Stabilność biologiczną można zdefiniować jako brak zdolności wody, albo materiałów będących z nią w kontakcie, do wspierania wzrostu mikroorganizmów przy braku dezynfektanta [20], [10]. W przypadku wody dostarczanej do odbiorcy przez zakłady uzdatniania odpowiednia nadwyżka dezynfektanta chemicznego dodawana jest do wody przed wprowadzeniem jej do systemu dystrybucji i do wtórnego zanieczyszczenia może dojść przy długiej stagnacji wody w rurociągu, np. w czasie przestoju nocnego. W przypadku wody oczyszczanej do celów spożywczych dezynfektant jest celowo z niej usuwany i uzdatnienie wody tak, żeby była stabilna biologicznie, ma zasadnicze znaczenie.

Co to jest biostabilność wody?

Kombinacja różnych metod uzdatniania pozwala zredukować stężenia zanieczyszczeń do wartości dopuszczalnych i doprowadzić do takiej jakości wody, żeby mogła być bezpiecznie spożywana przez ludzi. W przypadku wody wodociągowej, podczas jej trans
portu systemami dystrybucji jest narażona na wtórne zanieczyszczenie. Reakcja z materiałami, z którymi woda ma kontakt – procesy biologiczne oraz reakcje pomiędzy jej składnikami, to główne zagrożenia dla jakości transportowanej wody. Procesy biologiczne w systemach dystrybucji mogą być przyczyną higienicznych (wzrost mikroorganizmów), organoleptycznych (nieprzyjemny smak i zapach) oraz technicznych (korozja) zagrożeń [20], [17]. Procesy te można kontrolować poprzez dawkowanie dezynfektanta chemicznego w takich ilościach, żeby jego pozostałość chroniła przed wtórnym rozwojem mikroorganizmów [20].

W przypadku gdy pozostały dezynfektant celowo jest usuwany w końcowym etapie uzdatniania wody (tak jak ma to miejsce w przy przygotowywaniu wody do celów spożywczych), jej stabilność biologiczna jest podstawowym czynnikiem, który zapewnia utrzymanie czystości mikrobiologicznej. Woda stabilna biologicznie pozbawiona jest mikroorganizmów oraz ich form przetrwalnikowych, a skład chemiczny uniemożliwia ich rozwój. Materia organiczna to jeden z głównych czynników warunkujących biostabilność wody. Woda stabilna biologicznie musi być pozbawiona przyswajalnych przez mikroorganizmy heterotroficzne (potencjalnie niebezpiecznych dla zdrowia konsumentów wody) frakcji materii organicznej. Dlatego też tak ważne jest skuteczne usuwanie tej frakcji na etapie uzdatniania [12].

Uzdatnienie wody tak, żeby ograniczyć zawartość związków organicznych, mogących być pożywką dla mikroorganizmów, jest dużym wyzwaniem. Nie każdy organiczny związek może być jednak asymilowany przez bakterie, ale tylko te o małej masie cząsteczkowej, które dla potrzeb oceny wody pod kątem jej stabilności biologicznej klasyfikuje się jako węgiel organiczny biodegradowalny i asymilowalny (przyswajalny) [20], [10]. Frakcje te stanowią niewielki procent rozpuszczonego węgla organicznego. W tabeli 1 przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów poszczególnych frakcji węgla organicznego w systemach dystrybucji wody.

Bardzo trudno jest określić, przy jakim stężeniu tych frakcji węgla organicznego woda będzie stabilna biologicznie. W tabeli 2 ukazano dostępne w literaturze graniczne wartości zahamowania wzrostu bakterii w systemach dystrybucji wody.

Uzdatnianie wody a stabilność biologiczna

Wśród jednostkowych procesów usuwających materię organiczną o niskiej masie cząsteczkowej należy wymienić koagulację, filtrację powolną, adsorpcję na węglu aktywnym [21], [22]. Niektóre procesy uzdatniania wody mogą jednak powodować degradację związków organicznych o większej masie cząsteczkowej, niedostępnych dla mikroorganizmów, do związków biodegradowalnych. Do tych procesów należą procesy utleniania chemicznego, np. ozonowanie, a także stosowanie promieniowania UV czy dwutlenku chloru, czyli procesy dezynfekcji wody.

Zastosowanie ozonowania w celach dezynfekcji wody przyczynia się do zmian w strukturze substancji organicznych, które naturalnie występują w wodzie. Substancje o dużych masach cząsteczkowych, w tym głównie związki aromatyczne, na skutek ozonowania ulegają utlenieniu. W efekcie dochodzi do powstania produktów o niższych masach cząsteczkowych, np. kwasów organicznych w postaci kwasu mrówkowego czy octowego. Oznacza to, że ozonowanie powoduje powstanie dodatkowych ilości biodegradowalnego węgla organicznego, który jest przyswajany przez bakterie [15], [16]. Zastosowanie promieniowania UV do dezynfekcji wody może również sprzyjać wtórnemu skażeniu mikrobiologicznemu wody. Badania prowadzone na modelowym systemie dystrybucji pokazały, że w przypadku zastosowania promieniowania UV do dezynfekcji wody biofilm był bardziej czuły (w porównaniu do próbki kontrolnej, nienaświetlanej) na dopływ związków organicznych, co wskazuje na tworzenie się wtórnych komórek mikroorganizmów [11]. W innych badaniach prowadzonych na próbkach dezynfekowanych sekwencją UV-dezynfektant chlorowy wykazano, że przy niewielkich ilościach chloru bakterie Escherichia coli przeżywały, co w przypadku zastosowania samego chlorowania nie miało miejsca [7]. Dwutlenek chloru, podobnie jak ozon, powoduje degradację materii organicznej do form o mniejszych masach cząsteczkowych, takich jak aldehydy i krótkołańcuchowe kwasy karboksylowe (mrówkowy, octowy, szczawiowy) i co za tym idzie następuje wzrost ilości biodegradowalnej i przyswajalnej materii organicznej. Reakcje związków organicznych z dwutlenkiem chloru przebiegają jednak znacznie wolniej niż z ozonem [13], [8], [2], [14], [19].

Biofilm jako konsekwencja braku biostabilności wody

Biofilm to pewnego rodzaju zlepek, mieszanka mikroorganizmów (bakterii, glonów oraz grzybów), a także ich metabolitów i pozakomórkowych polimerów, które rozwijają się na wewnętrznej powierzchni komponentów systemu dystrybucji wody. Liczebność oraz rodzaj tych drobnoustrojów są zmienne w czasie oraz przestrzeni. Zależą między innymi od rodzaju podłoża, średnicy przewodu wodociągowego, temperatury i prędkości przepływu wody oraz ilości substancji pokarmowych, zawartości rozpuszczonego tlenu i stężenia dezynfektanta. Najbardziej korzystne warunki rozwoju biofilmu to stagnacja wody oraz wzrost temperatury wody powyżej 15°C. W biofilmie można stwierdzić obecność bakterii żelazowych, siarkowych, nitryfikacyjnych, denitryfikacyjnych, ale przede wszystkim jednak liczne rodzaje bakterii heterotroficznych, w tym szkodliwe oportunistyczne patogeny z rodzajów Legionella, Pseudomonas, Salmonella, bakterie Escherichia coli i wiele innych. Doniesienia literaturowe wskazują, że to właśnie rozwój biofilmu jest przyczyną uciążliwego i nieprzyjemnego zapachu i smaku wody, wzrostu intensywności barwy czy mętności, a także zanieczyszczenia wody substancjami organicznymi [18]. Biofilm powstaje nie tylko w systemach dystrybucji, ale także w instalacjach uzdatniania i zbiornikach, w których wodę się magazynuje. Dlatego konieczne jest okresowe mycie i dezynfekowanie zbiorników czystej wody oraz dbałość o instalacje. Zalecane są także pomiary ciśnienia, natężenia przepływu czy monitoring awaryjności, pozwalający na ewentualne działania zapobiegające. Niezwykle ważne jest właściwe postępowanie przy usuwaniu awarii bądź wymiana urządzeń, bowiem te działania właśnie są często przyczyną skażenia wody [3], [4].

Artykuł został opublikowany również w numerze 3/2017 kwartalnika Kierunek Spożywczy