Biologische afzettingen, ook bekend als biofilms of biofouling, zijn ophopingen van micro-organismen zoals bacteriën, algen, schimmels en andere biologische materialen op oppervlakken die in contact komen met water. Deze afzettingen komen voor in veel industriële watercircuits, zoals koelwatersystemen, membraansystemen (omgekeerde osmose) en pijpleidingen, en vormen een uitdaging voor de efficiënte werking en betrouwbaarheid op lange termijn van waterbehandelingssystemen.
Inhoudsopgave
Vorming van biologische afzettingen
De vorming van biofilms begint met de aanhechting van micro-organismen aan oppervlakken die continu in contact staan met water. Dit proces wordt gekenmerkt door de volgende stappen:
Primaire aanhechting: Individuele micro-organismen, zoals bacteriën, hechten zich aan het oppervlak. Dit wordt beïnvloed door fysische interacties zoals van der Waals krachten, elektrochemische aantrekkingskracht en de chemische structuur van het oppervlak. Gladde, hydrofobe oppervlakken zijn minder vatbaar voor biofilmvorming dan ruwe, hydrofiele materialen.
Celdeling en EPS-productie: Nadat de micro-organismen zich aan het oppervlak hebben gehecht, beginnen ze zich te vermenigvuldigen en produceren ze een extracellulaire polymere substantie (EPS) die de biofilm stabiliseert. Deze kleverige substantie vormt een beschermende matrix die bestaat uit polysachariden, eiwitten en andere organische materialen. Het houdt de micro-organismen bij elkaar en biedt bescherming tegen invloeden van buitenaf, zoals chemicaliën of mechanische reiniging.
Biofilmvorming en -groei: Na verloop van tijd blijft de biofilm groeien doordat steeds meer micro-organismen het EPS-netwerk koloniseren en versterken. In industriële systemen kan dit proces leiden tot een aanzienlijke toename van de stromingsweerstand en een vermindering van de warmteoverdracht, vooral in warmtewisselaars en koelcircuits. In membraansystemen zoals omgekeerde osmose kan biofouling de membraanporiën blokkeren en de transmembraanstroom (TMP) verminderen, wat de efficiëntie en levensduur van het systeem aantast.
Foto: Biologische groei op een warmteoverdrachtsoppervlak van een koelcircuit
Technische achtergrond en effecten
Biologische afzettingen kunnen ernstige gevolgen hebben voor de werking van industriële water- en afvalwatersystemen:
Verminderde systeemefficiëntie: In koelcircuits leiden biofilms tot een vermindering van de efficiëntie van de warmteoverdracht. De biofilm werkt als een thermische isolator, wat betekent dat er meer energie moet worden gebruikt om processen te koelen of te verwarmen. In leidingen verhoogt biofouling de hydraulische weerstand en dus de energie die nodig is om het water te pompen.
Verhoogd risico op corrosie: Biologische afzettingen kunnen de corrosiesnelheid van metalen oppervlakken versnellen door microbiële geïnduceerde corrosie (MIC). Dit wordt veroorzaakt door micro-organismen die sulfaat- of zwavelreducerende processen bevorderen onder zuurstofarme omstandigheden, wat leidt tot de vorming van corrosieve stoffen zoals waterstofsulfide (H₂S).
Verslechtering van de waterkwaliteit: Biofilms kunnen fungeren als reservoir voor pathogene micro-organismen die zich door het watersysteem verspreiden. Dit vormt een ernstig probleem, vooral in de voedingsindustrie en bij de behandeling van drinkwater.
Membraanvervuiling: In membraansystemen, zoals omgekeerde osmose, leidt de vorming van biofilms tot een drastische vermindering van de stroomsnelheid en een grotere behoefte aan chemische reinigingscycli. Dit vermindert de levensduur van de membranen en verhoogt de bedrijfskosten.
Preventie- en controlemaatregelen
In de praktijk worden verschillende strategische maatregelen genomen om de negatieve effecten van biofouling te minimaliseren:
1. chemische behandeling
- Biociden: Biociden die micro-organismen doden of hun groei remmen worden gebruikt om de vorming van biologische afzettingen te voorkomen. Voorbeelden van veelgebruikte biociden zijn chloor, natriumhypochloriet of perazijnzuur. In systemen waarin membranen worden gebruikt, moeten echter chloorvrije biociden worden gebruikt, omdat chloor de membranen kan beschadigen.
- Dispergeermiddelen: Deze chemicaliën helpen om reeds gevormde biofilms op te lossen en destabiliseren de EPS-matrix zodat de biofilm gemakkelijker mechanisch verwijderd kan worden.
Afbeelding: Productoverzicht van onze biociden voor koelcircuits. Bezoek onze website voor meer informatie over onze bedrijfsvloeistoffen voor koelwatersystemen: ALMA AQUA Koelwater
2. fysieke procedures
- Spoelen en mechanisch reinigen: Regelmatig spoelen met water onder hoge druk of lucht/watermengsels kan helpen om de ophoping van micro-organismen te verminderen. Het gebruik van mechanische reinigingssystemen, zoals borstels of kogelreinigingssystemen, kan effectief zijn in warmtewisselaars en pijpleidingen.
- Ultrageluid of UV-licht: In sommige toepassingen kan ultrageluid of UV-bestraling gebruikt om micro-organismen rechtstreeks te vernietigen of om te voorkomen dat ze zich aan oppervlakken hechten. UV-licht is een veelgebruikte methode in drinkwatersystemen voor desinfectie en om biofouling te voorkomen.
Foto: UV-reactor voor desinfectie en hygiënisatie van afvalwater en proceswater(ALMA OXI UV)
3. systeemontwerp en optimalisatie
- Materiaalkeuze: Het gebruik van corrosiebestendige en gladde materialen kan de vorming van een biofilm verminderen, omdat micro-organismen zich moeilijker kunnen hechten aan dergelijke oppervlakken.
- Optimalisatie van de stromingsomstandigheden: Biofilms vormen zich bij voorkeur in gebieden met een laag debiet. De vorming van afzettingen kan worden beperkt door de stroomsnelheid te optimaliseren of dode zones in leidingen te vermijden.
4. biologische voorbehandeling
Biofiltratie: Een bijzonder efficiënte methode voor het verminderen van biofouling in downstream waterbehandelingssystemen is het gebruik van biologische filtratiesystemen. ALMAWATECH biedt hiervoor de oplossing ALMA BioFil Compact oplossing. Dit systeem is bijzonder geschikt voor afvalwaterstromen tot 50 m³/u en kan stroomopwaarts van membraansystemen zoals omgekeerde osmose worden gebruikt om lage restladingen organische stoffen te verwijderen. Dit vermindert de kans op biofouling aanzienlijk en zorgt voor een efficiëntere en zuinigere werking van omgekeerde osmose.
ALMA BioFil Compact is vooral nuttig bij de behandeling van afvalwater, zoals dampcondensaten uit de voedingsindustrie (vooral zuivelbedrijven). Door organische stoffen te reduceren voordat ze in membraansystemen terechtkomen, wordt de levensduur van de membranen verlengd en de reinigingsinspanning aanzienlijk verminderd. Dit is een duurzame aanpak om biofouling op lange termijn te voorkomen en de bedrijfskosten te minimaliseren.
Afbeelding: 3D-ontwerp van ons ALMA BioFil Compact biofiltratiesysteem voor de verwijdering van organische verontreinigingen
Relevantie in de praktijk
In de industriële praktijk is biologische afzetting een veel voorkomende oorzaak van storingen en rendementsverlies. In koelwatersystemen kunnen biofilms de efficiëntie van de warmteoverdracht met 20% verminderen, terwijl in omgekeerde osmosesystemen de bedrijfskosten drastisch kunnen toenemen door verhoogde reinigingscycli en vroegtijdige membraanslijtage. Het continu monitoren en behandelen van biofouling is daarom een essentieel onderdeel van het fabrieksmanagement in waterbehandeling.
Conclusie
Biologische afzettingen vormen een complexe uitdaging in industriële waterzuivering. De vorming van biofilms kan leiden tot aanzienlijke rendementsverliezen, hogere onderhoudskosten en een verslechtering van de waterkwaliteit. Door gerichte maatregelen, zoals chemische behandeling met biociden, fysieke reinigingstechnieken (zoals de ALMA OXI UV-behandeling), biofiltratiesystemen en een doordacht systeemontwerp, kunnen de negatieve effecten van biofouling worden beheerst en geminimaliseerd. Een goed begrip van de biologische processen en hun invloed op de systeemtechnologie is essentieel om een efficiënte en kosteneffectieve waterbehandeling te garanderen.
