Борьба с биообрастанием в системах ГВС

В статье приведена информация о возникновении биопленки в системах водоснабжения, ее состав. Описаны методы, позволяющие предотвратить риск возникновения биообрастания в системах ГВС в процессе эксплуатации.

Для лучшего контроля и борьбы с биообрастанием в системах горячего водоснабжения (ГВС) необходимо знать следующие факты о биопленке.

• Биопленка – множество (конгломерат) микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности, клетки которых прикреплены друг к другу. Обычно клетки погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество (внеклеточный матрикс) – слизь.
• В образовании биопленки в трубах системы водоснабжения и в резервуарах для хранения воды принимают участие как органические, так и неорганические соединения.
• Биопленка может образовываться фактически во всех составляющих распределительных систем водоснабжения.
• Биопленки колонизируют разнообразные микробные сообщества.

Биопленки в системах водоснабжения

Биопленки в системах водоснабжения представляют собой скопления органических и неорганических соединений и микроорганизмов (например, бактерии, плесневые грибки, водоросли, простейшие и вирусы), прикрепленные к внутренним поверхностям труб и резервуаров для хранения в системах водоснабжения.

Биопленки повсеместно распространены в распределительной сети систем водоснабжения независимо от качества воды и методов очистки воды, применяющихся в системах водоснабжения.

Патогены могут проникать в системы водоснабжения, например, из систем канализации при нарушении целостности резервуаров для хранения воды или при возникновении протечек в сетях водоснабжения. Независимо от способа проникновения попавшие в систему патогены могут взаимодействовать с поверхностями в системе водоснабжения и могут стать через непродолжительное время биопленками. Таким образом, биопленки могут стать главным фактором для микробной экологии оппортунистических возбудителей (инфекционных микроорганизмов, способных вызвать заболевание в определенных группах риска) в системах распределения и в помещениях, оснащенных сантехническими приборами.

Исследования показали 1 , что биопленки в системах водоснабжения могут служить в качестве резервуаров для Helicobacter pylori – бактерий, вызывающих язву и рак, Legionellae – бактерий, которые могут привести к легионеллезу, и Mycobacteriumavium – бактерий, которые могут вызывать инфекции легких. Свободно живущие простейшие могут быть частью экосистем биопленки. Исследования показали, что такие простейшие, как инфузории и амебы, способны поддерживать в воде численность патогенных бактерий. Также возможно влияние биопленки на интенсификацию роста числа колиформных бактерий в воде. Обнаружение колиформных бактерий в распределительной системе считается индикатором наличия большого количества биопленки, что может привести к потенциальным рискам для здоровья потребителей от всех патогенов, передающихся через воду.

В то же время, хотя наличие биопленки может быть источником беспокойства по поводу качества воды в системах питьевого водоснабжения, исследования показали связь наличия биопленки с удалением некоторых галоуксусных кислот (HAAs), включая моногалогенированные соединения и дигалогенированные виды (но не тригалогенированных видов) 2 . Доминирующими культурами в уничтожении (HAAs) в системах питьевого водоснабжения питьевой воды являются Afipia spp 3 .

Биопленки и коррозия

Рост биопленки может увеличить очаговую коррозию в чугунных трубах путем изменения концентрации кислорода и электрического потенциала 4 .

Хотя рост биопленки, содержащей определенные типы колоний бактерий, может быть полезным в качестве барьера для коррозии в водопроводе, обычно биопленка интенсифицирует коррозию железа5. Кроме того, анаэробные сульфатвосстанавливающие бактерии могут способствовать микробиологически индуцированной коррозии из-за сульфидного газа, который ускоряет процессы коррозии.

Некоторые микробы, такие как актиномицеты и железные и серные бактерии, распространены в биопленках, образующихся в трубопроводах. Они могут отсоединяться от стенок, попадать в воду и размножаться в системе, часто приводя к проблемам вкуса, цвета и запаха питьевой воды.

Контроль биопленки

Биопленки являются гетерогенными, по своей природе неоднородными и колонизированными с разнообразными микробными сообществами – качествами, которые делают контроль биопленки сложным для систем водоснабжения.

Существует несколько стратегий борьбы с биопленкой, таких как промывка, озонирование, химическая обработка, также существует способ Ice Pigging – процесс, при котором ледяная суспензия закачивается в трубу и подается внутрь, чтобы удалить осадок и другие нежелательные отложения, для очистки трубы.

Борьба с проблемами биообрастания в Италии

Общеизвестно, что бактерии Legionella pneumophilla появляются и размножаются в контурах инженерных сетей и распространяются по водопроводу, при этом наиболее благоприятной средой для них является теплая или умеренно горячая вода. В последнее время наблюдается рост количества систем, имеющих при высокой стоимости бесполезно сложную структуру. В таких системах, когда с легионеллой борются путем прокачки по рабочим контурам воды температурой выше 65 °C, при которой якобы «враг погибает», риск превышает фактические преимущества. В итальянских инженерных журналах данный вопрос поднимался неоднократно, однако учитывая, с какой настойчивостью инженерам-конструкторам предлагаются такого рода системы, будет нелишне вернуться к данному вопросу.

Прежде всего следует понимать, что в ситуации повышенного риска, серьезность которого ныне общепризнана, теряет силу установленное Указом Президента Италии ограничение температуры горячей бытовой воды для тепловых сетей, предусматривающих централизованное приготовление горячей воды при наличии многоразборных пользовательских объектов в пределах 48 ± 5 °C. Многие в Италии ориентируются на данный регламент, хотя он уже не действует, поскольку вступило в силу распоряжение, заменяющее устаревшую статью.

Фактически старый регламент имел целью обеспечить энергосбережение при сохранении комфорта. Ныне же, тем более в контексте обсуждаемой проблематики, превалируют иные приоритеты и выдвигается иная задача, а именно сохранение здоровья населения.

Необходимо подчеркнуть, что проблема легионеллы требует внимания инженеров-конструкторов на всех участках инженерных сетей без исключения, о чем говорилось выше, при этом роль процессов приготовления и распределения горячей воды не следует ни преуменьшать, ни преувеличивать.

С учетом всех этих обстоятельств в распределительных сетях, где выявлено наличие легионеллы, можно поднять температуру воды более 60 °C, что приведет к инактивации бактерий в объеме, пропорциональном времени воздействия. Это так называемая термическая обработка, заключающаяся во временном повышении температуры в водогрейных котлах, распределительных и рециркуляционных контурах. Процедура, безусловно, дает желаемый эффект инактивации, что было доказано опытным путем и в больницах, и в гостиницах, где проводились соответствующие тесты. Те же тесты показали, что системы приготовления и распределения горячей санитарной воды, где температура не опускается ниже 50 °C, в меньшей степени подвержены возникновению очагов легионеллы.

Вообще говоря, полная процедура теплового удара состоит в том, чтобы повысить температуру воды до 70–80 °C и непрерывно прокачивать ее по сети в течение трех дней, не забывая ежедневно по полчаса сливать воду через каждый водоразборный кран. Некоторые авторы в профилактических целях рекомендуют даже сливать воду из водогрейных котлов и проводить обработку хлором (в объеме 100 мг/л на 12–14 ч).

Вопрос, во-первых, в том, каким образом эту процедуру можно провести в функционирующем здании без перерыва или изменения режима обслуживания, а также исключив риск для людей и оборудования. Прежде всего необходимо понимать, что поддержание температуры воды выше 65 °C на протяжении трех суток может стать причиной серьезных ожогов у людей.

Во-вторых, слив воды из всех (подчеркиваем, именно из всех) кранов приведет к огромным эксплуатационным затратам из-за непроизводительной потери воды и энергии, не говоря уже о термическом загрязнении сточных канализационных вод.

В-третьих, встает вопрос о состоянии инженерных сетей: при температуре в контурах более 60 °C вода становится химически агрессивной, это приводит к интенсификации коррозии, уменьшению жесткости воды и увеличению количества известковых отложений.

И наконец, в-четвертых, стоимость процедуры, если проводить ее грамотно и в полном объеме, превысит все мыслимые пределы, поскольку на объекте во время проведения обработки необходимо будет присутствие специалистов, наблюдателей и экспертов. В то же время нет никакой гарантии, что по завершении обработки и возвращении работы системы в штатный режим бактериальная культура не возникнет здесь вновь.

Согласно рекомендациям Министерства здравоохранения Италии уровень текущей профилактики считается более чем достаточным там, где приготовление и распределение горячей санитарной воды осуществляется в режиме 60 °C.

Следует помнить в этой связи, что болезнетворные бактерии выживают, если вода имеет температуру в диапазоне от 5 до 55 °C. При этом наиболее благоприятной для них является температура воды от 32 до 45 °C.

Таким образом, идеальным заданным значением представляются именно 60 °C, так как превышение данной температуры может подвергнуть пользователей опасности получить серьезные ожоги. Соблюдение данного температурного предела позволит предохранить от коррозии и накипи водогрейные котлы, теплообменники, распределительные сети, регулирующие агрегаты и водоразборное оборудование.

Мы выполним все условия термической дезинфекции воды, если распространим такой режим на всю внутреннюю распределительную сеть и рециркуляционный контур. Стоить это будет намного дешевле, чем проведение профилактических работ, да и людей беспокоить не придется.

Выбор схемы распределения

Две возможные схемы приготовления и распределения горячей бытовой воды, которые получили наибольшее распространение, представлены на рис. 1. Вариант «а» использовался чаще всего, пока действовало ограничение на температуру рабочих сетей 48 °C. Термостатический смеситель в этой схеме монтируется на выходе из водогрейного котла, что обеспечивает поддержание температуры в установленных пределах.

Намного более эффективной в данный момент считается схема «б», предусматривающая непосредственное распределение горячей воды, имеющей «антилегионеллезную» температуру на уровне 60 °C: термостатические смесители – не меньше одного на каждую пользовательскую точку – располагаются в сети на самых отдаленных участках, это ограничивает риск появления бактерий легионеллы одним конкретным водоразбором, а именно душевой лейкой или аэратором крана раковины. Обслуживать эти две точки намного проще и эффективней, поскольку доступ к ним обеспечен и их очистку можно производить соответствующими чистящими средствами либо, например, пламенем спиртовки, как практикуют, в частности, сотрудники лабораторий, берущие пробы воды на анализ. Обработка, разумеется, проводится силами квалифицированных специалистов.

Можно утверждать, что таким образом риск возникновения в воде бактерий будет существенно снижен, но избежать его полностью не представляется возможным, так как смесители контактируют и с атмосферным воздухом, и с холодной водой (последняя, кстати, также выступает разносчиком микроорганизмов).

Схемы приготовление и распределения горячей санитарной воды в сравнении: а – централизованный термостатический смеситель; б – смеситель непосредственно перед точкой водоразбора

На рис. 1 показана концепция двух схем с учетом проведения бактериологической профилактики – сетевой и термической: особая конфигурация водогрейных котлов и соответствующих соединений, предотвращающая смешение уже подготовленной для подачи пользователю горячей воды и вновь поступающей для нагрева холодной. Разогретый до оптимально горячей температуры слой воды всегда находится в верхней части бака котла, откуда забирается в распределительную сеть, при этом дополнительный модуль поддерживает в нем постоянную «антилегионеллезную» температуру. Змеевик теплообменника, использующего для нагрева воды солнечную энергию, направлен вниз в толщу подаваемой на нагрев холодной воды, чтобы имелась возможность использовать для горячего водоснабжения в том числе солнечную энергию. Понятно, что температура слоя, нагреваемого за счет солнечной энергии, будет варьироваться в силу переменчивости интенсивности излучения солнца. Погодные условия, позволяющие нагреть воду до «антилегионеллезной» температуры только с помощью солнца, складываются достаточно редко. Поэтому, перед тем как вода попадет в распределительный контур, ее подогреет до нужной температуры дополнительный водонагревающий модуль – это в совокупности должно предотвратить возникновение бактерий легионеллы.

Регулирующие термостаты Т1 и Т2 занимают стратегическое положение, обеспечивая подачу на теплообменники тепла в необходимом количестве.

Литература

1. Vittorio Bearzi. Legionella, sfidaall’impiantistica // RCI. – 2012. – № 1.
2. Выбор схемы распределения ГВС для снижения риска распространения легионеллы // Сантехника. – 2012. – № 4.

1 Watsonetal., 2004; Mackayetal., 1998; Rogers and Keevil, 1992; Lehtolaetal, 2007.

Микробов с горячим водоснабжением

ТОВ «Промислова автоматизація» постачає промислове обладнання та електронні компоненти для автоматизації технологічних процесів, будівель і споруд, машинобудівних комплексів.

Температура воды и её влияние на развитие бактерий в трубопроводах

В последние годы очень часто появляются статьи о бактерии Legionella, а также об угрозе для жизни и здоровья людей, использующих бытовую горячую воду. В неправильно функционирующих системах тепловодоснабжения могут быть узлы, в которых эта бактерия может хорошо размножаться.

Заражение бактерией Legionella

Первый, самый известный случай заражения бактерией Legionella произошел в гостинице «Bellevue-Stratford» в Филадельфии в 1976 году [1]. Там проходила встреча около 4500 военных ветеранов из «Американского Легиона», из них 182 человека неожиданно заболели, признаки болезни были похожи на обычную пневмонию. Примененные стандартные антибиотики оказались неэффективными, и 29 заболевших умерли. Поскольку происхождение болезни было неизвестно, начался лихорадочный поиск причины.

Прошло много времени прежде, чем узнали, что болезнь вызвана бактерией, которая до сих пор не была выявлена. От названия «Американский легион», в котором служили жертвы и у которых первый раз обнаружили бактерию, ее назвали «Legionella pneumophila», а болезнь, которую она вызывает «легионеллез».

Самая масштабная в Европе эпидемия легионеллеза вспыхнула в апреле 1985 года в Главной районной больнице в городе Страффорд в Великобритании, где из 101 человека заболевших легионеллезом, умерли 28.

В обоих случаях, как выявили позже, причиной был кондиционер. Источником заражения стал водный аэрозоль, содержавший бактерии Legionella, который поступал в помещение из системы кондиционирования.

Характеристика бактерии

Имеет огромную способность приспосабливаться к условиям окружающей среды.

Способность вызывать болезнь на много меньше при t=24 °C чем при t=37 °C. Способность к размножению сохраняется при t от 15 °C дo t=46 °C, при t= 46 °C размножение приостанавливается, при 48 °C и более – гибнет [1]. Её основное развитие происходит при t= 37…43 °C. В естественных условиях острая конкуренция со стороны других микроорганизмов при более низкой температуре не позволяет ей доминировать.

Живёт только в течение нескольких часов. Это значит, что даже если происходит размножение бактерии, за это время другие погибнут. Благодаря этому соблюдается равновесие.

Четко описанные условия её выращивания в лабораторных питомниках свидетельствуют о том, что не являются свободно живущей бактерией. Черпает необходимые для роста субстанции из живых или отмерших клеток сопутствующих ей микроорганизмов.

Это, вероятно, объясняет факт выживания и размножения бактерии в естественной среде в экстремальных условиях (низкие температуры, высокие температуры, высушивание, средства дезинфекции).

Встречается во всех естественных водах, во влажных местах, озерах, реках, морях, грунтовых водах. В системах очистки водопроводной воды бактерии удаляются не полностью.

Таким образом, бактерии в небольшом, неопасном для человека количестве попадают в системы водоснабжения здания.

Считается, что Legionella pneumophila, т. е. наиболее нежелательный вид в трубопроводных системах, находится в летаргии при температуре менее 20 °C. Размножается наиболее интенсивно в диапазоне температур 37…43 °C и поддается пастеризации при температуре свыше 46 °C. Поддержание в течение определенного времени высокой – на уровне 60…70 °C температуры воды в бакеаккумуляторе и системе тепловодоснабжения гарантирует, что спустя относительно короткое время бактерии полностью погибнут.

Для развития бактерий, помимо соответствующей температуры, требуется питание. Таким питанием могут быть другие мертвые микроорганизмы, живущие в накипи, например, в анодной накипи эмалированных нагревателей или в продуктах коррозии. Бактерии развиваются также в коррозионных трещинах. Подходящей средой для их развития являются практически все эластомеры, что следует принимать во внимание при герметизации мест присоединения водоразборной арматуры.

Подходящие условия для развития встречаются в узлах водоподготовки и в системах тепловодоснабжения. Заражение системы тепловодоснабжения может быть временным – в случае, если бактерии появились в одном из элементов системы или арматуры, например, в уплотнителе при распылителе душа, или систематическим – если в системе тепловодоснабжения существуют места, в которых бактерии постоянно размножаются и откуда они вымываются.

В этом случае их концентрация в воде не изменяется даже при интенсивном промывании системы. В случае случайного заражения замена уплотнителей, промывка и очистка от камня, а также продуктов коррозии арматуры или сильный напор воды приводят к уменьшению концентрации бактерий.

Размножению способствует, прежде всего, слишком низкая температура горячей воды в водонагревателях и баках при длительном периоде ее нахождения, а также появляющиеся в результате недобросовестной чистки и содержания осадка или биопленки.

Биопленкой называют трехмерную колонию бактерий, содержащихся в матрицах внешнеклеточных полимеров, проявляющих способность к адгезии к стабильным поверхностям и друг к другу. Формирование матрицы биопленки защищает микроорганизмы (из которых состоит биопленка) от деградационной деятельности факторов окружающей среды.

Методы дезинфекции системы тепловодоснабжения

Практически во всех системах тепловодоснабжения присутствуют бактерии Legionella. Для уменьшения их концентрации проводится дезинфекция.

Химическая дезинфекция

Существует несколько методов химической дезинфекции: дезинфекция хлором, ионами меди и серебра, йодом и озоном.

Хлорирование — наиболее распространенный метод химической дезинфекции. Эффективность такой дезинфекции зависит от pH, температуры, количества органических соединений и присутствия биопленки.

Наиболее быстрым является процесс так называемого шокового гиперхлорирования, который заключается в использовании соединений хлора в таком количестве, чтобы достигнуть в течение двух часов концентрации свободного хлора 10 мг/дм3. При этом температура воды не может быть более 30 °C. Затем систему следует промывать, пока уровень свободного хлора не станет 0,1…0,3 мг/дм3, а pH воды – 7,6…8,3.

Этот метод является эффективным, но имеет и негативные стороны: необходимо постоянное наблюдение за системой в связи с тем, что во время хлорирования могут появиться соединения с канцерогенными свойствами, что может угрожать здоровью потребителей водопроводной воды. А также использование большой дозы хлора повышает коррозионную активность воды [8].

Дезинфекция ионами меди и серебра состоит в использовании синергетического биоразрушающего действия этих ионов. Предлагаемая доза составляет 0,2…0,4 мг/дм3 ионов меди и 0,02…0,04 мг/дм3 ионов серебра [8]. Во время использования этого метода необходимо постоянно наблюдать за концентрацией ионов меди и серебра.

Йодирование состоит в добавлении йода в воду. Применяемая доза йода составляет 16 мг/дм3, а время контакта – 1 ч.

Озонирование состоит в использовании для дезинфекции воды сильного окислителя – озона O3.

Сильными дезинфицирующими свойствами обладает атомный кислород, образовывающийся при распаде озона. Он приводит к сокращению бактерий в течение 5 мин. на 99 %. Однако в виду сильных окислительных свойств его можно применять для дезинфекции системы тепловодоснабжения в ограниченном объеме.

Химическое средство дезинфекции должно достичь всех точек системы. Это осуществляют путем кратковременного открытия всей водоразборной арматуры системы. Время контакта должно составлять от одного до двух часов [3].

Описанные выше химические методы в связи с необходимостью мониторинга, имеют серьезные сложности, вытекающие из поддержания соответствующей дозировки дезинфицирующего средства, а также его неблагоприятного влияния на свойства воды и повышение ее агрессивности. Это побуждает к применению физических методов дезинфекции систем тепловодоснабжения.

Дезинфекция с помощью ультрафиолетовых лучей

Бактерии, находящиеся трубопроводной воде, могут быть уничтожены с помощью ультрафиолетового излучения. Для такой дезинфекции подходят лампы, излучающие волны длиной от 220 до 320 нм. Чаще всего применяют УФ стерилизаторы, устанавливаемые перед водоразборными точками.

Этот метод эффективен только для бесцветной и прозрачной воды. Таким образом, перед такими устройствами необходимо установить фильтры, задерживающие суспензии и осадки.

Термическая дезинфекция системы

При термической дезинфекции воду нагревают до температуры дезинфекции в течение необходимого времени. Считается, что во время цикличной термической дезинфекции температура воды должна быть не ниже 70 °C [13]. Время дезинфекции составляет от 5 до 30 мин. При температуре воды 70 °C время ее дезинфекции составляет 5 мин., при температуре 65 °C время увеличивается до 10 мин., при 60 °C – до 30 мин. [8].

При проведении дезинфекции все водоразборные точки должны быть закрыты, а циркуляционный насос должен все время работать. Такой режим работы системы необходимо поддерживать до тех пор, пока не будет достигнута соответствующая температура во всех стояках. Если невозможно получить необходимую температуру во всей системе одновременно, дезинфекцию производят по частям системы. Точно так же, как и в случае с другими методами дезинфекции, этот процесс необходимо периодически повторять, чтобы минимизировать повторное заселение системы бактериями вида Legionella. Следует также помнить об обеспечении безопасности пользователей воды – защите от ошпаривания.

Выводы

Количество бактерий Legionella, которое может привести к заболеванию, точно не определено, однако это достаточно большое количество. Высокая вероятность заболевания существует при загрязнении воды достигающем 106 cfu/дм3.

Особенно велика вероятность попадания аэрозоля с бактериями в легкие при принятии душа. Закрытая душевая кабинка содействует большей и более длительной концентрации капелек воды вокруг человека, который моется. Количество бактерий 103 cfu/дм3, которые проникли в дыхательную систему при ингаляции, уже является достаточно высокой дозой, способной вызвать инфекцию при наличии благоприятных условий. После проникновения бактерий в организм болезнь может проявиться спустя несколько дней, иногда даже спустя несколько недель.

Бактерии Legionella размножаются в воде в пределах температуры от 20 до 46 °C. Оптимальной температурой их развития является 37…43 °C. Следовательно, холодная вода в системе не должна быть выше температуры 20 °C, а горячая вода – быть ниже 46 °C. Исследования показали, что наиболее многочисленные колонии бактерий содержатся в водопроводах с температурой воды 40 °C. Количество этих бактерий в воде обычно удерживается на уровне 104 cfu/дм3, а в осадках их количество может достигать даже 105…109 cfu/см2.

Бактерии Legionella развиваются особенно быстро в системах тепловодоснабжения с неправильно функционирующей циркуляцией. Многие старые системы так спроектированы, что вода в трубах охлаждается слишком интенсивно.

Одним из наиболее эффективных способов сокращения риска инфицирования бактериями Legionella из системы тепловодоснабжения является использование технических решений, обеспечивающих правильное функционирование циркуляции горячей воды вместе с поддержанием рекомендуемого уровня температуры воды в циркуляционном контуре.

Температура воды в системе тепловодоснабжения не должна быть менее 50 °C. Это условие невозможно выполнить на участках, где стояки соединяются с водоразборной арматурой в связи с отсутствием циркуляции в них. Эти участки должны быть выполнены из медных труб – материала, в котором Legionella практически не развивается. В виду распространенности наличия палочек Legionella в системах тепловодоснабжения эти системы должны периодически проверяться.

В связи с тем, что метод термической дезинфекции системы тепловодоснабжения относительно простой, эффективный и недорогой, он является наиболее приемлемым для широкого применения.

При проектировании системы тепловодоснабжения следует учитывать определенные рекомендации:

— проектировать систему циркуляции горячей воды таким образом, чтобы при правильной эксплуатации температура воды во всей системе не опускалась Опубликовано в Тепловодоснабжение