چالش تشکیل بیوفیلم در تصفیه فاضلاب

عوامل موثر در تشکیل بیوفیلم در راکتورهای تصفیه آب

امروزه دسترسی به آب بعنوان مایه حیات بشر، بسیار سخت شده است. بحران جهانی کمبود آب ناشی از عوامل مختلفی همچون رشد سریع جمعیت، تغییرات زیست محیطی، آلودگی محیط زیست، افزایش شهر نشینی، رشد صنعت و آلوده شدن منابع آبی موجود است.

چالش تشکیل بیوفیلم در تصفیه فاضلاب

چالش تشکیل بیوفیلم در تصفیه فاضلاب

همین امر موجب شده تا بشر به دنبال راه‌کارهای جدیدی برای تامین آب باشد. یکی از این راه‌کارها که امروزه بسیار مورد توجه قرارگرفته تصفیه فاضلاب است. برای پیدا کردن بهترین روش برای تصفیه فاضلاب‌ها لازم است نوع آلاینده‌ها  را شناسایی کنیم.

در اصطلاح فاضلاب، به آب مصرف شده‌ای گفته می‌شود که می‌تواند از منابع مختلفی  مثل کشاورزی، صنعت و مصرف خانگی بوجود آید. بسته به منبع، نوع آلاینده‌ های موجود در فاضلاب متغیر است که یک دسته مهم از آلاینده‌ها، مواد آلی هستند. آلاینده‌های آلی در فاضلاب‌ها عبارتند از چربی، انواع روغن‌ها، مواد شوینده و انواع آفت کش. علاوه بر این‌ها تعداد زیادی از میکروارگانیسم‌ها مثل باکتری‌ها و ویروس‌ها نیز می‌توانند در فاضلاب‌ها وجود داشته باشند. از دیگر آلاینده‌های موجود می‌توان فلزات سنگین، انواع مواد غیر آلی و معدنی را نام برد.

روش‌های تصفیه فاضلاب مختلفی در دنیا توسعه پیدا کرده است که براساس فرایندهای شیمیایی و فیزیکی آلاینده‌های موجود در آب را حذف می‌کنند. بسته به نوع روش و نوع آلاینده، فرایندها میزان بازدهی و جنبه‌های اقتصادی مختلفی دارند. در بین روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب، روش‌های بیولوژیکی در سال‌های اخیر بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند.

روش‌های بیولوژیکی به دلیل هزینه پایین، نصب و راه‌اندازی آسان و آثار مخرب زیست محیطی کمتر در مقایسه با روش‌های دیگر، بسیار مورد توجه هستند.

در مقاله قبلی بر اساس روش‌های بیولوژیکی در فرایند تصفیه فاضلاب پرداختیم. در این مقاله سعی داریم به عوامل موثر در تشکیل بیو فیلم در فرایند تصفیه فاضلاب بپردازیم.

مراحل تشکیل بیو فیلم در تصفیه فاضلاب

یکی از روش‌های اصلی برای رشد میکروارگانیسم‌ها در سیستم‌های بیولوژیکی، سیستم‌های رشد چسبیده است. در سیستم‌های رشد چسبیده، میکروارگانیسم‌ها بر روی بستری از مواد مختلف به‌صورت متصل رشد می‌کنند و با عبور جریان فاضلاب، آلاینده‌های مختلف همچون مواد آلی جذب و تجزیه می‌شوند.

میکروارگانیسم‌ها بر روی این بسترهای جامد چسبیده و با عبور فاضلاب حاوی مواد آلی، یک ‌لایه زیستی به نام بیوفیلم تشکیل می‌دهند. برای اینکه عوامل موثر در تشکیل بیوفیلم در فرایند تصفیه فاضلاب را بهتر بشناسیم لازم است که مراحل تشکیل بیوفیلم و فرایند تصفیه فاضلاب را بهتر بشناسیم.

مراحل تشکیل بیو فیلم در فرایندهای تصفیه فاضلاب را می‌توان به ۵ مرحله اصلی تقسیم کرد که عبارتند از:

  • مرحله اول: در این مرحله میکروارگانیسم‌های پلانکتونی یک اتصال اولیه‌ با سطح ایجاد می‌کنند که در محیط آبی اتفاق می‌افتد.
  • مرحله دوم: در مرحله بعدی، اتصال اولیه از طریق تجمع بیشتر میکروارگانیسم‌ها در سطح ماده و برقراری پیوند هیدروژنی، تبدیل به یک پیوند قوی‌تر می‌شود.
  • مرحله سوم: با گذشت زمان یک لایه‌ از میکروکلونی‌ها بر روی سطح تشکیل می‌شود.
  • مرحله چهارم: در مرحله چهارم با افزایش اتصال باکتری‌ها به سطح ساختار سه بعدی بیو فیلم شکل پیدا می‌کند.
  • مرحله پنجم: در اثر فرایندهای اکتیو و پسیوی که در ادامه اتفاق می‌افتد، سلو‌ل‌های بیوفیلم منبسط شده و در محیط آبی پخش می‌شوند.

عوامل موثر در تشکیل بیوفیلم در تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیکی

عوامل اصلی موثر در تشکیل بیوفیلم‌ها در فرایند تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیکی را می‌توان به ۴ دسته تقسیم کرد.

۱٫ مقدار pH و دما

هر گونه تغییر در میزان pH فاضلاب ورودی به مخزن تصفیه می‌تواند در رشد باکتری‌ها و به طبع آن تشکیل بیوفیلم موثر باشد. تغییر pH می‌تواند اثر منفی یا کشنده‌ای بر روی میکروارگانیسم‌ها داشته باشد. به همین منظور برای کنترل سرعت تشکیل بیوفیلم و همچنین فرایند تصفیه بیولوژیکی لازم است مقدار pH فاضلاب ورودی به صورت لحظه‌ای اندازه‌گیری شده و در صورت لزوم با افزودنی‌های مختلف تنظیم شود.

یکی دیگر از عوامل موثر در فعالیت میکروبی و همچنین فرایند تشکیل بیوفیلم در فاضلاب‌ها، تغییرات دمایی است. برای کنترل بهتر فرایند تصفیه بیولوژیکی لازم است مقدار دمای بهینه کنترل شود. برای بسیاری از سیستم‌های فاضلابی مقدار بهینه دما برای کنترل سرعت فرایند تشکیل بیوفیلم در حدود ۴۰ درجه سلسیوس است.

۲٫ توپوگرافی سطح

توپوگرافی سطحی عامل اثر گزار در مرحله اتصال باکتری به سطح است. در مراحل اولیه تشکیل کولونی باکتری‌های در سطح، وجود زبری سطح در مقیاس نانو و میکرو می‌تواند باعث بهبود چسبندگی ‌شود. همچنین وجود سطح ویژه بیشتر باعث افزایش سطح در دسترس برای حذف آلاینده‌ها در حین فرایند تصفیه فاضلاب می‌شود.

۳٫ سرعت و تلاطم

سیال در نزدیکی سطح به صورت ثابت بوده و هیچ گونه حرکتی ندارد و دارای سرعت صفر است. مقدار سرعت جریان در این ناحیه برای جدا کردن بیوفیلم تشکیل شده کافی نیست. در خارج از این ناحیه، جریان متلاطم موجود بر روی سرعت چسبیدن سلول‌ها و میکروارگانیسم‌ها به سطح موثر هستند. برای کنترل فرایند تشکیل بیوفیلم و همچنین حذف مواد آلاینده از داخل جریان فاضلاب لازم است که مقدار تلاطم و سرعت جریان فاضلاب داخل مخزن به خوبی کنترل شود.

۴٫ تولید اجزای پلیمری خارج سلولی (EPS)

Extracellular polymeric substances یا به اختصار EPSها، مخلوطی هستند از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا (Mw = 10,000) که توسط میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شوند. این مواد در اثر فرایند هیدرولیز و جذب مواد آلی موجود در فاضلاب‌ها بوجود می‌آیند. EPS ها در جذب آب بسیار قوی هستند چون می‌توانند مقدار زیادی آب را بوسیله پیوندهای هیدروژنی در ساختار خود جای دهند.

۵٫ DNA خارج سلولی (eDNA)

Extracellular DNA یا eDNA یکی از اجزای اصلی بیوفیلم‌ها هستند که به همراه EPS ساخته می‌شوند. این ماده نقش بسزایی در مراحل مختلف تشکیل بیوفیلم در تصفیه فاضلاب‌ها دارد. مراحل مختلفی مثل اتصال اولیه باکتری‌ها و تجمع و تشکیل کولونی. هر چه میزان بیوفیلم تشکیل شده بیشتر باشد، پتانسیل جذب مواد آلاینده نیز بیشتر می‌شود.

شتاب دهنده واتک به عنوان اولین شتاب دهنده حوزه آب می باشد و ماموریت اصلی آن پرورش و تجاری‌ سازی ایده‌های خلاقانه و نوآورانه حوزه آب می باشد.