. в результате применения в качестве дезинфектанта хлора с недостаточной экспозицией, как правило, происходит только частичное разрушение биопленок, образуются легкоокисляемые органические соединения, что способствует активному вторичному микробному росту. Кроме этого при взаимодействии хлора с органическими веществами биопленок возможно также образование соединений, обладающих канцерогенными свойствами.
    В практике водоснабжения для дезинфекции питьевой воды используются как реагентные, так и безреагентные методы.
    Среди безреагентных методов обеззараживания воды наиболее широко известна обработка ее ультрафиолетом. К безреагентным методам дезинфекции, можно также отнести мембранные технологии очистки воды, так как диаметр пор большинства обратноосмотических мембран меньше размеров клеток многих водных микроорганизмов.
    Реагентные методы основаны на применении различных химических соединений, обладающих бактерицидными свойствами. Наиболее распространенные дезинфектанты – хлорсодержащие соединения (хлор, гипохлорит натрия, хлорная известь, диоксид хлора), озон, полигексаметиленгуанидины, препараты на основе перекиси водорода, с содержанием ионов серебра, меди и т.п.
    Выбор метода дезинфекции обуславливается рядом таких факторов, как микробный и химический состав питьевой воды, экономичность, безопасность, возможность образования токсичных побочных продуктов в воде при ее обеззараживании, бактерицидная эффективность и т.п.
    Бактерицидные свойства дезинфектанта, как правило, определяются по отношению к планктонным (свободно плавающим в объеме воды) клеткам тест-культур (например, Escherichia coli). В тоже время, благодаря развитию и применению новых микробиологических и молекулярно-биологических методов исследований, в последнее десятилетие минувшего века стало хорошо известно, что подавляющее большинство бактерий существуют в природных экосистемах не в виде свободно плавающих клеток, а в специфически организованных, прикрепленных к субстрату биопленок. В природе биопленки распространены повсеместно. Не является исключением и такая техногенная экологическая ниша, как система питьевого водоснабжения.
    Проведенные в 2001 – 2006 г. микробиологические исследования показали, что присутствующие в составе подземных вод микроорганизмы формируют на внутренних поверхностях водоподъемных труб скважин, водоводов, резервуаров чистой воды, фильтров станций обезжелезивания и водопроводов биообрастания (биопленки), которые оказывают разнообразное и значительное влияние на систему водоснабжения.
Реакция микроорганизмов на изменение условий окружающей среды в биопленке существенно отличается от реакции каждого отдельного вида в монокультуре. Такая организация обеспечивает ее физиологическую и функциональную стабильность и, следовательно, является залогом конкурентного выживания в экологической нише.
    Как следует из результатов исследования процессов биологических обрастаний трубопроводов, при увеличении скорости течения воды биомасса обрастания сначала возрастает, что связано с усилением аккумуляции и роста. При скоростях, превышающих критическое значение – 0,2-0,5 м/с, она резко снижается, вероятно, вследствие возрастания напряжения сдвига в пограничном слое и нарушения условий адгезии и прикрепления. Наконец, при скорости течения, превышающей 1,5 м/с, обрастание вообще оказывается невозможным.
    Понятно, что для обеспечения таких скоростей потока, необходимо уменьшать диаметры водопроводов, однако, это приведет к росту энергетических затрат на подачу воды потребителям, поэтому при расчете диаметров трубопроводов и подборе материалов, из которых они будут изготовлены, необходимо проводить математическое моделирование гидродинамических процессов с учетом шероховатости труб.
    Уничтожение уже развившихся обрастаний ведется, как правило, химическими методами. Химическая защита от биообрастания, основанная на применении токсичных для микроорганизмов веществ (биоцидов), ввиду использования системы водоснабжения для питьевых нужд, крайне ограничена. Самый известный и в настоящее время наиболее широко применяемый метод – хлорирование. Оптимально необходимые дозы хлора устанавливаются с учетом хлоропоглощаемости воды и должны обеспечивать наличие остаточного хлора в соответствии с СанПиН 10-124 РБ 99. Дозы хлора, время контакта и периодичность воздействия зависят от того, какие организмы преобладают в обрастаниях.
    Режимы хлорирования (периоды подачи хлорированной воды и интервалы между ними) могут быть весьма разнообразными. Если обрастания образуются быстрорастущими микроорганизмами, периоды подачи хлора устанавливаются порядка 5-15 мин, а интервалы между ними – 45-55 мин.
    Интервалы между периодами подачи хлора подбираются такими, за время которых возможно крайне небольшое оседание и прикрепление микробов. В период подачи хлора они окажутся убитыми, а поверхность металла освеженной. Слизистые налеты при этом распадаются и легко смываются напором воды.
    Для борьбы с подвижными, плавающими клетками микробов обычно применяются низкие дозы хлора, например, такие, какие подаются на питьевых водопроводах для дезинфекции воды.
    Рациональные режимы хлорирования должны устанавливаться во всех случаях на основании изучения биологии и физиологии соответствующих организмов, вызывающих обрастание.
    Применение хлора имеет свои недостатки. Известно, что даже при концентрации свободного хора в воде до 4 мг/л и времени воздействия 8 часов на обрабатываемой поверхности сохраняется до 20% микрофлоры биопленки обрастания.
    Главное преимущество хлорирования перед альтернативными методами заключается в создании в воде его остаточного последействия, что обеспечивает сохранение качества воды в распределительных сетях. Поэтому, несмотря на расширение применения других методов обеззараживания, технологии с использованием жидкого хлора являются наиболее распространенными.
    Совершенствование технологии хлорирования остается актуальным, поскольку известны негативные факторы применения сжиженного хлора. В первую очередь это токсичность газообразного хлора (он относится к сильнодействующим ядовитым веществам), взрывоопасность из-за высокой реакционной способности и высокая коррозионная активность водных растворов. Другим известным недостатком процесса является образование при хлорировании, как указывалось выше, галогенорганических соединений. Основными и наиболее опасными среди них являются летучие галогенорганические соединение (ЛГС), большую часть которых при хлорировании природных вод составляют тригалогенметаны (ТГМ). Среди ТГМ наиболее вероятным является образование хлороформа, содержание которого, по некоторым оценкам, на 1 – 3 порядка выше других ЛГС. Необходимо также учитывать тот факт, что хлорирование приводит к появлению наряду с хлорсодержащими соединениями и их бромсодержащих аналогов (бромдихлорметан и дибромхлорметан). Причем ПДК для бромдихлорметана и дибромхлорметана почти в семь раз ниже, чем для хлороформа, и в отдельных случаях они вносят основной вклад в составляющую токсичности воды. Поэтому снижение дозы хлора при первичном хлорировании воды является одним из наиболее доступных приемов, предотвращающих образование ЛГС на действующих водопроводах.
На взаимодействие хлора с органическими веществами, в результате которого образуются ЛГС, оказывает влияние их состав и количество, а также сочетание процесса хлорирования с другими технологическими процессами, такими как коагулирование, фильтрование, озонирование. Установлено, что в процессе коагуляции, отстаивания и фильтрования ЛГС из воды, как правило, не удаляются, а после вторичного хлорирования их концентрация в очищенной воде возрастает и в резервуаре чистой воды достигает максимального значения. Образование ЛГС значительно уменьшается, если хлорированию подвергается вода, предварительно очищенная от взвешенных и растворенных органических веществ в процессе коагуляции, отстаивания и фильтрования. Таким образом, важным мероприятием, направленным на снижение суммарного количества ЛГС, является эффективная очистка обрабатываемой воды от природных органических соединений и микрофлоры, ответственных за образование ЛГС.
    В настоящее время осуществляются мероприятия по сокращению числа объектов, использующих жидкий хлор. В своем большинстве поиски новых дезинфектантов осуществляются из ряда менее токсичных хлорсодержащих реагентов.
    Одним из возможных путей обеззараживания воды является переход на использование гипохлорита натрия. Дезинфекция воды гипохлоритом натрия, получаемым электролизом растворов хлорида натрия или прямым электролизом воды, является разновидностью хлорирования, поскольку в обоих случаях образуются одни и те же бактерицидные агенты HClO, HClO- и Cl2.
    Вероятность утечки хлорного газа, которая требует соблюдения строгих мер безопасности при хлорировании, высокая стоимость дозирующих устройств, детекторов газа, скрубберных систем и сопутствующего оборудования предоставляет возможность гипохлориту натрия составить реальную альтернативу газовому дозированию.
    Основным преимуществом гипохлорита натрия является отсутствие проблемы транспортировки, хранения и использования хлорного газа. Однако жидкий химикат сам имеет несколько недостатков. Помимо экономического, существенным является образование гипохлоритом натрия таких побочных продуктов, как хлорид и хлорат. Эта проблема, связанная со сроком хранения химиката, как правило, особенно обостряется в летний период. Применение гипохлорита натрия не исключает образования в питьевой воде хлорорганических соединений.
    Более перспективным  при подготовке воды считается использование диоксида хлора. Диоксид хлора (ClO2) представляет собой неустойчивый газ, который может производиться на месте использования в виде раствора из соляной кислоты и гипохлорита натрия (NaCIO2) в результате следующей реакции:
                                                   5NaClO2 + 4HCl = 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O
    По своим дезинфицирующим свойствам диоксид хлора в 4 раза превосходит воздействие хлора и практически не имеет свойственных ему сопутствующих негативных последствий благодаря особому механизму химического воздействия на загрязняющие вещества и микроорганизмы.
    Диоксид хлора имеет следующие преимущества по сравнению с хлором:

  • не образуются тригалогенметаны (ТГМ) и хлорфенолы;
  • практически не образуются не удаляемые органические галогены (НОГ);
  • не происходит реакция с NH4+ и другими соединениями азота;
  • сильное дезинфицирующее действие практически не зависит от значений pH воды;
  • оказывает сильное воздействие на споры, вирусы и водоросли;
  • не вносит негативных изменений в запах, вкус и цвет воды;
  • окисляет органические соединения железа и марганца;
  • улучшает флокуляцию необработанной сырой воды;
  • умягчает воду;
  • обладает долгосохраняющимся (до 7 суток) бактерицидным эффектом в водораспределительных системах и, как следствие, может широко использоваться для удаления микробиологических отложений в водопроводах.

    Последнее свойство диоксида хлора является самым привлекательным для целей резкого повышения качества питьевой воды, поступающей потребителям. Обладая длительным бактерицидным эффектом, диоксид хлора предотвращает вторичное загрязнение воды в сетях. В составе загрязнений, поступающих в точки водоразбора, основное количество приходится на продукты жизнедеятельности живущих в трубопроводах бактерий. Диоксид хлора, уничтожая их на всей протяженности распределительной сети, очищает водопровод без серьезных капитальных затрат. При постоянном денежном дефиците муниципальных бюджетов данный факт является весьма актуальным.
    Благодаря длительному бактериостатическому эффекту диоксид хлора в настоящее время применяют как последний технологический этап при подготовке питьевой воды в больших системах водораспределения (например, в Дюссельдорфе, Цюрихе, Брюсселе, Париже).
    Достоинством технологии, использующей диоксид хлора, является то, что для дезинфекции необходимы очень малые дозы реагента. В большинстве случаев достаточно концентрации 0,1 мг ClO2 на литр воды.
    Монохлорамин и перекись водорода оказывают, по сравнению с хлором, лучшее дезинфицирующее действие на организмы биопленок. Однако в случае их применения в качестве биоцидов на первый план выступают экономические факторы, поскольку стоимость этих реагентов достаточно велика.
    К сожалению, исследования по воздействию известных биоцидов на микроорганизмы относятся, в большинстве своем, к суспендированным (планктонным) клеткам. Эффективность воздействия биоцидов на клетки биопленки до конца не выяснена, т.к. микроорганизмы в биопленке распределены неравномерно и часто, как показано выше, оказываются защищенными от воздействия биоцидов внеклеточными полимерными веществами.
    В последние годы в Институте эколого-технологических проблем (Россия) интенсивно разрабатывается новый класс полимерных алкилен- и оксиалкиленгуанидиновых антисептиков. Эти препараты представляют собой водорастворимые полимеры с широким спектром биоцидного действия, высокой стабильностью и низкой токсичностью.
    Биоцидные свойства полигуанидинов (ПГ) обусловлены наличием в их повторяющихся звеньях гуанидиновых группировок, являющихся активным началом некоторых природных и синтетических лекарственных средств и антибиотиков. Гидрофобные полиэтиленовые звенья, соединяющие гуанидиновые группировки, способствуют адсорбции ПГ на фосфолипидных мембранах клеток. Проникая в клетку, препарат блокирует действие ферментов, препятствует репликации нуклеиновых кислот, угнетает дыхательную систему клетки, что приводит к ее гибели.
    Соли ПГ относятся к ограниченному кругу биоцидных препаратов, способных одновременно воздействовать на аэробную и анаэробную микрофлору, хорошо растворимы в воде, не имеют запаха, малотоксичны для человека и животных, не вызывают коррозию оборудования.
    Препараты ПГ долго хранятся, не теряя биоцидной активности (сухие препараты – более 13 лет, рабочие растворы – более 2 лет). После высыхания раствора ПГ на обработанных им поверхностях образуется тонкая полимерная пленка, обеспечивающая длительную асептичность поверхности.
    Среди препаратов ПГ следует, прежде всего, упомянуть «Биопаг» (полигексаметиленгуанидинхлорид), выпускаемый в двух товарных формах: в виде гранулированного безводного препарата, содержащего не менее 95% действующего вещества и в виде 20% водного раствора. Другие препараты серии полигексаметиленгуанидинов – «Фосфопаг», «Экопаг» и «Инкрасепт».
Роспотребнадзором РФ установлена ПДК ПГ на уровне 0,1 мг/л. Для антисептирования воды централизованного водоснабжения рекомендованы дозы «Биопага» – 1 мг/л и «Фосфопага» – 1,5 мг/л.
    Высокими дезинфекционными возможностями обладают разработанные Международным научно-производственным объединением «Floreal» препараты «Althosan», представляющие собой кислотные средства на основе перекиси водорода, органических кислот и поверхностно активных веществ.
    И в заключение нашего обзора надо заметить, что оптимизм ряда ученых и специалистов относительно быстрой замены хлорирования альтернативными методами обеззараживания, прежде всего озонированием и обработкой УФ-лучами зачастую несостоятелен. Это связано как с тяжелым материальным положением большинства предприятий водопроводно-канализационного хозяйства, так и с износом водопроводных сетей, достигающих по разным данным 70%.

    Все изложенное выше свидетельствует о том, что в ближайшие годы возможно кардинальное изменение концепции очистки и дезинфекции воды в системах питьевого водоснабжения. Очевидно, что:

  • оценку бактерицидных свойств дезинфектантов необходимо определять по отношению не к планктонным клеткам, а к тест-культурам микроорганизмов в виде биопленок на модельных поверхностях;
  • поиск новых дезинфектантов необходимо осуществлять среди препаратов, которые, в отличие от антимикробных свойств (или в дополнение к ним), вызывающих гибель или подавление роста бактерий, обладали бы способностью снижать или блокировать вирулентность микроорганизмов, препятствуя образованию биопленок (или разрушая их).

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

наверх