میکروبیولوزی در تصفیه پساب
در فرآیند لجن فعال (Activated Sludge Process)، آلاینده‌های آلی توسط میکروارگانیسم‌ها در شرایط هوازی اکسید می‌شوند. این فرآیند به نام فرآیند لجن فعال شناخته می‌شود زیرا لجن تولید شده یک زیست‌توده فعال است. از زمان اختراع این فرآیند در اوایل قرن بیستم، تغییرات زیادی برای بهبود کارایی آن در تصفیه و کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی یا برای پاسخ به نیازهای غیرمعمول معرفی شده است. فرآیند اصلی که به روش متعارف شناخته می‌شود، شامل کشت معلق میکروارگانیسم‌ها در حوضچه هوادهی است. در کنار آن، تغییرات مدرنی مانند استفاده از غشاها یا سیستم‌های بیوفیلم ثابت معرفی شده‌اند که از جمله آنها می‌توان به فرآیند بیوراکتور غشایی (MBR) اشاره کرد.
فرآیند لجن فعال معمولاً به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:
- فرآیند لجن فعال متعارف (CAS): این فرآیند به شکل اولیه و سنتی فرآیند لجن فعال اشاره دارد که در آن میکروارگانیسم‌ها در یک حوضچه هوادهی (Aeration Tank) به مواد آلی موجود در فاضلاب حمله کرده و آنها را تجزیه می‌کنند.
- انواع تغییر یافته: برای بهبود کارایی تصفیه و کاهش هزینه‌ها، انواع مختلفی از فرآیندهای لجن فعال مانند استفاده از بیوفیلم‌های ثابت یا شناور، استفاده از غشاها یا سیستم‌های غیرمعمول برای تشکیل راکتورهای بیولوژیکی (بیوراکتورها) توسعه داده شده است.
این فرآیند همچنان یکی از متداول‌ترین روش‌های تصفیه فاضلاب در صنعت است و با به‌کارگیری تکنولوژی‌های جدید، توانسته است بهبود چشمگیری در کاهش مصرف انرژی، هزینه‌های عملیاتی و ظرفیت تصفیه داشته باشد.
در فرآیند لجن فعال میکروارگانیسم‌ها مسئول تجزیه مواد آلی موجود در فاضلاب هستند و این تجزیه در شرایط هوادهی یا هوازی (Presence of Oxygen) صورت می‌گیرد. لجن فعال به مجموعه‌ای از این میکروارگانیسم‌ها اشاره دارد که در طی فرآیند تصفیه به وجود می‌آیند و قادر به تجزیه آلاینده‌ها هستند.
ویروس ها
ویروس‌ها ساده‌ترین و کوچک‌ترین موجودات زنده‌ای هستند که قادر به تولید مثل خود هستند. اساسا، آنها DNA یا RNA هستند که معمولا توسط پروتئین‌ها به‌طور تنها پوشش داده شده‌اند، اما گاهی اوقات این ویروس‌ها توسط پوشش‌های چربی اضافی احاطه می‌شوند که پروتئین‌ها را در بر می‌گیرند. ویروس‌ها نمی‌توانند به طور مستقل تولید مثل کنند و نیاز به یک سلول میزبان دارند زیرا سیستم‌های متابولیکی پیچیده‌ای برای تولید مثل خود ندارند، بنابراین به‌عنوان موجودات انگلی شناخته می‌شوند ویروس‌ها بر اساس نوع اسید نوکلئیک خود به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ویروس‌های DNA و ویروس‌های RNA. تاکنون حدود ۳۱ خانواده ویروس DNA و ۴۷ خانواده ویروس RNA شناسایی شده‌اند. این دسته‌بندی بر اساس نوع و ساختار اسید نوکلئیک (تک‌رشته‌ای یا دورشته‌ای) و همچنین وجود یا عدم وجود پوشش لیپیدی صورت می‌گیرد. دسته‌بندی دیگری نیز بر اساس نوع میزبان وجود دارد که شامل ویروس‌های جانوری، ویروس‌های گیاهی و باکتریوفاژها (ویروس‌های آلوده‌کننده باکتری‌ها) می‌شود.
ویروس‌ها نقشی در تجزیه زیستی مواد آلی ندارند. با این حال، برخی از ویروس‌های بیماری‌زا (پاتوژن) مانند ویروس‌های آنفولانزا، نوروویروس‌ها و روتاویروس‌ها به دلیل احتمال بقا در فرایندهای تصفیه فاضلاب مورد توجه قرار می‌گیرند. در سیستم‌های MBR (بیوراکتور غشایی)، بازده حذف ویروس‌ها، علی‌رغم اندازه بسیار کوچکشان (۰.۰۲ تا ۰.۳ میکرومتر)، بسیار بالا (>99%) است. این امر به دلیل آن است که بسیاری از ویروس‌ها در داخل باکتری‌های بسیار بزرگتر قرار دارند که به راحتی توسط لایه تشکیل شده روی غشا (لایه ژل) حذف می‌شوند، حتی اگر این باکتری‌ها به صورت منفرد وجود داشته باشند.
پروکاریوت‌ها
پروکاریوت‌ها، موجودات تک‌سلولی بسیار کوچک و ساده‌ای هستند. اغلب آنها دارای دیواره سلولی متشکل از پپتیدوگلیکان می‌باشند که نقشی حیاتی در محافظت از سلول، به‌ویژه در برابر آسیب‌های ناشی از اختلاف غلظت نمک بین محیط داخل و خارج سلول، ایفا می‌کند. پروکاریوت‌ها فاقد هسته بوده و ماده ژنتیکی آنها (کروموزوم‌های حلقوی) به‌صورت آزاد در سیتوپلاسم قرار دارد. اندازه آنها معمولاً بین ۰/۱۵ تا ۲ میکرومتر است و از طریق تقسیم دوتایی تکثیر می‌شوند. این گروه به دو دسته اصلی باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها تقسیم می‌شود.
پروکاریوت‌ها بخش عمده‌ای از توده زیستی لجن فعال را تشکیل می‌دهند و نقش اساسی در فرآیندهای حذف اکسیژن خواهی بیوشیمیایی (BOD)، نیتریفیکاسیون و حذف بیولوژیکی فسفر ایفا می‌کنند. میکروارگانیسم‌های مسئول حذف BOD، مانند کوکسی‌ها و باسیل‌ها، نرخ رشد بالایی دارند و به همین دلیل، حذف BOD در فرآیند لجن فعال معمولاً با مشکل مواجه نمی‌شود. در مقابل، باکتری‌های نیتریفیکاسیون‌کننده، حتی در شرایط آزمایشگاهی نیز برای تکثیر به ۱ تا ۲ روز زمان نیاز دارند. بنابراین، حفظ جمعیت کافی از این باکتری‌ها در مخلوط مایع (محتویات تانک هوادهی) برای حذف مؤثر نیتروژن ضروری است.
برخی از باکتری‌ها، به‌ویژه متعلق به جنس‌های باسیلوس (Bacillus) و کلستریدیوم (Clostridium)، قادر به تشکیل ساختارهای مقاوم به نام هاگ (اسپور) در برابر شرایط نامساعد محیطی هستند. تشکیل هاگ معمولاً در شرایطی رخ می‌دهد که محیط برای رشد باکتری مناسب نباشد. این ساختارها به باکتری‌ها امکان می‌دهند تا در شرایط سخت و طاقت‌فرسا که باکتری‌های فعال قادر به بقا نیستند، زنده بمانند.
یوکاریوت‌ها
یوکاریوت‌ها دسته‌ای از موجودات زنده هستند که ماده ژنتیکی (DNA) آنها درون هسته‌ای محصور توسط محافظت می‌شود. این ویژگی، اصلی‌ترین تفاوت آنها با پروکاریوت‌هاست. سلول‌های یوکاریوتی معمولاً ابعاد بزرگ‌تری نسبت به پروکاریوت‌ها دارند و تکثیر آنها از طریق تقسیم سلولی میتوز صورت می‌گیرد.
اکثر یوکاریوت‌ها دارای میتوکندری هستند، اندامک‌هایی که وظیفه تولید انرژی سلولی (ATP) را بر عهده دارند. اگرچه نقش مستقیم یوکاریوت‌ها در حذف BOD (اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی) نسبتاً کم است، اما آنها با تغذیه از باکتری‌های معلق و ذرات آلی (بقایای سلولی)، به شفاف‌سازی و بهبود کیفیت آب کمک می‌کنند. این نقش آنها در اکوسیستم‌های تصفیه فاضلاب حائز اهمیت است. گروه‌های متنوعی از موجودات زنده از جمله قارچ‌ها، پروتوزوآ (تک‌یاختگان)، روتیفرها، کرم‌ها، گیاهان و جانوران در دسته یوکاریوت‌ها قرار می‌گیرند.
به طور کلی، سرعت رشد یوکاریوت‌ها در مقایسه با پروکاریوت‌ها کمتر است. این موضوع احتمالاً به دلیل نسبت سطح به حجم کمتر سلول‌های یوکاریوتی است که می‌تواند سرعت جذب مواد مغذی را محدود کند. این ویژگی باعث می‌شود که یوکاریوت‌ها در سیستم‌های تصفیه‌ای با زمان ماند سلولی (SRT) پایین (مانند ۴ تا ۱۰ روز در روش لجن فعال متعارف یا CAS) به راحتی از سیستم حذف شوند و احیای جمعیت آنها پس از حذف دشوار باشد.
در مقابل، سیستم‌های بیوراکتور غشایی (MBR) با SRT بالا (۱۲ تا ۳۰ روز) کار می‌کنند و قادر به نگهداری تمام میکروارگانیسم‌ها، از جمله یوکاریوت‌ها، در سیستم هستند. به همین دلیل، در سیستم‌های MBR، جمعیت یوکاریوت‌ها در مخلوط مایع نسبت به سیستم‌های CAS بیشتر است. این تنوع زیستی بیشتر می‌تواند به پایداری و کارایی سیستم تصفیه کمک کند.
میکروبیولوژی MBR
جنبه میکروبی فرآیند MBR (بیوراکتور غشایی) از موضوعات مورد توجه جامعه علمی است، زیرا هم بر عملکرد غشا تأثیر بسزایی دارد و هم به دلیل پیچیدگی جوامع میکروبی، زمینه تحقیقات جذابی را فراهم می‌کند. مطالعات متعددی در مورد این موضوع و ارتباط آن با عملکرد غشا منتشر شده است.
جوامع میکروبی موجود در مایع مخلوط MBR اساساً مشابه فرآیند لجن فعال متعارف (CAS) هستند، اما به دلیل نسبت پایین غذا به میکروارگانیسم (F/M)، زمان ماندگاری طولانی لجن (SRT) و حفظ کامل میکروارگانیسم‌های غیرتجمعی، ویژگی‌های متمایزی دارند. این ویژگی‌ها عبارتند از:
اندازه متوسط فلاك‌ها: اندازه فلاك‌ها (توده‌های میکروبی) در MBR معمولاً کوچک‌تر از CAS است. دلیل این امر، حفظ میکروارگانیسم‌های غیرتجمعی در MBR است که امکان رشد آنها را بدون شسته شدن از سیستم فراهم می‌کند. در مقابل، در CAS، این میکروارگانیسم‌ها به راحتی با پساب خارج می‌شوند و باکتری‌های تجمعی (فلا‌ک‌ساز) انتخاب و رشد می‌کنند. در موارد خاص، با حذف هدفمند باکتری‌های غیرتجمعی، فلاك‌ها می‌توانند به دانه‌های بزرگ (تا ۴ میلی‌متر) تبدیل شوند، مانند فرآیند Nereda®.
میکروارگانیسم‌های رشته‌ای: تعداد این میکروارگانیسم‌ها در MBR بیشتر از CAS است. دلیل دقیق آن مشخص نیست، اما به نظر می‌رسد که به دلیل نسبت بالای سطح به حجم، در شرایط کمبود مواد غذایی MBR، میکروارگانیسم‌های رشته‌ای بر فلا‌ک‌سازها غالب می‌شوند. در برخی موارد، جمعیت میکروارگانیسم‌های رشته‌ای می‌تواند تا ۱۰ برابر بیشتر از CAS باشد.
جمعیت Zoogloea: جمعیت Zoogloea (نوعی باکتری تولیدکننده پلیمرهای خارج سلولی) در MBR معمولاً پایین است که احتمالاً به دلیل کمبود مواد غذایی در نسبت پایین F/M است. با این حال، افزایش این جمعیت به دلیل کمبود مواد مغذی یا وجود مواد شیمیایی سمی، می‌تواند با آزاد کردن پلی‌ساکاریدهای خارج سلولی، گرفتگی غشا را افزایش دهد.
موجودات پیچیده‌تر: موجودات پیچیده‌تری مانند روتیفرها، نماتودها، آمیب‌ها و مژک‌داران نرخ رشد پایین‌تری نسبت به باکتری‌ها دارند و برای افزایش جمعیتشان به زمان ماندگاری طولانی‌تری نیاز است. SRT طولانی در MBR باعث افزایش تعداد این موجودات در لجن می‌شود. این موجودات با تغذیه از بقایای سلولی ریز و باکتری‌ها به پاکسازی سیستم کمک می‌کنند. اگرچه تأثیر مستقیم تغذیه آنها بر گرفتگی غشا کاملاً مشخص نیست، اما حضور جمعیت بالای آنها با کاهش نرخ گرفتگی مرتبط است. به عنوان مثال، در یک مطالعه، افزایش جمعیت ثابت و آزاد مژک‌داران، کاهش چشمگیری در ذرات کوچک‌تر از ۱۰ میکرومتر، به ویژه ذرات حدود ۱ میکرومتر، نشان داد.
نکته مهم این است که افزایش جمعیت میکروارگانیسم‌های رشته‌ای به خودی خود باعث افزایش گرفتگی غشا نمی‌شود. در واقع، SRT بالا و F/M پایین در MBR معمولاً باعث افزایش جمعیت رشته‌ای می‌شود، اما به طور کلی، با افزایش SRT یا کاهش F/M، پتانسیل گرفتگی غشا کاهش می‌یابد. مشکل زمانی ایجاد می‌شود که به دلیل عوامل خارجی استرس‌زا برای میکروارگانیسم‌ها (مانند کاهش اکسیژن محلول، وجود مواد سمی یا کمبود مواد مغذی)، جمعیت رشته‌ای به طور ناگهانی افزایش یابد. در این شرایط، مشکلاتی مانند حجیم شدن لجن و تشکیل کف رخ می‌دهد و غلظت محصولات میکروبی در مایع مخلوط افزایش یافته و در نتیجه، نرخ گرفتگی غشا نیز بیشتر می‌شود.
بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی و پایلوت، با اعمال این شرایط استرس‌زا، به طور عمدی باعث افزایش جمعیت میکروارگانیسم‌های رشته‌ای شده‌اند. در نتیجه، خواص لجن به گونه‌ای تغییر می‌کند که برای غشا نامطلوب است و ارتباط مستقیم بین گرفتگی غشا و جمعیت میکروارگانیسم‌های رشته‌ای مشاهده می‌شود. با این وجود، در یک MBR در مقیاس واقعی که در شرایط تقریباً پایدار کار می‌کند، رابطه بین جمعیت میکروارگانیسم‌های رشته‌ای و نرخ گرفتگی غشا به سادگی قابل پیش‌بینی نیست.
