Russian (CIS)English (United Kingdom)

Снижение токсичности и алергенности воды плавательных бассейнов благодаря оборотному водоснабжению с применением электросорбционных фильтров

Индекс материала
Снижение токсичности и алергенности воды плавательных бассейнов благодаря оборотному водоснабжению с применением электросорбционных фильтров
Страница 2
Страница 3
Все страницы

      Техника водоснабжения современных плавательных бассейнов достигла к настоящему времени весьма высокого уровня развития. Множеством западных фирм предлагается различная фильтрационная и насосная техника, системы дозирования реагентов для очистки бассейнов от загрязнений, привносимых купающимися, средства уничтожения микрофлоры и пролонгации эффекта стерилизации воды, а также различное вспомогательное оборудование (устройства, обеспечивающие вентиляцию, подогрев, подсветку бассейнов, создание в них разных волновых и струйных эффектов, напорных душей, всевозможных горок, лесенок, туб,   и т. п.).

      Главными среди перечисленных эффектов  для комфортного и здорового отдыха людей   являются, конечно,  те, что обеспечивают необходимые санитарно-гигиенические условия: чистоту воды вплоть до уровней питьевых стандартов, и в первую очередь, по микробиологическим показателям, а также физико-химическим и химическим параметрам. Для этого широко практикуется рециркуляция воды через фильтры при строгом дозированном использовании хлора и хлорных соединений, различных коагулянтов и флокулянтов, в том числе полимерных дезинфектантов на основе  полигексаметиленгуанидина.   Используется ультрафиолетовое облучение и озонирование воды, введение в нее реагентов, выделяющих кислород, ионов серебра,

     Отличительной чертой современной научно-технической политики в области бассейновых технологий является стремление к очистке воды по максимальному числу физико-химических и микробиологических показателей при одновременном снижении побочного токсичного воздействия на человеческий организм химических агентов дезинфицирующего и пролонгирующего свойства стерильности действия (в первую очередь, хлора и его соединений). Тем не менее, имеющиеся в распоряжении инженерных фирм технологии  пока не надежно не обеспечивают стерильность воды в сочетании с отсутствием в воде токсичных и аллергенных компонентов. Химическая очистка воды при длительном использовании ее без замены в бассейнах также не позволяет избавиться от введения в воду реагентов.     

     Фактически, все бассейновые технологии строятся на весьма сомнительной концепции, согласно которой питьевая вода превращается в некую нестабильную коллоидную систему с дисперсионной средой, представляющей собой агрессивный раствор, который  действует на микрофлору более губительно, чем на человека.   

     Можно ли в подобной ситуации говорить об абсолютно оздоровительной роли  купания или плавания в подобных бассейнах? Факты нанесения ущерба здоровью или  физиологическому состоянию купающихся,  от принятия такого рода водных процедур общеизвестны.

     Для  совершенствования технологии стерилизации и химической очистки воды в бассейнах, очевидно,  необходимо привлечение новых методических подходов. Но для этого следует  количественно описать работу бассейна как в условиях чисто химической стерилизации, так и совместно с неким стерилизатором, пока неопределенного типа, но обладающим определенными стерилизующими характеристиками. При этом, прежде всего, полезно  рассмотреть особенности развития микробных популяций в системах как без рециркуляции, так и с рециркуляцией  воды через подобные  дезинфицирующие устройства, независимо от механизма их функционирования.

1. Физико-химические основы поддержания микробиологических показателей воды плавательных бассейнов на уровне действующих санитарных нормативов

1.1. Микробная популяция в бассейне без рециркуляции воды через дезинфицирующие устройства

    Рассмотрим наименее благоприятный для нас случай развивающейся в воде бассейна микробной популяции,  практически почти не встречающийся, но теоретически возможный. Более уместна,  судя по микробиологическим соображениям и литературным данным [8], речь не столько о развивающихся, сколько об отмирающих в условиях всевозможных лимитов популяциях. Но, как нам представляется,  было бы неосторожно проигнорировать ситуацию, хотя и мало, но все-таки вероятную при стечении ряда обстоятельств.

    Пусть наряду с экспоненциально делящимися клетками  с концентрацией m, [кл./мл], в воде имеются клетки с концентрацией k, [кл./мл], находящиеся в лаг-фазе. Клетки первого вида адаптированы к условиям бассейна и делятся со скоростью h, [час-1]. Клетки второго вида смываются с тел купающихся со скоростью

А0, [кл./мл/час] и в течение времени TL - длительности лаг-фазы – не делятся, адаптируясь к новым условиям. По прошествии этого времени они начинают делиться точно так же, как и клетки первого вида.

    Пусть в начальный момент общая концентрация клеток n равна n0 причем клеток в лаг-фазе нет. За каждый промежуток времени dt в период от 0 до TL число клеток первого вида за счет деления будет увеличиваться на величину dm= hmdt, а клеток второго вида - на dk = А0 dt. При t  > TL число клеток второго вида перестает увеличиваться, поскольку их число прибывает с такой же скоростью с какой и убывает за счет “созревших” и переходящих в категорию экспоненциально делящихся.

В дифференциальной форме (штрих означает производную по времени) это можно записать в виде

                    k’ = А0 θ (TL - t),                                                (16)

причем решение этого уравнения есть          k(t) = А0t      при0 < t < TL,

k(t) = А0 TL    приt  > TL .                                                        (17)

Для экспоненциально делящихся клеток имеем m’ = hm+ А0 θ (t- TL)                                                              (18)

с решением:

m(t) = n0exp(ht) + А0/η {exp[hθ (t- TL)]  - 1}.                            (19)

 

Общая концентрация клеток n(t) дается суммой решений (17) и (19). Первый член в уравнении (19) описывает деление исходных экспоненциально делящихся клеток, а второй – деление созревающих клеток после завершения лаг-фазы.

 

1.2. Микробная популяция в бассейне  в случае рециркуляции воды через стерилизующие устройства

        Пусть в условиях предыдущей задачи вода циркулирует через некий  стерилизатор с эффективностью λ=(1-1/k)q/V(см. экспоненциальную задачу). В условиях идеального перемешивания клетки обоих видов будут уничтожаться в стерилизаторе пропорционально их парциальной концентрации. Если за время dt общая концентрация клеток падает на λ n dt, то концентрация клеток каждого вида падает на λ k dt  и λ m dt соответственно. Поэтому уравнения (16) и (18) модернизируются к виду:

k’ = - λ k + А0 θ (TL - t),                                                             (20а)

m ’ = -(λ– h) m + А0θ(t - TL)                                                     (20б)

с начальными условиями k(0) = 0 и m(0) = n0. Эти уравнения имеют решения:

k(t) = А0/λ {exp[λ min(t, TL)- λt] – exp(-λt)},                                  (21а)

m (t) = n0 exp(-μt) + А0/μ{1 - exp[μ min(t, TL)- μt]},                     (21б)

где μ = λ– h.

При TL = 0 из уравнения (21а) получаем k(t) = 0, а из  (21б)  имеем

m(t) = (n0- А0/μ) exp(-μt) + А0/μ,                                                  (22)

что совпадает с решением (12) для гомогенной клеточной популяции.

Численные значения параметров модели. Рассмотрим типичные значения параметров, встречающиеся в модели. Пусть объем бассейна V = 20 м3, q = 3 – 5 м3/час, при этом Г = 3,6 – 6,0.

Параметр α найдем из требования СанПиНа [1], что вода должна равномерно заменяться на 10 % каждые 8 часов работы бассейна.
Тогда α = 0,1/8 = 0,0125 час-1.

 

Для воды при неоптимальной температуре в условиях осмотического шока можно положить Тген = 8 - 12 час. Из опыта эксплуатации аппаратов «КАСКАД» известно, что k> 10 – 20. Тогда для параметра μ (8) получаем 0,060 < μ < 0,10, и, соответственно, 24 > Tстер > 15 час, причем вклад в уменьшение обсемененности за счет разбавления воды свежей на порядок ниже, чем за счет стерилизации.

Оценим величину А0. Известно, что на коже человека может находиться от 8×107 до 1,2×109 различных микроорганизмов ([6], с. 73), не считая микрофлоры полости рта и слизистых оболочек. Положим a0= 1×108, и пусть все эти клетки в конечном итоге попадают в воду бассейна при купании человека.  Если ежечасно бассейн посещают 10 чел.,

то А0 = 1×108 х 10 / 20×106 = 50 кл. мл-1ч-1.

            Прежде чем непосредственно перейти к моделированию процесса дезинфекции в условиях оборота воды, еще кратко остановимся на основных закономерностях роста микроорганизмов.

            В микробиологии отличают сбалансированный рост, когда скорость прироста каждого компонента клеток, числа клеток и массы клеток одинакова, и несбалансированный рост, когда скорости роста разных компонентов клеток оказываются различными.

            При сбалансированном росте число клеток растет экспоненциально (экспоненциальная фаза роста): за одинаковые промежутки времени, называемым временем генерации, число клеток удваивается. Как правило, эта фаза не поддерживается длительное время в связи с исчерпанием питательного субстрата.

            Поэтому культура переходит в так называемую стационарную фазу, когда исчерпываются источники питания, либо накапливаются токсичные метаболиты. Этот переход протекает несбалансированно, различные клеточные компоненты синтезируются с различными скоростями, и химический состав клеток отличается от состава в экспоненциальной фазе. Число клеток в популяции на этой фазе меняется незначительно, сами клетки меньше по размеру, чем в экспоненциальной фазе, но они более устойчивы к внешним физическим и химическим воздействиям. Далее, при нахождении в неблагоприятных условиях, которые не поддерживают клеток рост, (что как раз и имеет реально место в плавательных бассейнах) популяция постепенно переходит в фазу  отмирания, которая характеризуется экспоненциальным убыванием числа клеток.

            При перенесении клеток из культуры, находящейся в стационарной фазе, в свежую среду того же состава, они приобретают способность к дальнейшему росту (экспоненциальная фаза) после некоторого периода, когда происходит изменение химического состава клеток. Продолжительность этого адаптационного периода, называемого лаг-фазой, обычно пропорциональна продолжительности предварительного нахождения клеток в стационарной фазе, и может быть самой различной по времени. Более того, поддерживая неблагоприятные условия для микроорганизмов, можно значительно затягивать продолжительность лаг-фазы.

            Минимальное время удвоения для разных культур различно. К примеру, для популяции E. coli в питательной среде при оптимальных условиях на стадии экспоненциального роста для удвоения численности клеток требуется  порядка 20 минут,  для культуры  Beneckeanatriegens– даже 10 минут. В тоже время для максимального роста Mycobacteriumtuberculosisвремя удвоения составляет 6 часов (см. [4], c. 41). Однако вода в бассейне практически для всех видов далека от идеальных условий, как по температуре, так и по питательному составу.  Кроме того, видовой состав микрофлоры неизвестен. Поскольку по санитарным нормам исходная вода должна быть питьевого качества, то основным фактором появления как микрофлоры, так и питательного субстрата, прежде всего,  являются сами купающиеся, а также оседающие из воздуха микроорганизмы. Часть из них, попав в совершенно иные, неблагоприятные условия, погибает даже без стерилизации. Другие, пройдя адаптационный период, приспосабливаются и, в принципе, могут начать  размножаться, хотя и не в оптимальных условиях. Если в условиях оптимального экспоненциального роста скорость роста равна  hмах[час-1], то при концентрации лимитирующего субстрата С,  она равна

h(C)= hмахС/(КS+С ),                                                                                        (23)

            где КS– константа, равная концентрации субстрата, при которой максимальная скорость роста падает вдвое.

            Как правило, величина КSмала из-за высокого сродства бактериальных пермеаз к субстратам. Благодаря этому клетки могут накапливать необходимые вещества из очень разбавленных растворов и продолжать размножаться. Однако исчерпание субстрата С приводит к резкому замедлению скорости экспоненциального роста и переходу кривой роста в стационарную фазу. Первая математическая модель роста микроорганизмов с учетом ограничения скорости роста из-за недостатка субстрата была построена и проверена по экспериментальным данным Моно в середине прошлого века [6].

 

Клеточные  популяции в воде бассейнов резко отличаются от лабораторных культур тем, что в них находятся смешанные популяции микроорганизмов, содержащие клетки на разных фазах развития: только что попавшие в новые условия и претерпевающие адаптационный период (соответствует лаг-фазе на кривой роста), и экспоненциально делящиеся, т.е.  уже адаптировавшиеся в условиях лимита субстратов. Динамику развития таких гетерогенных популяций очень трудно точно промоделировать, но нас интересуют только максимально неблагоприятная для работы стерилизатора ситуация, и поэтому рассмотрим следующие два варианта модели бассейна с рециркуляцией воды через стерилизатор:

  • все клетки в бассейне находятся на стадии экспоненциального роста, но с большим временем генерации порядка десятка часов и более;
  • микрофлора, только что попавшая в воду бассейна, находится  в состоянии лаг-фазы, пребывает в ней определенное время, и только затем начинает делиться.

Второй вариант модели содержит в себе первый- но при длительности лаг фазы равной нулю.

Случай экспоненциального роста клеток в бассейне при  рециркуляции воды через стерилизующие устройства. Рассмотрим бассейн, в котором вода циркулирует через некоторое дезинфицирующее устройство и вновь возвращается в ванну бассейна.

Пусть объем бассейна V [м3]. Вода из него поступает на стерилизующее устройство со скоростью q [м3/час], и с такой же скоростью возвращается обратно. Пусть концентрация клеток микроорганизмов в момент времени t равна n(t). [кл./мл], а исходная концентрация в начальный момент времени - n0. Предположим, что выполняются условия идеального перемешивания, когда концентрация  клеток n устанавливается одновременно во всех точках бассейна. Пусть все микробные клетки находятся в фазе экспоненциального роста, причем скорость роста h  [час-1] равна

h= 0,693/Tген,                                                                                                         (24)

где Тген [час.] – время генерации или удвоения популяции.

Проходя через стерилизатор, концентрация клеток падает в k раз.

В соответствии с требованиями СанПиНа [1] часть воды заменяется свежей. Будем считать, что эта замена осуществляется равномерно в течение суток, в час меняется доля объема α [час-1], и свежая вода не содержит микроорганизмов.

Пусть каждый день в течение времени работы Tраб [час] (0 < Tраб £24) бассейн ежечасно посещает m купающихся, причем с тела каждого из них в воду попадает  в среднем a0 клеток микрофлоры.

Общее число микроорганизмов в объеме V составляет  N = n· V, а число клеток dN, на которое эта величина изменяется за время dt,равна

dN = hN dt – n (1-1/k) q dt – α n V dt + А(t) V dt,                                                  (25)

где А(t) = A0 θ(Tраб - t) – периодическая функция времени с периодом 24 часа;

θ(t) – ступенчатая функция Хэвисайда, равная единице при положительном аргументе, и нулю – при отрицательном;

A0 = a0 m/V - среднее число клеток, попадающих в единицу объема воды бассейна с купающихся в единицу времени, см. рис. 1.


Рис. 1




Новый подход

к проблемам

 водоподготовки:

7 важнейших процессов

в 1 устройстве