Защитные сооружения

В равновесном состоянии заряд микроорганизмов компенсируется равным по величине и противоположным по знаку зарядом слоя противоионов, диффузно расположенных в жидкости у поверхности частицы. Вместе с поверхностным зарядом противоионы образуют двойной электрический слой (ДЭС), который определяет электрофизические свойства клеток. Они являются важной характеристикой биофазы, дающей ценную информацию о самых разных процессах, в которых участвуют микроорганизмы.

Основными электрофизическими характеристиками клеток являются поверхностный заряд и диэлектрическая проницаемость системы. Эти характеристики изменяются в широком интервале значений и тесно связаны с процессами жизнедеятельности клеток; так, величина их зависит от вида, физиологического состояния микробных тел, возраста, свойств среды и т. д.

Для изучения поверхностных свойств микроорганизмов в настоящее время широко используется метод микроэлектрофореза, позволяющий измерять электрофизическую подвижность микробных тел в электрическом поле. По замеренной электрофоретической подвижности клеток вычисляется электрокинетический потенциал.

Микроорганизмы, присутствующие в воде, имеют размеры порядка микрометра. По форме они, за немногим исключением, представляют собой либо сферу (кокки), либо цилиндр (палочки). Бактериальная клетка окружена мембраной толщиной 8-Ю”6 м, которая состоит в основном из липидов и белков. Для изучения поверхностных свойств микроорганизмов получены и исследованы искусственные липидные мембраны, имеющие свойства, очень близкие к свойствам биологических мембран. Проведенные исследования позволили предложить мозаичную гидрофильно-гидрофобную структуру поверхности бактериальной клетки.

Установлено, что микроорганизмы обладают большим дипольным моментом. Так, Н. А. Толстой с соавторами определили, что дипольный момент бактерий в 2,5—3 млн. раз больше дипольного момента воды. Кроме того, доказана электрическая неоднородность поверхности микробных тел, определяемая наличием ионогенных групп в диссоциированном состоянии (отрицательно заряженные группы — карбоксильные, фосфатные, положительно заряженные — аммонийные). Степень диссоциации этих групп зависит от рН среды, от концентрации других ионов. При рН, характерных

для природных вод, микробные тела заряжены отрицательно, их изоэлектрическая точка находится в области рН.

 Число бактерий группы кишечной палочки определяется величиной колииндекса или колититра. Кишечные палочки появляются во внешней среде с выделениями теплокровных животных и человека и тем самым указывают на фекальное загрязнение. Рядом экспериментальных исследований по устойчивости кишечной палочки и возбудителей инфекционных заболеваний к дезинфицирующим агентам доказано, что при числе кишечных палочек 3 в 1 л в воде отсутствуют жизнеспособные вирулентные патогенные микроорганизмы. Оценка эффективности обеззараживания воды производится по числу кишечных палочек, поэтому целесообразно учитывать все группы кишечных палочек.

Таким образом, присутствие в водопроводной воде болезнетворных бактерий является недопустимым, поэтому обеспечение эпидемиологической безопасности питьевой воды является одной из основных задач гигиены водоснабжения, которая решается на практике путем осуществления обеззараживания воды.

Вода как бактериальная суспензия. Большое значение в технологии обеззараживания воды играют межфазные явления, которые в значительной степени определяются свойствами поверхности исследуемых объектов.

В процессе электрообработки воды, содержащей микроорганизмы, можно выделить две стадии: концентрирование клеток за счет электрофореза и диполофореза в зоне максимальной напряженности поля, которое усиливается при их электрокоагуляции под действием поляризационных сил притяжения, и инактивацию биофазы.

Основными параметрами, определяющими эффективность первой и второй стадии, являются: напряженность поля в импульсе и частота следования импульсов.

Область частот, где наблюдается максимальное поляризационное взаимодействие и отсутствие эффекта электростабилизации, определяется неравенством

По этой причине все расчеты, приведенные ниже, производились для оптимального диапазона частот внешнего электрического поля. Для получения рекомендаций по выбору напряженности электрического поля необходимо провести следующие расчеты.

1,  Определение критической напряженности поля для коагулирования микробных тел в ближней и дальней потенциальной яме. Это обосновывает величину напряженности поля в камере электрообработки.

2.  Оценка электрофоретической и диполофоретической скоростей микробных тел в системе электродов игла—игла и игла—плоскость, которые используются в конструкциях камер обработки воды сильными электрическими воздействиями.

Аппаратура для обработки воды электрическим разрядом малой мощности позволяет эффективно производить инактивацию как вегетативных, так и споровых форм микроорганизмов. Оборудование для обработки воды электрическими воздействиями в сочетании с фильтрованием позволяет решать задачи не только обеззараживания, но и осветления, обесцвечивания и дезодорации, причем послед-

нее одновременно осуществляется в камере обработки, в результате чего упрощается технологическая схема водоочистки. Как уже ранее было указано, процесс воздействия на биосуспензию сильного электрического поля приводит к появлению комплекса электрофизических, электрохимических и биологических эффектов. Аналитическое описание влияния каждого обеззараживающего фактора в зависимости от параметров электрического поля, конструктивных характеристик установки и показателей качества исходной воды пока еще не выполнено и является  предметом проводимых

исследований. Однако имеющихся в настоящее время данных достаточно, чтобы дать рекомендации по выбору некоторых конструктивных характеристик и параметров процесса обработки.

Область применения и расчет установок электрических воздействий. Устройства, реализующие воздействие электрического разряда малой мощности, предназначены для обеззараживания природных вод и водных дисперсных систем, а также могут быть использованы для удаления растворенных и коллоидных примесей воды. Аппараты могут быть применены как отдельно, так и в составе комплекса водоочистного оборудования, которое может быть использовано для водоснабжения небольших групп людей, находящихся в отдаленных районах и на транспортных средствах; для получения

особо чистой воды для медико-биологических целей, а также на многих других коммунальных и промышленных объектах с небольшим водопотреблением, где требуется решение задач обеззараживания гидродисперсных систем. Оборудование для обработки воды в режимах с предпробойной напряженностью электрического поля может быть использовано для обеззараживания питьевой воды, а также водных растворов некоторых органических и неорганических веществ.

Оборудование, основанное на комбинированных методах, предназначено не только для обеззараживания воды, но и для ее консервации.

Место ввода получаемого электролизом гипохлорита натрия определяется в зависимости от конкретного качества исходной воды. Возможно одновременное дозирование: как первичное, так и вторичное хлорирование. Монтаж электролизного оборудования может проводиться не только в отдельно стоящих зданиях, но и в производственно-вспомогательных помещениях.

Сметная стоимость электролизного оборудования несколько выше, чем традиционного оборудования для хлорирования воды. Однако перерасход капитальных вложений быстро окупается за счет отсутствия расходов на транспортирование, хранение хлорреагентов, уменьшения   численности   обслуживающего   персонала.

Величина затрат на получение гипохлорита натрия методом электролиза раствора поваренной соли зависит от ряда параметров, в том числе от стоимости электроэнергии и соли, расходуемых на получение единицы продукта. Как видно, кривая затрат на получение гипохлорита натрия минимальна.  В зависимости от географического положения объекта стоимость электроэнергии и соли может колебаться в широких пределах, поэтому для каждого конкретного места использования существует единственный оптимальный режим работы электролизера.

Общий электрический заряд клетки можно найти умножением плотности поверхностного заряда на площадь поверхности клетки.

Поверхностный заряд микробных тел наряду с гидратационными оболочками обусловливает их агрегатную устойчивость. Нарушение стабильности взвеси клеток в среде ведет к их коагуляции (агглютинации). Обнаружены следующие виды клеточных контактов: плотные, близкие (4-ь7)10~9 м, на расстоянии (1~-2)10-8 м и более 2-Ю”8 м.

При анализе электрофизических свойств микробных тел необходимо учитывать сложность структуры клеток, которые окружены мембранами, имеющими низкую электрическую проводимость по сравнению с цитоплазмой и двойным слоем, окружающим бактерии (поверхностная емкость мембраны 0,1—3 мкФ/сма, поверхностное сопротивление до 100 кОм/см2).

Перечисленные свойства микроорганизмов позволяют рассматривать их как биоколлоиды, хотя не следует упускать из виду, что стабильность бактериальных дисперсий может зависеть и от физио- лого-морфологических особенностей клетки.

Микробное тело представляет собой, сложный организм, составные части которого выполняют различные жизненные функции. Бактериальная клетка на 70 % состоит из воды, ее сухая масса около 6,7-13 г, причем 70 % этой массы приходится на белки, 15 % — на нуклеиновые кислоты, 10 % — на жировые вещества (липиды и фосфолипиды) и 5 % — на полисахариды.

Из выражения определяем критическую напряженность поля-для коагуляции микробных тел во вторичном минимуме. Результаты расчетов представлены в табл. 6.6. Как видно из таблицы, для необратимой коагуляции микроорганизмов необходима максимальная напряженность поля в первой потенциальной яме 15 В/см, а во второй потенциальной яме Е = 1000 ВЛш.

Оценка электрофоретической и диполофоретической скоростей микробного тела выполняется по формуле Смолуховского и по выражениям для диполофореза палочкообразных и сферических частиц [81 ] в системе электродов игла—игла и игла—плоскость. Аппроксимируя электроды двумя конусообразными воронками, обращенными

Зависимость скорости электрофореза кишечной палочки и стафилококка в водопроводной воде в системе электродов игла—плоскость при 8 = 45°, напряжении между ними 1000 В и конусе острия 30°. Скорость электрофореза микробного тела при указанных параметрах на расстоянии от электрода 0,5 и 5 мм составляет соответственно 10 и 1 см/с. Как показали расчеты, основная роль в процессе концентрирования частиц биофазы принадлежит электрофорезу, который в случае образования агрегатов может существенно усиливаться диполофорезом.

 По величине критерия (6.4) можно установить, что при наложении электрического поля кишечные палочки ориентируются слабо, поэтому необходимо произвести оценку энергии связи микробных тел при следующих схемах взаимодействия: торец—торец (а); боковыми поверхностями (б); торец—боковая поверхность (в). Расчеты проведем в рамках современной физической  теории  устойчивости  дисперсных  систем.   Вычисление энергии ионно-электростатического отталкивания «; выполняем   по выражению  (3.2).  Последнее скорректируем для схем взаимодействия кишечных   палочек   бив    путем  использования  уравнения Б. В. Дерягина

и молекулярного притяжения микробных тел стафилококка и кишечных палочек (схема а) рассчитываем по формуле (3.3). Для схемы б энергию молекулярного притяжения определяем как энергию взаимодействия, двух плоскостей размером 2а-1(1 — длина кишечной   палочки).   Формулу   энергии   молекулярного   притяжения

Суммарные энергии взаимодействия кишечных палочек и стафилококка в исследуемых водных средах свидетельствуют об агрегативной устойчивости систем, причем значение потенциального барьера отталкивания зависит от модели контакта микробных тел.