Osady biologiczne, znane również jako biofilmy lub biofouling, to nagromadzenia mikroorganizmów, takich jak bakterie, glony, grzyby i inne materiały biologiczne na powierzchniach mających kontakt z wodą. Osady te występują w wielu przemysłowych obiegach wody, takich jak systemy wody chłodzącej, systemy membranowe (odwrócona osmoza) i rurociągi, i stanowią wyzwanie dla wydajnego działania i długoterminowej niezawodności systemów uzdatniania wody.
Spis treści
Tworzenie się osadów biologicznych
Tworzenie biofilmów rozpoczyna się od przyczepienia mikroorganizmów do powierzchni, które są w ciągłym kontakcie z wodą. Proces ten charakteryzuje się następującymi etapami:
Przyczepność pierwotna: Poszczególne mikroorganizmy, takie jak bakterie, przyczepiają się do powierzchni. Wpływają na to interakcje fizyczne, takie jak siły van der Waalsa, przyciąganie elektrochemiczne i struktura chemiczna powierzchni. Gładkie, hydrofobowe powierzchnie są mniej podatne na tworzenie się biofilmu niż szorstkie, hydrofilowe materiały.
Podział komórek i produkcja EPS: Po przyczepieniu się mikroorganizmów do powierzchni, zaczynają się one namnażać i wytwarzać zewnątrzkomórkową substancję polimerową (EPS), która stabilizuje biofilm. Ta lepka substancja tworzy matrycę ochronną składającą się z polisacharydów, białek i innych materiałów organicznych. Utrzymuje ona mikroorganizmy razem i zapewnia ochronę przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak chemikalia lub czyszczenie mechaniczne.
Tworzenie i wzrost biofilmu: Z biegiem czasu biofilm nadal rośnie, ponieważ coraz więcej mikroorganizmów kolonizuje i wzmacnia sieć EPS. W systemach przemysłowych proces ten może prowadzić do znacznego wzrostu oporu przepływu i zmniejszenia wymiany ciepła, szczególnie w wymiennikach ciepła i obwodach chłodzenia. W systemach membranowych, takich jak odwrócona osmoza, biofouling może blokować pory membrany i zmniejszać przepływ przezbłonowy (TMP), co pogarsza wydajność i żywotność systemu.
Zdjęcie: Wzrost biologiczny na powierzchni wymiany ciepła obiegu chłodzenia
Tło techniczne i efekty
Osady biologiczne mogą mieć poważny wpływ na działanie systemów wody przemysłowej i ścieków:
Zmniejszona wydajność systemu: W obwodach chłodzenia biofilmy prowadzą do zmniejszenia wydajności wymiany ciepła. Biofilm działa jak izolator termiczny, co oznacza, że do chłodzenia lub ogrzewania procesów trzeba zużyć więcej energii. W rurociągach biofilm zwiększa opór hydrauliczny, a tym samym energię potrzebną do pompowania wody.
Zwiększone ryzyko korozji: Osady biologiczne mogą przyspieszyć tempo korozji powierzchni metalowych poprzez korozję wywołaną przez drobnoustroje (MIC). Jest to spowodowane przez mikroorganizmy, które promują procesy redukcji siarczanów lub siarki w warunkach niskiej zawartości tlenu, co prowadzi do powstawania substancji korozyjnych, takich jak siarkowodór (H₂S).
Pogorszenie jakości wody: Biofilmy mogą działać jako rezerwuar dla patogennych mikroorganizmów, które są rozprowadzane przez system wodny. Stanowi to poważny problem, szczególnie w przemyśle spożywczym i uzdatnianiu wody pitnej.
Zanieczyszczenie membrany: W systemach membranowych, takich jak odwrócona osmoza, tworzenie się biofilmów prowadzi do drastycznego zmniejszenia natężenia przepływu i zwiększonego zapotrzebowania na cykle czyszczenia chemicznego. Skraca to żywotność membran i zwiększa koszty operacyjne.
Środki zapobiegawcze i kontrolne
W praktyce podejmowane są różne strategiczne środki w celu zminimalizowania negatywnych skutków biofoulingu:
1. obróbka chemiczna
- Biocydy: Biocydy, które zabijają mikroorganizmy lub hamują ich wzrost, są stosowane w celu zapobiegania tworzeniu się osadów biologicznych. Przykładami powszechnie stosowanych biocydów są chlor, podchloryn sodu lub kwas nadoctowy. Jednak w systemach, w których stosowane są membrany, należy stosować biocydy niezawierające chloru, ponieważ chlor może uszkodzić membrany.
- Dyspergatory: Te substancje chemiczne pomagają rozpuścić już utworzone biofilmy i destabilizują matrycę EPS, dzięki czemu biofilm można łatwiej usunąć mechanicznie.
Zdjęcie: Przegląd naszych produktów biobójczych do układów chłodzenia. Aby uzyskać więcej informacji na temat naszych płynów eksploatacyjnych do systemów wody chłodzącej, prosimy odwiedzić naszą stronę internetową: ALMA AQUA Cooling Water
2. procedury fizyczne
- Płukanie i czyszczenie mechaniczne: Regularne płukanie wodą pod wysokim ciśnieniem lub mieszaniną powietrza i wody może pomóc ograniczyć gromadzenie się mikroorganizmów. Zastosowanie mechanicznych systemów czyszczących, takich jak szczotki lub systemy czyszczenia kulowego, może być skuteczne w wymiennikach ciepła i rurociągach.
- Ultradźwięki lub światło UV: W niektórych zastosowaniach, ultradźwięki lub promieniowanie UV jest wykorzystywane do bezpośredniego niszczenia mikroorganizmów lub zapobiegania ich przyleganiu do powierzchni. Światło UV jest powszechną metodą w systemach wody pitnej do dezynfekcji i zapobiegania biofoulingowi.
Zdjęcie: Reaktor UV do dezynfekcji i higienizacji ścieków i wody procesowej(ALMA OXI UV)
3. projektowanie i optymalizacja systemu
- Wybór materiału: Zastosowanie odpornych na korozję i gładkich materiałów może ograniczyć tworzenie się biofilmu, ponieważ mikroorganizmom trudniej jest przylegać do takich powierzchni.
- Optymalizacja warunków przepływu: Biofilmy wolą tworzyć się w obszarach o niskim przepływie. Tworzenie się osadów można ograniczyć poprzez optymalizację prędkości przepływu lub unikanie martwych stref w rurach.
4. biologiczna obróbka wstępna
Biofiltracja: Szczególnie skuteczną metodą redukcji biofoulingu w dalszych systemach uzdatniania wody jest zastosowanie systemów filtracji biologicznej. ALMAWATECH oferuje rozwiązanie w tym zakresie ALMA BioFil Compact rozwiązanie. System ten jest szczególnie odpowiedni dla ścieków o przepływie do 50 m³/h i może być stosowany przed systemami membranowymi, takimi jak odwrócona osmoza, w celu usunięcia niewielkich pozostałości substancji organicznych. Znacząco zmniejsza to potencjał biofoulingu i zapewnia bardziej wydajną i ekonomiczną pracę odwróconej osmozy.
ALMA BioFil Compact jest szczególnie przydatny w oczyszczaniu ścieków, takich jak kondensaty pary z przemysłu spożywczego (zwłaszcza mleczarni). Redukując substancje organiczne przed ich przedostaniem się do systemów membranowych, wydłuża się żywotność membran i znacznie zmniejsza wysiłek związany z ich czyszczeniem. Jest to zrównoważone podejście do zapobiegania biofoulingowi w dłuższej perspektywie i minimalizacji kosztów operacyjnych.
Zdjęcie: Projekt 3D naszego systemu biofiltracji ALMA BioFil Compact do usuwania zanieczyszczeń organicznych
Znaczenie w praktyce
W praktyce przemysłowej osady biologiczne są częstą przyczyną awarii i spadku wydajności. W systemach wody chłodzącej biofilmy mogą zmniejszyć wydajność wymiany ciepła nawet o 20%, podczas gdy w systemach odwróconej osmozy koszty operacyjne mogą dramatycznie wzrosnąć z powodu wydłużonych cykli czyszczenia i przedwczesnego zużycia membrany. Ciągłe monitorowanie i usuwanie biofilmów jest zatem istotną częścią zarządzania instalacją uzdatniania wody.
Wnioski
Osady biologiczne stanowią złożone wyzwanie w przemysłowym uzdatnianiu wody. Tworzenie się biofilmów może prowadzić do znacznych strat wydajności, zwiększonych kosztów konserwacji i pogorszenia jakości wody. Stosując ukierunkowane środki, takie jak obróbka chemiczna biocydami, fizyczne techniki czyszczenia (takie jak obróbka ALMA OXI UV), systemy biofiltracji i dobrze przemyślany projekt systemu, można kontrolować i minimalizować negatywne skutki biofoulingu. Dogłębne zrozumienie procesów biologicznych i ich wpływu na technologię systemu jest niezbędne do zapewnienia wydajnego i opłacalnego uzdatniania wody.
