BIOFILMUL: IMPLICATIILE IN FLUXUL TEHNOLOGIC DE PRODUCERE APA POTABILA SI POSIBILITATI DE REDUCERE ALE ACESTUIA

REZUMAT

  • Biofilmul apare in instalatiile de tratare a apei indiferent de sursa si calitatea biobacteriologica a acesteia
  • Se gaseste pe peretii conductelor,decantoarelor ,filtrelor ,rezervoarelor de apa
  • Concentratia biofilmului depinde de nutrienti si de incarcatura biobacteriologica a apei
  • biofilmul este mult mai rezistent( de aproximativ 1000 de ori) la actiune substantelor clorigene decit organismele individuale
  • reprezinta o sursa si un suport pentru cresterea si inmultirea organismelor patogene
  • are actiune corosiva asupra instalatiilor tehnologice

1. Ce este biofilmul si care sunt implicatiile existentei lui in tratarea si distributia apei.

Celulele microbiene din apa atit patogene cit si nepatogene sunt capabile sa adere la suprafete rigide (peretii decantoarelor,conducte,filtre ,rezervoare ) prin intermediul unei matrice exopolimerice formand o pelicula viscoasa,vizibila cu ochiul liber ; pelicula numita generic biofilm contine comunitati microbiene specifice pentru~99% din microorganismele vii de pe Terra.[1]

Aceasta biomasa imobila poate fi o sursa de contaminare si proliferare a microorganismelor in instalatiile tehnologice si retelele de apa potabila , putind acumula metale , compusi toxici si pot produce coroziune ale instalatiilor tehnologice (coroziune biologica) .[4]

Matricea exopolimerica are importanta in formarea si asigurarea structurii biofilmului si in protejarea celulelor din interiorul ei prin impiedicarea patrunderii substantelor antimicrobiene ( clorul si derivati sai) precum si asigurarea protectiei impotriva radiatiilor UV, schimbarilor de pH, socului osmotic si deshidratarii.

Celulele din interiorul biofilmului au o rezistenta de ~1000 de ori mai mare la antibiotice si substantele biocide decat celulele aflate in suspensie (celule planctonice).[5]

Biofilmele pot creea probleme in ceea ce priveste gustul, mirosul si culoarea apei.
Biofilmele sunt alcatuite din amestecul a mai multor specii de bacterii, fungi, alge, drojdii si protozoare.
Practic orice tip de apa de suprafata sau subterana poate fi colonizata de bacterii, drojdii, virusuri si fungi.[6]
Biofilmul poate fi subtire cat un strat alcatuit din cateva celule sau poate fi gros de cativa centimetri, in functie de conditiile mediului in care cresc. [1]
Metalele si aliajele din metale sunt in mod particular predispuse actiunii coroziunii biologice, rezultatul fiind coroziunea si blocarea circuitelor cu produsele de coroziune, iar in ultim stadiu cedarea materialului. [2]

Coroziunea chimica si biochimica la pompe (stanga) si imbinari de conducte metalice (dreapta)

Fig 1. Coroziunea chimica si biochimica la pompe (stanga) si imbinari de conducte metalice (dreapta)

Desi plasticul si cauciucul sunt mai putin predispuse biocoroziunii, factorii din mediul inconjurator cum ar fi temperatura si radiatiile solare pot atrage microorganismele care se pot atasa cu usurinta si la acest tip de suprafata.

Formarea biofilmului presupune urmatoarele etape[6], fig 2:

  • etapa 1, atasarea initială de suprafata;
  • etapa 2, atasarea ireversibila;
  • etapa 3 -stadiu de inmultire;
  • etapa 4, maturizarea –formarea de comunitati;
  • etapa 5, dispersie –organizare pe mai multe nivele.

Stadiile de dezvoltare a biofilmului

Fig 2 Stadiile de dezvoltare a biofilmului[6]

Bacteriile sunt primele microorganisme ce colonizeaza suprafetele conductelor ,peretilor din beton.

Din momentul in care la suprafata respectiva adera destul material organic (proces denumit „conditionare”) bacteriile pot incepe sa atace. Acest material organic neutralizeaza incarcatura ionica excesiva de la suprafata , care poate impiedica bacteriile sa adere.

Intr-o teava in care apa curge, unele bacterii planctonice se apropie de peretii conductelor si vor intra in granita stratului organic .Unele din aceste celule vor lovi si vor fi adsorbite de suprafata pentru un anumit timp si apoi vor fi desorbite, acest fenomen fiind numit adsorbtie reversibila.

Aceasta aderare initiala se bazeaza pe atractia electrostatica si fortele fizice fara nici o reactie chimica.

Cand incep sa acumuleze nutrientii, „celulele pionier” incep sa se reproduca.

O suprafata acoperita de biofilm este gelatinoasa si alunecoasa. Atunci cand bacteriile ating densitatea critica, ele incep sa produca o substanta gelatinoasa care da biofilmului natura lui lipicioasa.

Acest strat lipicios este raspunzator in mare parte de greutatea si volumul biofilmului.

Dupa formarea stratului, se poate dezvolta o comunitate micro-ecologica ce poate sa atraga si alte tipuri de celule microbiene. Acesti colonizatori secundari metabolizeaza „deseurile ” primilor colonizatori, in acelasi timp producand la rindul lor „deseuri ” pe care alte celule le pot folosi.

Un biofilm sa ajunga la maturitate in cateva ore sau cateva saptamani in functie de conditiile locale. Pseudomonas aeruginosa este o bacterie „pioniera” des intalnita si folosita in cercetarile despre biofilme. [1]

S-a descoperit ca celulele de Pseudomonas adera la peretele din otel inox dupa 30 secunde de expunere. [1]

Microorganismele patogene de tipul coliformelor pot intra in retele prin doua mecanisme: supravietuind procesului de tratare sau prin recontaminare (datorata neetanseitatilor retelei de distributie). Ele pot supravietui datorita tratamentului ineficient , a eficientei scazute la filtrare si/sau a desinfectarii insuficiente.[3] Bacteriile coliforme odata stabilite in biofilm , se pot reproduce in interiorul acestuia.

Chiar daca aceste coliforme care se reinmultesc nu sunt de origine fecala, prezenta lor in apa potabila incalca normele legal admise. O problema este persistenta patogenilor oportunisti in biofilme adica acei patogeni care produc boli persoanelor cu sistemul imunitar scazut cum ar fi bolnavii de SIDA, diabeticii, persoanele cu cancer,a copiilor si batranilor.[3]

Patogenii oportunisti sunt: Pseudomonas aeruginosa, Legionella pneumophila, Mycobacterium avium. Pe de alta parte chiar si apa bine tratata contine bacterii in numar mic, bacterii nepatogene care sunt admise de normele pentru apa potabila; apa potabila nu este sterila ci numai dezinfectata. Apa potabila reprezinta un mediu limitat in ceea ce priveste nutrientii, dar chiar si asa, in acest mediu sarac bacteriile nepatogene pot creste si se pot reproduce;

Presupunand ca in reteaua de distributie intra apa de calitate buna, tot mai sunt numeroase cai de contaminare a apei, inclusiv legaturile incorecte si infiltrarile din pamant. Tevile sparte/ fisurate/ corodate si imbinarile neetanse pot de asemenea sa permita intrarea microrganismelor din apa subterana in special in perioade scurte de presiune negativa din exploatare sau in momentul reparatiilor.

Unele organisme din biofilme pot accelera coroziunea la unele tipuri de materiale. Fero-bacteriile oxideaza fierul , depozitand oxizii de fier (rugina) sub forma de formatiuni inaltate denumite tuberculi. Bacteriile care oxideaza sulful si cele care reduc sulful produc acid sulfuric si hidrogen sulfurat care pot forma gauri in suprafetele sau peretele tevilor metalice mai ales. Acesti produsi de coroziune ofera habitate suplimentare si situri de aderare pentru alte organisme formatoare de biofilme.

Prezenta si concentratia nutrientilor in apa reprezinta un factor important in extinderea biofilmului. Carbonul, azotul si fosforul sunt necesare pentru dezvoltarea bacteriilor heterotrofe. Carbonul este un element esential. Sursa de carbon este data de compusii naturali din apa si din descompunerile biologice. Prin limitarea concentratiei de carbon organic disponibil microorganismelor, se poate controla cresterea biofilmului in sistemele de distributie. Se deduce rolul unei concentratii scazute a COT (Carbonului Organic Total) in apa.

 

2. Cum se poate limita formarea si dezvoltarea biofilmului?

Tipul si concentratia dezinfectantului folosit poate afecta dezvoltarea biofilmului.
Clorul rezidual este consumat de catre biofilm, dar nu intotdeauna penetreaza eficient stratul biofilmului. Unele sisteme ce folosesc clorul sau ozonul ca dezinfectanti au constatat dezvoltari ale biofilmului si nu limitarea cresterii acestuia .
Aceasta se intampla atunci cand complexele moleculare de carbon organic cum ar fi acizi humici sau fulvici, care sunt greu de consumat de catre bacterii, sunt oxidati de dezinfectanti si transformati in compusi cu molecule mai mici care pot fi asimilate mai usor.
Deci clorul si ozonul in acest caz a facut un serviciu biofilmului maruntind substanta organica necesara proliferarii organismelor din biofilm
Pentru a fi eficient clorul si substantele clorigene trebuie adaugate in concentratie foarte mare 20-30 mg/l clor activ iar durata de contact trebuie marita la minimum 12 ore .
Studiile efectuate in SUA si Canada au aratat ca tratamentul soc este mult mai eficient decit tratamentul cu concentratii mici de reactivi si de lunga durata.[1]
De exemplu, daca se spala cu jet simplu de apa peretii decantoarelor ,rezervoarelor,filtrelor fara a se umple apoi cu solutie superconcentrata de clor ~30% clor activ-(adica ~ 550 Kg var cloros ~ 18 saci pentru un decantor de 500 mc ) si mentinere 12 ore cu aceasta solutie , nu se distruge biofilmul ci dimpotriva se obtine un efect total invers-de cresterea a populatiei microbiene.

Spalarea cu jet de apa si o desinfectare slaba nu face altceva decit sparge moleculele mari de materie organica din apa si ajuta la cresterea biofilmului prin asigurarea de nutrienti .
Acelasi lucru este valabil si in cazul filtrelor si rezervoarelor . De aceea, pentru reducerea biofilmului si a tinerii lui sub control sunt necesare cantitatii mari de substante clorigene
Operatiile de distrugere a biofilmului trebuie facute periodic cu frecventa mai mare in lunile caduroase din Mai pina in Octombrie.
Pe plan mondial au aparut solutii-complexe -amestecuri de substante organice puternic bactericide ,tensioactive care au o mai mare eficienta asupra biofilmului,deoarece reusesc sa distruga atit stratul protector al biofilmului cit si coloniile la nivel celular.[4]
Una dintre aceste solutii este reactivul numit Mosslein.

 

3. Testarea solutiilor de tip Mosslein in Statia de Tratare Voila

O astfel de substanta a fost testata in luna iunie 2010 in Statia de Tratare Voila pe o cuva de filtru din linia de apa industriala. Statia de tratare Voila are doua linii de tratare: o linie de tratare pentru apa potabila si o linie de tratare pentru apa industriala; diferenta intre cele doua calitati de apa consta in dezinfectarea finala.
Filtrul avea depuneri vizibile pe pereti atit de bacterii cit si de alge ,stratul filtrant-nisipul de filtru prezenta depuneri persistente de ferobacterii si sulfobacterii pe un strat de carbonat de calciu si magneziu .

Aceste depuneri pe granula de nisip duc in timp la rotunjirea acesteia ce are ca efect scaderea eficientei filtrarii prin reducerea fortelor de atractie pe care le au granulele de nisip asupra particulelor coloidale din apa. Pe de alta parte tot acest strat de biofilm depus atit pe pereti cit si pe granulele de nisip reprezinta o sursa de crestere si inmultire a bacteriilor patogene avand ca efect cresterea dozei de clor pentru dezinfectare.

Solutia folosita de Mosslein a avut triplu rol :

  • indepartarea biofilmului de pe pereti ,
  • reconditionarea stratului filtrant prin indepartare depunerilor de pe granule,
  • indepartarea biofilmului din locurile inaccesibile: placile de crepine, crepinele ,bazinele de apa filtrata de sub filtre , conductele de legatura din galeria de conducte

vedere asupra calitatii nisipului nespalat (stanga ) si spalat cu Mosslein(dreapta)

Fig 3- vedere asupra calitatii nisipului nespalat (stanga ) si spalat cu Mosslein(dreapta)

 

4. Rezultatele obtinute dupa 45 de zile de la tratament

Dupa acest tratament s-au efectuat analize saptaminale ale stratului filtrant si ale depunerilor de pe peretii cuvei filtrului, monitorizind ciclul de functionare si turbiditatea apei filtrante ; pentru comparatie au fost folosite doua cuve de filtru din linia industriala –filtrul 1 si filtrul 4. La filtrul 1-industrial s-au efectuat tratamente cu var cloros ale stratului filtrant, tratamentul uzual . Filtrul 4 industrial prezinta depunere de biofilm pe peretii cuvei si pe nisip similara cu starea initiala a filtrului 3 industrial.

Deasemenea ,pentru comparare au fos alese si doua filtre din linia de apa potabila : filtrul 3 si filtrul 6 la care s-au efectuat tratamente cu var cloros ,spalari cu jet de apa ale peretilor cuvei.
Precizam ca apa decantata din linia de apa potabila este supusa tratamentului de dezinfectie cu clor pentru protejarea stratului filtrant si prevenirea cresterii ferobacteriilor ,sulfobacterii si a celor patogene.

Rezultatele comparative pentru aceste filtre sunt prezentate in graficul nr 1

Rezultatele comparative pentru aceste filtre

Filtrul supus tratamentului cu solutii Mosslein a prezentat un ciclu mediu de filtrare cu ~29 % mai mare fata de celelalte filtre , el crescind de la o medie 41 de ore la o medie de 53de ore .
Tratamentul cu var cloros nu are nicio influenta asupra ciclului de filtrare ,deoarece nu actioneaza asupra depunerilor de pe granula de nisip ,varul cloros avind doar rol dezinfectant.
In graficul nr: 2 sunt date comparativ valorile turbiditatii apei pe durata unui ciclu mediu de filtrare la cuvele analizate

date comparativ valorile turbiditatii apei pe durata unui ciclu mediu de filtrare la cuvele analizate

Se poate vedea ca turbiditatea medie pe ciclul de filtrare a scazut pentru filtrul supus tratamentului cu 30% fata de cuvele de apa potabila ,cu 50% fata de filtrul industrial 1 supus tratamentului cu var cloros si de ~2,6 ori fata de filtrul nr 4 –filtrul cu biofilm si fara niciun tratament
In graficul nr 3 este prezentata durata ciclului de filtrare la cuvele analizate

este prezentata durata ciclului de filtrare la cuvele analizate

Din punct de vedere al duratei ciclului maxim de filtrare, filtrul supus tratamentului cu solutii Mosslein a prezentat o crestere cu :
-40%~ ciclul maxim de filtrare fata de filtrele din linia de apa potabila crescind de la 60 de ore la 84 de ore,
-27% fata de filtrul industrial 1 (supus tratamentului cu var cloros) si cu 82 % fata de filtrul la care nu s-a aplicat niciun tratament

In graficul nr: 4 sunt precizate valorile turbiditatii maxime a apei filtrate in cuvele analizate

sunt precizate valorile turbiditatii maxime a apei filtrate in cuvele analizate

Din punct de vedere a turbiditatii maxime-filtrul supus tratamentului cu solutii Mosslein a prezentat cea mai mica valoare pe ciclul de filtrare ,aceasta fiind:

  • cu 26% respectiv 53% mai mica decit filtrele din linia de apa potabila,
  • cu 66% mai mica decit cea a filtrului industrial supus tratamentului cu var cloros
  • cu 100% mai mica decit cea a filtrului care nu a suferit niciun tratament

Tratamentul a fost efectuat in data de 8 iunie 2010 si abia in luna septembrie 2010 au aparut primele indicii de refacere a biofilmului pe peretii filtrului,in conditiile in care nu se face niciun tratament de preclorinare sau interclorinare a apei decantate pe linia industriala.

 

5. Tehnologia de aplicare a solutiilor Mosslein

Solutiile Mosslein sunt amestecuri de substante organice si tensioactive capabile de a penetra biofilmul ,de a indeparta depunerile produse de duritatea apei si au o actiune biocida remanenta

Solutiile sunt lichide si se livreaza in containere de 1mc

prezentarea containerelor Mosslein

Fig nr:4-prezentarea containerelor Mosslein

Solutiile se dozeaza in functie de consistenta si concentratia biofilmului si a depunerilor de pe granula de nisip si se pulverizeaza pe peretii filtrului si pe suprafata stratului filtrant –ca in fig-5-7

Pulverizarea solutiei pe peretii cuvei filtrului

Fig nr:5 Pulverizarea solutiei pe peretii cuvei filtrului

Pulverizarea solutiilor pe dispozitivele de acces apa decantata in filtru

Fig nr:6 Pulverizarea solutiilor pe dispozitivele de acces apa decantata in filtru

Pulverizarea solutiei pe stratul filtrant-nisip

Fig nr:7 Pulverizarea solutiei pe stratul filtrant-nisip

Dupa pulverizarea solutiei urmeaza etapa de repaus care variaza intre 12-24 h,functie de depunerile de pe granula de nisip

  • Dupa 24 h se spala filtrul cu aer si apa in contracurent
  • Operatia se repeta de 2-3 ori pina la disparitia spumei

 

6. Comportarea pe termen lung a filtrului supus tratamentului cu solutii Mosslein

Pentru a ilustra comportarea pe termen lung s-a analizat din nou cele 5 filtre dupa 250 zile de la tratament in ceea ce priveste ciclul mediu si maxim de filtrare precum si turbiditatea pe ciclul mediu respectiv maxim de filtrare. In plus s-au efectuat teste Bart pt filtrul 3 supus tratamentului si filtrul 4 la care nu s-a efectuat niciun fel de tratament in ceea ce priveste concentratia de ferobacterii ,bacterii enterice,bacterii anaerobe si formatoare de biofilm.

Precizam ca:

  • La filtrul 1-industrial s-au efectuat tratamente cu var cloros ale stratului filtrant, tratamentul uzual .
  • Filtrul 4 industrial prezinta depunere de biofilm pe peretii cuvei si pe nisip similara cu starea initiala a filtrului 3 industrial.

Deasemenea, pentru comparare au fos alese si doua filtre din linia de apa potabila: filtrul 3 si filtrul 6 la care s-au efectuat tratamente cu var cloros, spalari cu jet de apa ale peretilor cuvei.
Rezultale obtinute vi le prezentam grafic:

grafic nr 5

Grafic nr:5

Dupa cum se observa tendinta pe ca am subliniat-o dupa o perioada de 45 zile se mentine si la 250 zile.

Ciclul mediu de functionare al filtrului la care s-a aplicat tratamentul fiind cu ~16% mai mare decit al filtrelor la care s-a aplicat trtamente periodice cu var cloros si cu 50% mai mare decit al filtrului la care nu s-a aplicat niciun trtament.

Grafic nr 6

Grafic nr:6

In ceea ce priveste turbiditatea medie pe ciclul mediu de functionare filtrul la care s-a aplicat tratamentul prezinta cea mai redusa turbiditate la apa filtrata din toate filtrele monitorizate

Grafic nr 7

Grafic nr:7

In ceea ce priveste ciclul maxim de filtrare trend-ul inregistrat la 45 zile se mentine si la 250 zile ,filtrul supus tratamentului avind cu ~26% mai multe ore de functionare decit filtrele din linia potabila si cu 62% mai mult decit filtrul la care nu s-a aplicat niciun tratament

Dupa 8 luni de tratament ,mai precis in perioada 1-11 aprilie 2011 s-au efectuat teste specifice pentru bacteriile care au aport in formarea si cresterea biofilmului .Pentru comparatie s-au efectuat teste la filtrul supus trtamentului si la filtrul 4 la care nu s-a efectuat niciun tratament .

Grafic nr 8

Grafic nr:8

La filtrul supus tratamentului si dupa o perioada de 8 luni concentratia de ferobacterii este de 4,6 ori mai mica.Ferobacteriile sunt principala grupa de bacterii implicate in procesul de coroziune ,ele formeaza depuneri atit pe conducte cit si pe granulele stratului filtrant fiind un foarte important factor in proliferarea biofilmului .

grafic nr 9

Grafic nr:9

In ceea ce priveste continutul de bacterii enterice adica cele patogene filtrul supus tratamentului prezinta de 3.9 ori mai putin organisme decit filtrul la care nu s-a efectuat niciun tratament

grafic nr 10

Grafic nr: 10

In ceea ce priveste bacteriile anaerobe adica cele gen clostridium ,filtrul supus tratamentului prezint o concentratie de 15 ori mai mica decit la cel la care nu s-a efectuat tratament

grafic nr 11

Grafic nr:11

La filtrul supus tratamentului ,bacteriile formatoare de biofilm sunt prezente in concentratie de 3.6 ori mai mica decit in cazul filtrului la care nu s-a aplicat niciun tratament

 

7. Concluzii si recomandari

Concluzia acestor date comparative este ca tratamentul cu solutii Mosslein imbunatateste net calitatea apei filtrate ,scade consumul tehnologic al apei de spalare datorita cresterii ciclui de filtrare ,asigura reconditionarea nisipului cuartos din stratul filtrant.

Comparativ tratamentul cu var cloros trebuie reluat lunar si acesta nu are niciun efect de reconditionare a stratului filtrant .-nisipul degradat trebuie schimbat. Avantajul acestor solutii este ca ele actioneza si in locurile greu accesibile- de exemplu sub placile de crepine ale stratului filtrant ,crepine,bazin de apa filtrata.

De aceea ,recomandam efectuarea unui tratament cu solutii Mosslein:

  • anual dupa spalarea decantoarelor ,
  • anual la fiecare filtru atit pentru dezinfectie cit si pentru reconditionarea stratului filtrant
  • la spalarea rezervoarelor

Folosirea acestor solutii va creste eficienta de reducere a incarcaturii bacteriologice si performanta de filtrare a filtrelor ,dezinfectia locurilor greu accesibile ,scaderea consumurilor tehnologice .

In cazul rezervoarelor, va elimina operatiile obositoare-de indepartare manuala cu peria a biofilmului ,de efectuare a tratamentului soc cu var cloros si apoi de neutralizare a acestuia cu tiosulfat de sodiu.

 

8. Bibliografie

1-Paula H.Dreeszen-The key understanding and controlling bacterial growth in drinking water systems
2- Tremain Tanner – Managing biofilms
3- Craig Mains-Biofilm Control in Distribution Systems
4-Carla C.C.R de Carvalho- Biofilms-Recent Developments on an Old Battle
5- Accepta-Biofilm-Disinfecting using Hydrogen Peroxide Silver Biocides
6-Wikipedia-biofilm

sept 2010-aprilie 2011

Intocmit
Biolog: Sinca Anda
Sef laborator-ing chimist. Gologan Daniela