میکروبیولوژی تصفیه فاضلاب چیست ؟

روش متداول و اقتصادي تصفيه فاضلابهاي شهري و صنعتي و اغلب فاضلابهاي صنعتي استفاده ازفرآيندهاي میکروبيولوژي تصفیه فاضلاب است.

تصفيه بيولوژيک مهم ترين و اصلي ترين مرحله اکثر سيستمهاي تصفيه را تشکيل مي‌دهد، براي شناخت فرآيندهاي بيولوژيک و هم چنين طراحي علمي و اصولي ، اجرا و راهبري اين فرآيندها و يا مدلسازي و استفاده از روابط بيوشيميايي و فيزيکي در طرح و کنترل اين سيستمها ، بايد قبل از هر چيزي به ميکروبيولوژي تصفيه فاضلاب که شامل رفتارها و ويژگيهاي ميکروارگانيسمهاي فعال در تصفيه فاضلاب مي‌باشد، شناخت حاصل شود.

سيستمهاي تصفيه بيولوژيکي سيستمهاي زنده اي هستند که متکي به جمعيتهاي ناهمگون ميکروبها مي‌باشند. مخلوط ميکرو ارگانيسمها مواد آلي را تجزيه کرده و از محلول جدا مي‌نمايند.

بطور کلي هدف عمده فرايندهاي تصفيه بيولوژيکي ، تبديل و يا حذف مواد آلي به ساير محصولات مي‌باشد، به نحوي که محصولات توليد شده يا بي ضرر بوده و يا براحتي قابل جداسازي باشند. آنچه مهم است آن است که در کليه فرآيندهاي بيولوژيکي ، نقش اصلي و حياتي را ميکروارگانيسمها بعهده دارند و در واقع ماشين تصفيه بحساب مي‌آيند. عموما” در سيستمهاي تصفيه انواع متنوع از ميکروارگانيسمها فعاليت دارند، هر چند که از ميان آنها نقش اصلي بر عهده باکتريها مي‌باشد.يکي از محصولات بسيار مهم و اصلي توليد شده در فرايندهاي بيولوژيک رشد ميکروبي يا توليد سلولهاي اضافي مي‌باشد. توجه به اين نکته بسيار اهميت دارد که اگر اين سلولها که در جريان حذف مواد آلي توليد مي‌شوند از محلول جداسازي نگردند عمل تصفيه انجام نشده است، زيرا سلولها که خود در واقع منشاء آلي دارند در جريان خروجي بعنوان BOD يا COD سنجيده مي‌شوند.

بطور کلي باکتريها، قارچها، جلبکها، پروتوزئرها، روتيفرها، سخت پوستان و ويروسها ميکروارگانيسمهاي مهم در مهندسي تصفيه فاضلاب را تشکيل مي‌دهند.

الف – شرايط تغذيه و رشد در جمعيتهاي مخلوط ميکروبي

اساس و پايه تمام فرآيندهائي که در تصفيه بيولوژيکي فاضلاب بکار گرفته مي‌شود، نياز غذائي ميکروارگانيسمها مي‌باشد. براي مثال در سيستم لجن فعال مواد آلي کلوئيدي و محلول توسط ميکروارگانيسمها بدين علت حذف مي‌شود که اين مواد تأمين کننده نيازهاي رشد و حيات سلولها هستند. بطور کلي براي ميکروارگانيسمها مواد غذائي فراهم کننده تسهيلات ذيل مي‌باشند:

• منبع انرژي :

1-1- ترکيبات آلي

2-1- ترکيبات معدني

3-1- نور خورشيد

2 -منبع کربن :

1-2- ترکيبات آلي

2-2- ترکيبات معدني نظير دي اکسيد کربن و بيکربناتها

3- پذيرنده الکترون :

1-3- اکسيژن ترکيبات آلي

2-3- اکسيژن ترکيبات معدني نظير سولفاتها، نيتراتها و دي اکسيد نيتروژن

4- مواد مغذي :

1-4- نيتروژن

2-4- فسفر

3-4- ساير عناصر کمياب (Micro Elements)

با توجه به نياز مواد غذايي و يا نحوه متابوليسم ، ميکروارگانيسم‌ها مطابق جدول 1-1 دسته بندي ميگردند.

جدول 1-1- طبقه بندي ميکروارگانيسمها با توجه به احتياجات غذائي و نحوه متابوليسم

منابع تأمين کننده		دسته بندي
کربن	معدني	اتوتروف
	آلي	هتروتروف
انرژي	شيميايي	شيميوتروف
	نور خورشيد	فتوتروف
دهنده الکترون	معدني	ليتوتروف
	آلي	ارگانوتروف

ب- اثر دما روي رشد ميکروبي

يکي از عوامل فيزيکي مؤثر بر رشد ميکروبي در هر محيطي دما است. ميکروارگانيسمها داراي مکانيسم کنترل کننده دما نبوده بنابراين دماي داخل سلول با بيرون يکسان است ، بعبارت ديگر سرعت تمامي واکنشهاي حياتي داخل سلول تابع دما مي‌باشد. شکل ذيل تأثير درجه حرارت را بر روي سرعت رشد نشان مي‌دهد.

تأثير درجه حرارت بر روي آهنگ رشد ميکروبي

همانگونه که پيداست براي هر گونه از ميکروارگانيسمها محدوده اي از درجه حرارت وجود دارد که در کمتر يا بيشتر از آن رشد کاملا” متوقف مي‌شود، دماي بهينه آن محدوده دمائي است که سرعت رشد حداکثر باشد. بر اساس محدوده دمائي که در آن ميکروارگانيسمها مي‌توانند رشد کنند، آنها را به دسته‌هاي ذيل تقسيم نموده‌اند :

1- ميکروارگانيسمهاي گرمادوست اجباري

2- ميکروارگانيسمهاي گرمادوست اختياري

3- ميکروارگانيسمهاي حد واسط

4- ميکروارگانيسمهاي سرمادوست اختياري

5- ميکروارگانيسمهاي سرمادوست اجباري

نمودار ذيل تقسيم بندي تقسيم بندي ميکروارگانيسمها را از نظر درجه حرارت و دماي مناسب براي رشد آنها نشان مي‌دهد. نقاط‌هاشور زده در اين نمودار معرف محدوده دماي بهينه براي حداکثر رشد را نشان مي‌دهد.

طبقه بندي ميکروارگانيسمها بر حسب دامنه درجه حرارت

البته مي‌توان بطور خلاصه ميکروارگانيسمها را از نظر دماي مناسب به سه گروه سرما دوست ، گرما دوست و حد واسط تقسيم بندي کرد. حدود درجه حرارت مناسب هر گروه در جدول ذيل نشان داده شده است.

جدول 2-1- درجه حرارت مناسب براي انواع ميکروارگانيسمها

گونه‌هاي ميکروارگانيسم	درجه حرارت به 0C
	حدود	حد مطلوب
سرما دوست	30-(2-)	18-12
اعتدالي	40-20	40-25
گرما دوست	75-45	65-55

دليل حساسيت باکتريها به درجه حرارت بسيار پيچيده است. در يک عبارت ساده مي‌توان تصور کرد که باکتريها به صورت بسته‌هاي شامل کاتاليزورها ، واکنش دهنده‌ها و محصولات هستند. هر واکنش داراي يک سرعت خاص است که تابعي از درجه حرارت محسوب مي‌شود. اين تابعيت از درجه حرارت بوسيله معادله آرينوس ( Arrhenius ) توصيف شده است.

d(LnK) / dt = E / RT²

که در آن :

=Kسرعت واکنش

E =انرژي اکتيواسيون ظاهري

=R ثابت گازها

T =درجه حرارت

ج- اثر درجه اسيديته (PH)  روي رشد ميکروبي

فاکتور مهم ديگري که مثل دما روي سرعت رشد ميکروبي تأثير دارد، غلظت يون هيدروژن يا PH است. همانند دما، براي PH نيز محدوده اي معين وجود دارد که در کمتر يا بيشتر از آن امکان رشد وجود ندارد.

در محدوده مناسب PH براي رشد ، PH بهينه وجود دارد که سرعت رشد در آن حداکثر است و اين نقطه معمولا” ميان حداقل و حداکثر محدوده رشد است.

تأثير درجه اسيديته بر روي آهنگ رشد ميکروبي

البته براي بيشتر ميکروارگانيسمها در محدوده PH 9-4 امکان رشد فراهم است و PH بهينه براي بيشتر آنها 5/7-5/6 است. قابل ذکر است که اثرPH   روي فعاليتهاي ميکروبي اصولا” بعلت تأثير روي آنزيمهاي آنهاست. بطور کلي نظرات زير در مورد اثرPH  روي فعاليت انواع ميکروارگانيسم‌هاي ارائه شده است :

1- بيشتر قارچها داراي PH بهينه نزديک خنثي هستند.

2- بشتر قارچها يک محيط اسيدي را ترجيح مي‌دهند که PH  بهينه آن نزديک 5 است که حداقل PH محدوده رشد آنها مابين 3-1 است.

3- براي بيشتر جلبکهاي سبز – آبي، PH  بهينه بيش از 7 است.

4- بيشتر پروتوزوئرها قادرند در PH  بين 8-5 ( با  بهينهPH  نزديک 7 ) رشد کنند.

د- نياز رشد ميکروبي به اکسيژن

ميکروارگانيسمها را از نظر نياز به اکسيژن ، به چند دسته تقسيم ميکنند :

1- ميکروارگانيسمهاي مطلق هوازي ، که نياز به اکسيژن محلول مولکولي دارند.

2- ميکروارگانيسمهاي مطلق بي هوازي ، که نمي توانند در حضور اکسيژن محلول مولکولي فعاليت کنند.

3- ميکروارگانيسمهاي اختياري ، که هم در حضور و هم در غياب اکسيژن محلول مولکولي قادر به فعاليت هستند.

4- ميکروارگانيسمهاي ميکروآئروفيل ، که نياز به غلظت کمي از اکسيژن محلول مولکولي دارند.

اکسيژن براي ميکروارگانيسمهاي هوازي براي دو کار لازم است :

1- در واکنش توليد انرژي اکسيژن بعنوان پذيرنده نهائي الکترون لازم است . ( استفاده اصلي )

2- برخي از واکنشهاي آنزيمي احتياج به مقادير کم اکسيژن دارند. مثلا” اکسيداسيون هيدروکربنها نياز به افزايش اکسيژن جهت شکست مولکولها دارد.

ح- منحني رشد ميکروبي

هرگاه تعداد کمي ميکروارگانيسم در يک محيط کشت مناسب قرار داده شود، تعداد ميکروارگانيسمهاي زنده در محيط 6 فاز رشد مختلف را مطابق شکل ذيل در بر خواهند داشت :

خصوصيات منحني‌هاي رشد کشت ميکروبي

1- فاز تأخيري (Lag Phase) : ميکروارگانيسمها در اين فاز به مدت زماني احتياج دارند تا خود را با شرايط محيطي و نوع مواد غذائي موجود تطبيق دهند. در اين فاز تعداد ميکروارگانيسمها افزايش پيدا نمي کنند.

2- فاز رشد لگاريتمي (Exponential Growth Phase) : دراين فاز ميکروارگانيسمها بسرعت افزايش پيدا مي‌نمايند و رشد آنها تنها مربوط به قابليت آنها در مصرف مواد غذائي است.

3- فاز رشد کاهنده (Declining Growth Phase) : بدليل کاهش مواد غذائي در محيط ، از سرعت رشد کاسته مي‌شود.

4- فاز ساکن (Stationary Phase) : تعداد ميکروارگانيسمهائي که در اين فاز بوجود مي‌آيند تقريبا” برابر با تعدادي است که از بين مي‌روند.

5- فاز مرگ و مير (Death Phase) : بدليل کاهش مواد غذائي و افزايش سموم ، ميزان مرگ و مير بيشتر از تکثير ميگردد.

6- فاز خودخوري (Endogenous Phase)  : در متابوليسم خودخوري ، سرعت مرگ و مير زياد و متلاشي شدن سلولها از جمله مشخصات اين فاز مي‌باشد.

قابل توجه است که از نظر مهندسي محيط زيست عموما” فاز رشد ميکروارگانيسمها مطابق شکل ذيل از سه ناحيه اصلي تشکيل شده است :

1- فاز رشد لگاريتمي

2- فاز کاهش رشد

3- فاز خودخوري

منحني رشد ايده آل براي يک محيط کشت ناپيوسته ميکروبي

در دو فاز اول و دوم مواد آلي حذف مي‌شوند و بعبارتي ديگر عمل تصفيه در اين دو فاز انجام مي‌شود.

بنا بر دلايل ذيل سلولها نمي توانند در يک محيط غذائي بطور نامحدود رشد کنند :

1- محدوديت مواد غذائي

2- محدوديت اکسيژن محلول

3- ازدحام جمعيت ميکروبي

4- تغييرات در محيط شيميائي بعلت رشد ميکروبي بويژه توليد متابوليتهاي سمي.

خ- باکتريها

باکتريها آغازيان بک سلولي هستند که از غذاي محلول استفاده مي‌نمايند و در هر کجاي طبيعت که رطوبت و منبع غذائي موجود باشد يافت مي‌شوند. روش معمول تکثير آنها، تقسيم دوتائي (Bifission) است. از نظر شکل سه نوعند : کروي، ميله اي و خميده . شکل زير ساختار ساختماني باکتري را نشان ميدهد.

ساختمان باکتري يوکاريوتيک

از نظر متابوليسم باکتريها به دو دسته تقسيم مي‌شوند :

1- باکتريهاي هتروتروف (Heterotrophic Bacteria) : مهم ترين گروه در تصفيه فاضلاب مي‌باشند که به مواد آلي جهت رشد و تغذيه نياز دارند.

2- باکتريهاي اتوتروف (Autotrophic Bacteria) : دسته اي از باکتريها مي‌باشند که به دي اکسيبد کربن (CO²) جهت رشد نيازمند هستند.

هم چنين باکتريها از نظر نياز به اکسيژن به سه دسته تقسيم مي‌شوند :

1- هوازي مطلق

2- بي هوازي مطلق

3- اختياري

آزمايشهاي مختلف نشان داده است که حدود 80% وزن باکتريها آب و بقيه مواد جامد است که 90% مواد جامد آلي و بقيه معدني است. سلولهاي زنده به مقدار زيادي از ترکيبات نظير کربوهيدراتها، چربيها، پروتئين‌ها و اسيدهاي نوکلئيک تشکيل شده‌اند که وزن مولکولي آنها کمتر از 100 تا بيش از يک ميليون مي‌رسد.

ترکيب اصلي سازنده سلولها متشکل از کربن، اکسيژن، نيتروژن، هيدروژن، فسفر، گوگرد، پتاسيم، سديم بطور کلي بيش از 90% وزن خشک باکتري و يا سلول از ‍N₂ ،O₂ ،H₂ ،C  تشکيل شده است که بصورت C₅H₇NO₂ قابل فرموله است. مقدار اکسيژن مورد نياز شيميائي تئوريکي سلول با اين فرمول تجربي را مي‌توان چنين حساب کرد.

C₅H₇NO₂+5O₂ è5CO₂+2H₂O+NH₃

محاسبات نشان داده است که 1 mg سلول معادل 1.42 mg COD مي‌باشد.در تجربه مشخص شده است که هر گرم تقريبا” معادل 1.3-1.5 mg COD مي‌باشد. باکتريها بايد تمام مواد لازم براي ساخت پروتوپلاسم و بطور کلي ترکيبات سلولي را از محيط دريافت کنند. اگر محيط نسبت به هر يک از عناصر داراي کمبود باشد ، رشد باکتريها کند يا متوقف خواهد شد، زيرا اجزاء لازم براي رشد را در اختيار نخواهد داشت.

و- سينتيک رشد بيولوژيکي

براي طراحي واحدهاي تصفيه فاضلاب وجود شرايط زيست محيطي کنترل شده امري ضروري است. شرايط زيست محيطي که قابل کنترل مي‌باشند عبارتند از :

درجه حرارت ، PH ، مواد مغذي (Nutrients) و عناصر با مقدار ناچيز (Trace Elements) ، اکسيژن دهي و اختلاط مناسب. کنترل شرايط زيست محيطي اين اطمينان را بوجود مي‌آورد که ، ميکروارگانيسمها يک محيط مناسب براي رشد در اختيار دارند.جهت اطمينان يافتن از رشد ميکروارگانيسمها، بايستي به آنها اجازه داده شود که براي مدت کافي در درون سيستم براي توليد مجدد باقي بمانند. اين مدت زمان وابسته به آهنگ رشد ميکروارگانيسمها مي‌باشد که مستقيما” در ارتباط با آهنگ سوخت و ساز و يا مصرف مواد غذائي فاضلابها است . فرض بر اينست که در شرايط زيست محيطي کنترل شده مناسب، تثبيت مؤثر فاضلاب توسط کنترل آهنگ رشد ميکروارگانيسمها قابل حصول است.