Univerzoitet u Novom Sadu, Prirodno-matematički fakultet

Transcript

1 Univerzitet u Novom Sadu Prirodno matematički fakultet Departman za hemiju, biohemiju i zaštitu životne sredine Udruženje za unapređenje zaštite životne sredine Novi Sad BIOFILM U DISTRIBUCIONIM SISTEMIMA VODE ZA PIĆE Dr Jasmina Agbaba Univerzoitet u Novom Sadu, Prirodno-matematički fakultet Departman za hemiju, biohemiju i zaštitu životne sredine Katedra za hemijsku tehnologiju i zaštitu životne sredine 1

2 Biofilm i rastresiti talog u distribucionim sistemima Mikrobna aktivnost u distribucionim sistemima može se odvijati u vodi, na površini cevi i u svim vrstama slojeva koji se akumuliraju u cevima i tankovima za skladištenje. Pojava i brzina formiranja biofilmova zavise od fizičko-hemijskih i termodinamičkih karakteristika površine, kao i od fizioloških karakteristika mikroorganizama. 2

3 Biofilm se akumulira na površini materijala, i to na delovima gde je cirkulacija vode ograničena trenjem o zid cevi, stvarajući viskozni sloj koji može da dostigne, i 70 μm debljine. Biofilm predstavlja metastabilan sistem u kome se razmnožavaju njegovi stanovnici, kao i ćelije iz vodene faze. Implantacija mikroorganizama u biofilm Prenos bakterijske biomase u vodenu fazu. 3

4 Druga vrsta akumulacije biomase u vodi, vezana je za stvaranje taloga - izdvajanje suspendovanih čestica unutar cevi pri uslovima sporog toka vode kroz distribucioni sistem: kod onih koji se retko čiste ispiranjem ili mehaničkim postupcima ili koji su skloni akumulaciji taloga (shodno dizajnu, materijalu od kog su izgrađeni, kvalitetu vode koja se distribuira i dr.). Talog u distribucionom sistemu može nastati na više načina: taloženjem i flokulacijom unutar sistema, taloženjem materijala tokom tretmana vode ili korozijom površine cevi. Rastresiti talozi se često mogu prenositi u vodu, usled resuspenzije pri hidrauličnim promenama unutar distribucionog sistema utiče na monitoring brojnosti mikroorganozama ili sadržaja gvožđa, sa posledicom povećanog rizika po zdravlje ljudi. 4

5 Neželjena mikroflora u distribucionim sistemima Uvećini distribucionih sistema vode za piće, sredina između vode i zidova cevi predstavlja primarno mesto akumulacije ćelija i organske materije - optimalni uslovi za razmnožavanje bakterija. Prisustvo biomase u distribucionom sistemu i njeno razmnožavanje dovodi do najmanje dva komplementarna problema: mreža je kontinualno inokulisana nepoznatim mikroorganizmima neki mikroorganizmi, koji se pre svega razmnožavaju unutar biofima, predstavljaju potencijalnu opasnost za potrošače. 5

6 Ponovni rast koliformnih i heterotrofnih bakterija Koliformne bakterije - indikatorski organizmi koji ukazuju na fekalno zagađenje vode. U slučajevima kada koliformne bakterije naseljavaju sisteme sa efikasnim tretmanom vode i pravilno uspostavljenom njenom distribucijom, pretpostavlja se da se koliformi razvijaju unutar biofilma na površini i sistema i oslobađaju bđ uvodu. Ipak, veoma je teško dati konačnu potvrdu rasta ovih organizama u distribucionim sistemima. 6

7 Ponovni rast heterotrofnih bakterija takođe izaziva zabrinutost. Opšta heterotrofna zajednica bakterija obično je van rizika po zdravlje ljudi, ali uzimajući u obzir populaciju slabijeg imuniteta, kao i novorođenčad, mnogi vodovodi su zainteresovani za minimiziranje prisustva ovih organizama u vodi. Neki heterotrofi mogu biti oportunistički patogeni, pa je njihova kontrola poželjna. 7

8 Kolonizacija patogena i oportunističkih patogena S aspekta statistike, patogeni takođe, kao i koliformi, mogu da izbegnu tretman vode i prodru u distribucioni sistem, pričemu se ova neželjena mikroflora ugrađuje u biofilm ili talog, predstavljajući j nataj način rezervoar potencijalnih patogena. Postoji malo dostupnih informacija o Helicobacter pylori prisustvu patogena i oportunističkih patogena u biofilmu distribucionih sistema (prvenstveno usled njihove otežane detekcije). 8

9 Faktori koji utiču na razvoj biofilma u distribucionom ib i sistemu Veliki broj različitih hemijskih, fizičkih i bioloških faktora utiče na razvoj biofilma u distribucionom sistemu: prisustvo u vodi dovoljne količine lako usvojive hrane za mikroorganizme, tip, kvalitet i struktura materijala sa kojim voda dolazi u kontakt, starost materijala, hidraulika sistema, uticaj sredine (temperatura, ph, mutnoća vode), prisustvo reziduala dezinfekcionog sredstva, akumulacija taloga i dr. 9

10 Prisustvo nutrijenata Raspoloživost nutrijenata ključni je faktor koji vodi do formiranja biofilma. Bakterije biofilma predominantno koriste biodegradabilni organski ugljenik kao najčešći izvor hrane. Organski ugljenik heterotrofne bakterije koriste kako za produkciju novog ćelijskog materijala (asimilacija), tako i kao energetski izvor (disimilacija). Obzirom da zahtevaju ugljenik, azot i fosfor u približnom odnosu 100:10:1 (C:N:P) organski ugljenik je često ograničavajući nutrijent rasta. 10

11 Relativno nizak sadržaj organskog ugljenika u distribucionom sistemu može da dovede d do razvoja velikog broja mikroorganizama. i Hipotetički posmatrano: postrojenje za pripremu vode za piće kapaciteta m 3 /dan, Voda nakon tretmana sadrži 2 mg C/l, 10% od TOC može biti iskorišteno za bakterijski rast, Procenjena vrednost suve biomase iznosi 0,1 g/g ugljenika, Distribucioni sistem uz prisustvo biofilma u stacionarnom stanju, može proizvesti čak oko 400 g ili 1014 ćelija/dan. U cilju obezbeđivanja kvalitetne vode za piće i prevencije pojave biofilmova, od izuzetnog je značajakontrolisatisadržajbiološkiaktivnih supstrata (kao što su prirodne organske materije, biodegradabilni i 11 asimilirajući organski ugljenik).

12 Interakcije između mikroorganizama Brojnost organizama u distribucionom sistemu vode takođe utiče na biofilm unutar sistema: mikroorganizmi su u stalnoj borbi za ograničene količine nutrijenata neke vodene bakterije proizvode i supstance koje inhibiraju druge organizme, a u isto vreme proizvode ekstrapolisaharid i druge supstance koje pospešuju njihov razvoj. 12

13 Faktori sredine Temperatura ima veliki uticaj na bakterijsku aktivnost u distribucionom sistemu utiče na brzinu rasta mikroorganizama, efikasnost dezinfekcije, ij brzinu korozije cevi i druge fenomene koji utiču na razvoj biofilma, kao i na mogućnost ulaska mikroorganizama u distribucioni sistem. Visoke temperature metabolizam i rast, dezinfektanta. vode ( 15 15ºC) potpomažu jer ubrzavaju propadanje bakterijski (raspadanje) 13

14 odgovarajuća povećanje metaboličke količina nutrijenata t aktivnosti mikroorganizama ama favorizovan razvoj biofilma T opadanje reziduala dezinfektanta Pojedine bakterije (Legionella) nisu aktivne na niskim temperaturama - toplija pj vodavišepogoduje razvoju potencijalnih patogena u biofilmu. 14

15 Pored temperature, na razvoj biofilma utiču i mutnoća i ph vrednost vode. Pre svega utiču na efikasnost primenjenog dezinfekcionog i sredstva i na taj način omogućavaju preživljavanje mikroroganizama u sistemu. 15

16 Uticaj materijala Priroda materijala cevi ima značajnu ulogu u selekciji biomase i njenoj organizaciji. Zavisno od neravnina, vlažnosti, adhezionih osobina itd., materijali utiču na efikasnost adhezije mikroorganizama, a istovremeno predstavljaju i izvor nutrijenata i/ili faktora rasta: cevi od mekog čelika, livenog i kovanog gvožđa posebno utiču na porast brojnosti bakterija biofilma (pozitivna zavisnost između dužine cevi i pojave koliforma) na površinama od mekog čelika razvija 10 puta više heterotrofa i 2-10 puta više koliforma u odnosu na polikarbonatne površine. pretpostavlja se da metalne površine utiču na potrošnju dezinfekcionih sredstava, ograničavajući njihovu efikasnost u kontroli biofilma. 16

17 nisu samo cevi od gvožđa, te koje podržavaju rast biofilma Uticaj organskih nutrijenata oslobođenih od strane materijala koji ulaze u infrastrukturu distribucionog sistema i u kontaktu su sa vodom (organski aditivi, rastvarači i/ili monomeri - plastika, silikon, guma i dr). utiču na potencijal akumulacije biofilma, podržavaju razmnožavanje potencijalnih patogenih bakterija. Uticaj korozivnih proizvoda na dostupnost prirodnih organskih materija bakterijama biofilma adsorpcija HM na površini sa oksidovanim gvožđem indukuje promene hemijskih i bioloških karakteristika molekula HM kao jedini izvor ugljenika i energije. ODABIR MATERIJALA KONTROLA KOROZIJE KONTROLA BIOFILMA 17

18 Hidrauličke karakteristike sistema Utiču nanivoorganske materije upojedinim segmentima sistema Utiču na biološku aktivnost biofilma. Različiti hidraulički uslovi, mogu imati uticaja na preživljavanje i rast mikroorganizama u biofilmu - ne postoji jednostavna veza. Nekoliko faktora koji utiču na brzinu proticanja vode jesu: položaj cevi, njihovo stanje i veličina, potrošnja vode, rad pumpe i visina. 18

19 Prekidanje protoka vode širenje biofilma kroz sistem i njegova Remećenje protoka vode akumulacija u Pojava suprotnog toka vode područjima slabog protoka Odnos potencijala određenih delova sistema ka formiranju biofilma i brzine protoka vode kroz njih, varira u zavisnosti od DIZAJN tipa sistema i cevi, DISTRIBU- kompleksne promene brzine vode, CIONOG brzine transporta nutrijenata i SISTEMA dezinfekcionih rezidua, koncentracije nutrijenata i 19 brzine otkidanja delova biofilma.

20 Akumulacija taloga U akumuliranom talogu može se javiti značajna mikrobijalna aktivnost. Organski i neorganski talozi se mogu akumulirati u delovima distribucionog sistema sa malim protokom i na taj način ne samo zaštiti mikroorganizme, već i pospešiti njihov razvoj obezbeđujući im neophodne nutrijente. Talog može biti značajan izvor nutrijenata u otvorenim rezervoarima za vodu, jer akumulira biološki slabo razgradljive materije koje se zatim otkidaju i oslobađaju u vodu, a dugo vreme zadražavanja vode doprinosi smanjenju rezidualne koncentracije dezinfekcionog sredstva. 20

21 Kontrola biofilma u distribucionim sistemima obezbeđivanje uslova da je voda isporučena potrošačima visokog kvaliteta. Međusobne interakcije niza faktora koji utiču na pojavu i razvoj bifilma u distribucionom sistemu mogu biti veoma složene, usled čega kontrolne mere, u većni slučajeva, nisu očigledne i često su specifične za određeni sistem. Kontrola biofilma vrlo često zahteva korišćenje kombinacije instrumenata, umesto samo jednog "najboljeg", a relativna efikasnost kontrole može biti pod specifičnim uticajima sredine. 21

22 Kontrola sadržaja nutrijenata Jedna od najefikasnijih j metoda za kontrolu rasta mikroorganizama i formiranje biofilma. Postiže se kontrolom izvora ugljenika ili drugih nutrijenata (npr. fosfor, azot), zavisno koji je nutrijent limitirajući faktor za rast biofilma u određenom sistemu. 22

23 kontroli razvoja biofilma kontrolom nutrijenata - razlog primene biološkog tretmana u okviru pripreme vode za piće Metode za kontrolu nutrijenata obuhvataju još i koagulaciju, membransku filtraciju, upotrebu granuliranog aktivnog uglja (GAU) upotrebu uglja u prahu (PAU) Za svaku od ovih tehnika neophodno je odrediti radne kriterijume za određeni sadržaj organske materije u vodi, koja ima sposobnost podržavanja rasta biofilma. 23

24 Parametri stabilnosti vode za piće Parametar Vrednost Komentar AOC 10 μg/l Usvajanje AOC od strane biofilma ograničeno je na vrednost <10 µg/l AOC <50 μg/l Za AOC u sistemu sa rezidualnim hlorom BDOC 200 μg/l U vodi bez rezidualnog dezinfekcionog sredst BDOC 500 μg/l U vodi temperature <15 C, bez rezidualnog dezinfekcionog sredstva BDOC <500 μg/l U vodi sa rezidualnom koncentracijom hlora od 0,1 mg/l BDOC 500 μg/l Voda bez dodatka dezinfekcionog sredstva Redukcijom sadržaja organskih materija postiže se: smanjenje sadržaja supstrata za mikroorganizme povećanje sadržaja dezinfekcionog sredstva raspoloživog za reakciju sa mikroorganizmima 24

25 Kontrola sadržaja ostalih nutrijenata (N i P) može biti od pomoći: u limitiranju razvoja i rasta onih mikroorganizama za koje je fosfor ograničavajući faktor rasta kada su azotne materije u pitanju, u sistemima gde sadržaj organskih materija nije dominantan limitirajući faktor. Za uklanjanje fosfora najčešće se primenjuje j biološki tretman, kao i precipitacija krečom ili metalnim solima (npr. gvožđe (III)-hlorid, aluminijum-sulfat) sulfat). Najbolje tehnologije za uklanjanje nitrata i nitrita iz vode za piće su jonska izmena i reversna osmoza. 25

26 Kontrola biofilma dezinfekcionim sredstvima Brzina difuzije dezinfektanta i njegove reakcije i sorpcije u biofilm, kao i potrebna količina dezinfektanta su veoma važni faktori u kontroli biofilma dezinfekcijom. Bakterije adaptirane na nizak nivo nutrijenata manje su osetljive na dejstvo dezinfekcionih sredstava, naročito one prisutne u biofilmu. Razvoj biofilma - dobar indikator procesa dezinfekcije, nivoa rezidualnog hlora, kao i kvaliteta t 26 vode.

27 Nedostatak efikasnosti dezinfekcionih sredstava najčešće je posledica delovanja više faktora: ograničenog prenosa mase u strukturu biofilma dezinfektant može stupiti u reakciju sa ukupnim organskim ugljenikom prisutnim u vodi povećava dostupnost bakterijskoj populaciji smanjuje sadržaj dezinfektanta organskog aktivne ugljenika komponente bakterijski biofilm manje je osetljiv na dezinfektante u odnosu na suspendovane ćelije dezinfekciona sredstva pospešuju koroziju 27

28 Jednom kada biofilm nastane, potrebna je velika količina reziduala dezinfektanta kako bi se značajno smanjio nivo mikroorganizama Održavanje velikih količina reziduala hlora - ne predstavlja adekvatno rešenje pre svega zbog: mogućnosti formiranja veće količine dezinfekcionih nusproizvoda, pojave korozije i narušavanja organoleptičkih karakteristika vode (mirisa i ukusa). Monohloramin sekundarno dezinfekciono sredstvo visokih zahteva s aspekta C t koncepta manja reaktivnost od hlora - bolji efekat u prodiranju u biofilm efikasniji u redukovanju broja ukupnih koliforma i heterotrofa u biofilmu u odnosu na hlor Ne postoji dezinfekciono sredstvo koje u potpunosti eliminiše biofilm. 28

29 Pre čišćenja Otklanjanje biofilma Posle čišćenja Rešavanje problema: poboljšanjem hidraulike sistema uklanjanjem mrtvih uglova dobrim radom ventila i delova sistema gde je protok usporen - promenom veličine cevi uklanjanjem iz njega postojećih biofilmova. Preporuka: obezbediti kontinualni pozitivan pritisak kroz distribucioni sistem - najbolja dostupna tehnologiju (BAT) prema EPA Pravilniku o ukupnim koliformima (TCR - total coliform rule, TCR). 29

30 Ispiranje sistema - najjednostavnija metoda čišćenja cevi i uključuje izbacivanje vode iz cevi putem hidranta ili ventila za ispiranje povećava se protok u cevi i uklanja akumulirani materijal i biofilm sa zidova. Znatno efikasnije prebrisavanje cevi (npr. sunđerom od poliuretanske pene ili gel masom na bazi nanomaterijala). Frekvencija čišćenja? j aktuelna praksa - zasnovana na degradaciji kvaliteta vode. 30

31 Kontrola korozije Brzina procesa korozije zavisi od: sastava materijala, korozivnosti vode koja kroz cevi protiče, korozivnosti zemljišta i vode koja se nalazi oko cevi, mikrobijalne aktivnosti u cevima i drugih faktora. Biofilm u cevi predstavlja kompleksan k dinamičkiički ekosistem koji kao celina utiče na koroziju cevi. 31

32 Uticaj kontrole korozije na ponovni rast biofilma zasniva se na smanjivanju reaktivnosti dezinfektanata sa površinom, broja mesta za pričvršćivanje ćelija i drugih faktora. Odabir tehnike za kontrolu korozije uslovljen je kvalitetom vode koja se distribuira, kao i vrstom upotrebljenog dezinfektanta. Veći značaj kontrole korozije u smanjenju brojnosti bakterija u biofilmu, u odnosu na smanjenje sadržaja dostupne organske materije u vodi ili održavanje rezidualnog sadržaja slobodnog hlora. 32

33 Umesto zaključka Razvoj biofilma u distribucionim sistemima zavisi od mnogih parametara koji mogu biti specifični za dati sistem. Najznačajniji j j sa aspekta kontrole biofilma su vrsta i koncentracija dezinfekcionih sredstava, organski sadržaj vode, vrsta materijala cevi i primena kontrolnih mera za koroziju. Svaki distribucioni sistem je jedinstven i strategija kontrole biofilma koja je uspešna za jedan sistem ne mora obavezno biti i odgovarajuća za neki drugi sistem. 33

34 HVALA NA PAŽNJI! 34