Ispitivanje Biološke Stabilnosti Vode za Piće Primenom Rotirajućih Prstenastih Reaktora

Abstract

U radu su predstavljeni rezultati ispitivanja biološke stabilnosti vode za piće primenom rotirajućih prstenastih reaktora (eng. rotating annular reactor, RAR). Pomoću RAR praćen je uticaj odabranih faktora na suspendovani i pričvršćeni mikrobni rast pri kontrolisanim laboratorijskim uslovima koji su simulirali distributivne sisteme. Pored toga, u cilju potpunog razumevanja biološke stabilnosti vode za piće izvršeno je ispitivanje metoda za određivanje biodegradabilne frakcije organske materije, BDOC i AOC test.

Poređenjem BDOC testova sa nativnom populacijom bakterija pričvršćenom za pesak iantracit utvrđena je efikasnija primena biološkog aktivnog peska. Primenom peska za inokulaciju uzorka, vrednost BDOC u podzemnoj vodi sa teritorije srednjeg Banata iznosila je 1,27 mgC/l. U ispitivanju AOC testa sa suspendovanim standardnim kulturama Pseudomonas fluorescens P17 (ATCC 49642) i Spirillum sp. NOX (ATCC 49643), AOC iskorišćen od strane NOX je imao veću vrednost u odnosu na P17, što pokazuje da su karboksilne kiseline dominantan supstrat za rast. Vrednost AOC u tretiranoj podzemnoj vodi iznosila 32 μg acetat-C/l. Veće vrednosti BDOC ukazuju na prisustvo jedinjenja veće molekulske mase u ovoj frakciji u odnosu na AOC frakciju biodegradabilne organske materije.

U ispitivanju biostabilnosti podzemne vode sa teritorije srednjeg Banatatokom tretmana, najveća količina biofilma je razvijena u RAR sa ozoniranom vodom (13,30 CFU/cm²), što potvrđuje efekte ozonizacije na biodegradabilnost organske materije i ponovni rast mikroorganizama. Tokom tretmana zabeleženo je variranje razvoja biofilma, pri čemu je najmanji stepen rasta biofilma uočen u RAR sa vodom nakon GAC filtracije (1,10 CFU/cm²).

Tokom mikrobne kolonizacije test-pločica RAR pri laminarnom i turbulentnom protoku uočen je sličan trend rasta bakterija u biofilmu u sintetičkoj smeši organskih i neorganskih nutrijenata. Međutim, tokom dominacije suspendovanog rasta u sistemu voda-biofilm pri neprotocnim uslovima, ponašanje biofilmova razvijenih pri protočnim (laminarnim i turbulentnim) uslovima je bilo različto. Uočen je manji udeo bakterija prisutnih u vodenoj fazi kod biofilma nastalim pri turbulentnom protoku u odnosu na veće oslobađanje ćelija iz biofilma nastalim pri laminarnim uslovima, nakon 48h 78% i 89% suspendovanih bakterija, redom. Ovi rezultati pokazuju da su biofilmovi razvijeni pri turbulentnom protoku snažniji, stabilniji i jače pričvršćeni nego pri laminarnom protoku.

Tokom praćenja sekundarne kolonizacije odvojenih ćelija biofilma uočeno je da se primarni biofilm ponaša kao stalni rezervoar ćelija koje su sposobne da zauzmu nove površine vrlo brzo pri različitim hidrodinamičkim uslovima. Brojnost bakterija u biofilmu razvijenom na sekundarnim test-pločicama nakon 24 h iznosila je 32000±1200CFU/cm² u odnosu na 16±1 CFU/cm²primarne test-pločice. Ustanovljen je izraženiji potencijal kolonizacije novih površina odvojenim želijama iz primarnog biofilma koji je formiran pri turbulentnim uslovima u odnosu na laminarne uslove.

Proces stvaranja biofilma na test-pločicama od nerđajućeg čelika (SS), polivinilhlorida(PVC) i polietilena(PE) je bio vrlo sličan. Samo debljina biofilma je bila veća na PE (4,0-5,5 kg/m³) nego na SS i PVC test-pločicama (2,7-3,6 kg/m³i 2,8-3,9 kg/m³, redom). Ustanovljen je uticaj materijala cevi na rast biofilma u RAR snabdevanim vodom iz distributivnog sistema grada Novog Sada, naročito za vreme početne faze procesa. Biofilmovi formirani na različitim materijalima u RAR su uticali na mikrobiološki kvalitet vode, zavisno od njihove bakterijske gustine.

SEM analiza potvrdila je prisustvo biofilma na test-pločicama u eksperimentima, ukazujući na uspe!nu primenu RAR u ispitivanju biofilma i biostabilnosti vode za piće.

Rezultati dobijeni tokom ispitivanja ukazuju da se primenom odabranih i optimizovanih, zavisno od cilja ispitivanja i vrste uzorka, BDOC i AOC testova može efikasno definisati biolo!ka stabilnost vode za piće. Pored toga, sistematski pristup odabiru odgovarajućih materijala cevi, koji je zasnovan na pouzdanim testovima i definisanim kriterijumima, može se primeniti u cilju osiguravanja kvaliteta vode sa mikrobiološkog aspekta.

Ispitivanja su pokazala uspešnu primenuRAR u simulaciji mikrobnog rasta u cevima pri kontrolisanim laboratorijskim uslovima i značaj istovremenog ispitivanja imobilisanog i suspendovanog rasta u definisanom hidrodinamičkom sistemu. Primena RAR kao model biofilma je ukazala na njegov značaj u ispitivanju potencijala ponovnog naseljavanja površina otkinutih delova i/ili pojedinačnih ćelija biofilma za uspostavljanje efikasne kontrole mikrobnih problema u distributivnim sitemima vode za piće.

Alternate abstract:

This thesis presents the results of the investigation of drinking water biostability using rotating annular reactors (RAR). The effects of selected factors on the suspended and attached microbial growth under controlled laboratory conditions that simulated the distribution systems were monitored using RAR. In addition, in order to complete understanding of the drinking water biological stability, methods for determining biodegradable organic matter fractions, BDOC and AOC methods were tested.

For the BDOC test the native population of bacteria attached to sand and anthracite were used, and the AOC test standard suspended culture of Pseudomonas fluorescens P17 (ATCC 49642) and Spirillumsp. NOX (ATCC 49 643). Groundwater from the territory of the Central Banat (Republic of Serbia) has been used for optimization of BDOC and AOC methods, as well as for the investigation of the drinking water biostability during treatment using RAR with polycarbonate testcoupons.

For the investigation of the hydrodynamics impact on drinking water biostability, as well as the monitoring of secondary colonization of detached biofilm cell, influent for RAR was a synthetic mixture of organic and inorganic nutrients. In order to assess of the characteristics of water and materials in contact with water that support the microbial growth, RAR with test-coupons from the dominant pipe materials in households (stainless steel (SS), polyvinyl chloride (PVC) and polyethylene (PE)) were supplied by the water from the distribution system of the city of Novi Sad (Vojvodina, Republic of Serbia).

According to the conducted investigations the following results can be noted:

• Using the sand for the sample inoculation, the BDOC value in groundwater was 1.27 mgC/L, while the BDOC value has not been obtained using the anthracite. The required period for monitoring the dissolved organic carbon content was found of 3-5 days. The results indicate more stable BDOC test with the sand inoculation compared to the BDOC test with the anthracite. In addition, the results of BDOC test with sand are comparable with other studies, but no tests with anthracite. There was a better application of biologically active sand with increasing incubation period compared to the expected course of organic matter degradation for the determination of BDOC in raw and treated water.

• The results of the AOC method testing indicated AOC stability test with Pseudomonas fluorescens P17 (ATCC 49642) and Sprillumsp. NOX (ATCC 49643). The required time for AOC monitoring of 3-5 days has been conducted. AOC utilized by NOX had a higher value compared to the P17, which shows that the carboxylic acid are dominant substrate for growth. The AOC value in the treated ground water was 32 !g acetate-C/L. The higher BDOC values indicate the presence of higher molecular weight compounds in this fraction compared to the AOC biodegradable fraction of organic matter.

• In the investigation of drinking water biostability during treatment, the largest amount of biofilm was developed in the RAR with ozonated water (13.30 CFU/cm² ), confirming the effects of ozonation on organic matter biodegradability and microbial regrowth. During treatment the variation of biofilm development was detected, and in the RAR with water after GAC filtration the lowest level of biofilm growth (1.10 CFU/cm²) was observed. Based on the maximum value of used DOC within the biofilm-reactor "DOC 540 mg/L, it can be concluded that ozonation enhances organic matter biodegradability in raw water. The reduction of AOC content (55-82%) occurred as a result of filtration processes, indicating the importance of biofiltration to reduce AOC fraction of organic matter.