Особливості методу іммобілізованих організмів на волокнистих носіях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості методу іммобілізованих організмів на волокнистих носіях

Проблема очищення питної води стає з кожним роком все більш актуальною не тільки для нашої держави, а практично і для всіх країн світу. Це пов'язано з повсюдним погіршенням екологічної обстановки. Також гостро стоїть питання захисної функції існуючої технології очищення питної води по відношення до хвороботворних вірусів та бактерій. Актуальність цього питання обумовлено, перш за все, високим рівнем захворюваності в Україні вірусним гепатитом А, водний шлях передавання якого є пусковим механізмом епідемічного процесу. Як показали дослідження [1], захворюваність населення інфекційним гепатитом тим більша, чим більша залишкова каламутність питної води, що подається. Це є свідченням того, що хвороботворні збудники сполучаються з домішками, котрі обумовлюють каламутність води, і при більш ефективному проясненні можна покращити її мікробний склад.

Отже, в умовах різкого погіршення стану джерел питного водопостачання за рахунок мікробного, хімічного та радіонуклідного забруднення питна вода та вода водоймищ може відігравати провідну роль в розповсюдженні багатьох бактеріальних та вірусних інфекцій. Тому розробка економічно вигідних методів та способів підвищення бар'єрної функції водопровідних споруд по відношенню до мікроорганізмів є найбільш актуальною задачею технології очищення води.

В Україні на протязі найближчих років неймовірно тяжко розробити та впровадити фізико-хімічну технологію підвищення якості питної води [2, 3]. Це пов'язано з економічними, енергетичними, технологічними, ресурсними та іншими обмеженнями. В цьому плані в найгіршому становищі знаходяться сільськогосподарські водопроводи [4]. Сучасні економічно раціональні способи вилучення мікроорганізмів з води також недостатньо ефективні і не задовольняють зростаючі потреби галузей господарювання. Чим це обумовлено? По-перше, високою стійкістю багатьох вірусів, бактерій та інших мікроорганізмів до впливу несприятливих умов зовнішнього середовища та до дій на них фізичних, хімічних і біологічних чинників [5, 6]. По-друге, захисним впливом домішок води різної природи та дисперсності на мікроорганізми при обробленні її дезінфектантами [7, 8].

Раціональні підходи для вирішення даної проблеми можуть бути запозичені із класифікації Л.А. Кульського [9], згідно якої мікроорганізми за фазовим станом та дисперсністю відносяться до гетерогенних систем. Як відомо [10], мікроорганізми за дисперсністю у водному середовищі можуть бути віднесені до колоїдних систем: для них характерні дифузія, седиментація, броунівський рух, здатність сорбуватися.

Вони розсіюють світло у водному середовищі, володіють подвійним електричним шаром та гідратною оболонкою. Їх дисперсії можуть коагулювати [12]. Це дає можливість розглядати дисперсії мікроорганізмів у водному середовищі як гідрофільні біоколоїдні системи, агрегативна та седиментаційна стійкість яких визначається електричним, кінетичним та структурно-механічним чинниками.

Отже, вказані унікальні фізико-хімічні властивості мікроорганізмів відкривають перед нами, дослідниками, нові можливості ефективного використання їх в процесі водоочищення, зокрема очищення поверхневих вод.

До перспективних методів інтенсифікації процесів очищення поверхневих вод без значних капітальних затрат відноситься метод іммобілізованих організмів на волокнистих носіях. Основними перевагами цього методу в порівнянні з фізико-хімічними методами є, перш за все, екологічна чистота, а також зменшення витрат електроенергії, значне скорочення числа обслуговуючого персоналу та простота обслуговування.

Цей метод характеризується універсальністю та високою ефективністю по відношенню до різних видів забруднень. Одночасно з процесом біологічного окислення протікають процеси біосорбції. Це дає можливість зменшити вміст не тільки органічних забруднень, але й завислих речовин, іонів важких металів, а також амонійних забруднень, нітритів та нітратів. Біологічний метод очищення води не призводить до неприємних наслідків, які мають місце при обробці води підвищеними дозами хлору [13]. Саме за рахунок іммобілізації мікроорганізмів на носію можливо в десятки разів збільшити їх біомасу в тому ж об'ємі споруди, що є економічно ефективним та перспективним для очищення води.

Сучасна біотехнологія очищення води орієнтується на використанні носіїв з розвинутою поверхнею для іммобілізації гідробіонтів. Особливо важливий вибір ефективного носія для стадій, де працюють виключно мікроорганізми-деструктори. Фізичні властивості поверхні носія, з одного боку, впливають на склад спільностей мікроорганізмів-деструкторів. Це пояснюється тим, що адгезійні властивості бактеріальних клітин та носія взаємозалежні. З іншого боку, носій характеризується адсорбційною здатністю по відношенню як до забруднень води, так і до продуктів життєдіяльності мікроорганізмів [14].

Розрізняють наступні типи іммобілізації: адгезію, хімічне зв'язування, електроутримання, прикріплення, агрегацію та включення. Що стосується очищення води, то можна виділити дві великі групи: включення в матеріал носія та адсорбція клітин на поверхні.

Для біотехнологічних цілей з економічної точки зору найбільш прийнятними є методи адсорбції. Як носій використовуються гранульовані синтетичні та мінеральні матеріали, паралон, скловолокно, склотканина, склойоржі та інші. Серед адсорбних матеріалів слід виділити штучні та синтетичні джгути й волокна.

Оцінка сучасного науково-технічного рівня в галузі очищення поверхневої води на прояснювальних фільтрах та використання природних біоценозів, іммобілізованих на волокнистих носіях, підтвердили доцільність створення та дослідження водоочисних біопрояснювальних фільтрів. Принципова схема біопрояснювального фільтра, на який видано патент України 44623 А [15], наведена на рисунку.

Схема біопрояснювального фільтра: 1 - корпус; 2 - розбризкуючий пристрій; 3 - утримуюча решітка; 4 - біопоглинач; 5 - фільтруюче завантаження; 6 - підтримувальні шари; 7 - дренаж.

Як носій закріпленого біоценозу запропонована насадка із капронових текстурованих джгутових ниток щільністю упаковки від 10000 до 90000 шт./м², довжиною 1м та площею контактної поверхні відповідно 62,8 - 376,8 м²/м².

Як показали дослідження, перебування насадки біопоглинача в умовах безперервного культивування призводить до утворення на поверхні носія слизової бактеріальної плівки, так званого чохла, що містить різні види мікроорганізмів, як деструкторів, так і супутніх бактерій, і служить у фільтрувальній установці біоплівкою піщаного фільтра. Сформовані у період експозиції біоценози обростань поглинали з води розчинні в ній речовини і служили субстратом для прикріплення бактерій та інших організмів. В процесі досліджень було помічено, що в середовищі багатому поживними речовинами, переважав суспендований ріст. Проте в умовах лімітації за джерелами живлення відбулася колонізація мікроорганізмів поверхні розподілу тверде тіло-рідина. Але для створення сприятливих умов проходження біохімічних процесів, що відбуваються при очищення води в аеробних умовах, окрім притоку свіжого поживного середовища, вилучення продуктів обміну, що утворюються, та надлишку біомаси, потрібна ще і достатня концентрація кисню. Тому була передбачена спрощена аерація, що забезпечувала збільшення концентрації розчиненого кисню в 1,7…2 рази.

Завдяки закріпленню мікроорганізмів на нерозчинному у воді носію та присутності в біоценозі бактерій різної деструктивної активності й чутливості забезпечувалося стабільне очищення води при суттєвих змінах складу забруднень у ній. Закріплені мікроорганізми здійснювали самі різноманітні мікробіологічні трансформації органічних речовин.

Ефект очищення води по зниженню органічних речовин після біопоглинача знаходився в межах від 32,85 % до 50,12 %, що свідчило про достатньо високий рівень вилучення органічних речовин. Доречно було б зазначити, що приблизно такий же ступінь зниження органічних забруднень вдається досягти при використанні коагуляційної обробки води. При фільтруванні води через насадку було відмічено, що різко знижувався і кількісний вміст бактерій (таблиця).

Таблиця Бактеріальні показники якості води в залежності від щільності насадки біопоглинача

Це пояснюється тим, що при вилученні із води поживного субстрату, тим самим погіршувалися умови для розвитку мікроорганізмів, ріст їх зосереджувався на волокнах у рідкій фазі, тобто знижувалася біогенність води. Саме такий спосіб вилучення клітин бактерій з води має великі переваги в порівнянні із хімічними методами стерилізації води (хлорування). Про це свідчить той факт, що при хлоруванні води лишаються фіксовані тіла бактерій завислими у воді, розмноження яких може викликати новий спалах розвитку стійких до хлору мікроорганізмів за рахунок продуктів розпаду органічних речовин відмерлих клітин.

В процесі досліджень було виявлено, що біоценози обростань накопичують на своїй поверхні не тільки завислі речовини, біогенні елементи, знижують біогенність води. В зоні носія була виявлена значна кількість іонів багатовалентних металів. Концентрація металів обростання, що утворилося при експозиції насадки в річковій воді (141,4 г волокна з обростанням), була наступною: Са (ІІ) - 188,7мг/г, Fe (ІІІ) - 35,4 мг/г, Al(ІІІ) - 17 мг/г, Mn(ІІ) - 11,5 мг/г. Це дає можливість зробити наступний висновок про те, що в зоні носія є значна кількість іонів багатовалентних металів з високим адгезійно-коагулюючим потенціалом.

Отже, підсумовуючи, можна зробити наступні висновки:

Для інтенсифікації процесу знебарвлення та прояснення поверхневих вод пропонується обладнати прояснювальні фільтри біологічними поглиначами, основним елементом яких є носії іммобілізованих мікроорганізмів.

Розміщення насадки біопоглинача із прикріпленим біоценозом в надфільтровому просторі прояснювального фільтра дає можливість знижувати агрегативну стійкість гетерогенних домішок води, значно зменшити навантаження на фільтр та підвищити ефективність його роботи.

Попереднє очищення проаерованої води на біопоглиначі, а потім в зернистому завантаженні запобігає проникненню відмерлої біоплівки в очищену воду та забезпечує доочищення поверхневої води.

Розроблена нова конструкція прояснювального фільтра передбачає використання волокнистої насадки, на якій при експозиції у річковій воді сформувалося біологічно активне обростання, яке завдяки іммобілізації мікроорганізмів здатне утилізувати, трансформувати та знезаражувати забруднення поверхневої води.

Застосування запропонованої технології очищення поверхневих вод, на відміну від традиційної, дасть можливість значно підвищити ефективність та надійність водоочищення поверхневих вод.

Література

водоочищення мікроорганізм питний

1. Hudson H.E. High-quality water produktion and viral diseases. - J. Amer. Water Works Assoc., 1982, 54 № 10, p. 1265-1272.

2. Wahlroos G. The realisation of actiwated-carbon filtration in a water purification process for highiu humic water by prior two-atage iron (III) salt coagulation // Aqua. - 1991. - Vol. 40, № 4. - P. 211 - 216.

3. Научные и прикладные аспекты подготовки питьевой воды / В.В. Гончарук, В.В. Подлеснюк, Л.Е. Фридман, И.Г. Рода // Химия и технология воды. - 1992. - Т.14, № 7. - С. 506-525.

4. Орлов В.О., Зощук А.М. Сільськогосподарські групові водопроводи України // Материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. ”Питьевая вода - 98”. - Одесса, 1998. - С. 17 - 21.

5. Ротмистров М.Н., Глоба Л.И. Устойчивость вирусов к различным воздействиям и эффективность методов обеззараживания инфицированной вирусами воды. - В кн.: Использование адгезионных и адсорбционных процессов для удаления из воды взвесей и микроорганизмов. - Киев: Наук. думка, 1973, с. 74-86.

6. Жизнь микробов в экстремальных условиях / Под. р ед. Д. Кашнера. Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 520 с.

7. Standd C.H., Wallis C., Ward C.H. Inactivation of clayassociated bacteriophage M S2 by chlorine. - Appl. Environ. Microbiol., 1977, 33, № 2, p. 385-391.

8. Основы санитарной вирусологии / Г.Ф. Багдасарьян, В.В. Влодавец, Р.А. Дмитриева, Е.Л. Ловцевич. - М.: Медицина, 1977. - 200 с.

9. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. - 4-е изд., перераб. и доп. - К.: Наукова думка, 1983. - 528 с.

10. Звягинцев Д.Т. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. - М.: МГУ, 1973. - 173 с.

11. Николау Шт. С., Кажал Н., Николау К. Элементы общей и инфрамикробиологии. - Бухарест: Меридиане, 1965. - 746 с.

12. Ротмистров М.Н., Гвоздяк П.И., Ставская С.С. Микробиология очистки воды. - К.: Наукова думка, 1978. - 268 с.

13. Hyde R.A., Rodman D.J., Fech B.J. Monitoring techniques for the organic quality of water // J. Inst. water Eng. and Sci. - 1984. - Vol. 38, № 11. - P. 25-38. 14. Гвоздяк П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды // Химия и технология воды. - 1989. - Т.11, № 9. - С. 854-858.

15. Пат. 44623 А UA, МПК С02F1/52. Фільтр для очистки води / Г.І. Туровська, В.О. Орлов, В.Ю. Нецький, В.М. Лотюк. Заявлено 15.06.2001; Опубл. 15.02.2002, Бюл. № 2. - 2с. іл.

Размещено на Allbest.ru