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.
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 آلاینده‌های 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. همچنین کارایی و کیفیت آب خروجی تصفیه خانه بسته بهنوع بستر و نوع فیلتر انتخابی تغییر می یابد.
بسته به نوع هدف و کاربرد، بیوفیلترها قادر به حذف انواع ترکیبات هیدروژنی، سولفیدهای آلی، آمونیاک و نیتریت، از بین بردن CO۲، N۲ و سایر مواد آلی نامحلول، مواد جامد معلق و غیره از پساب صنایع وتصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و نیز افزودن اکسیژن و سایر مواد آلی به آب می‌باشند.
اساس روش‌های بیولوژیکی حذف مواد آلاینده با انجام یکسری واکنش بیولوژیکی بین آلاینده و میکروارگانیسم‌ها و تشکیل بیوفیلم بر روی یک بستر است. برای آشنا شدن بهتر با روش‌های بیولوژیکی لازم است مراحل تشکیل بیوفیلم را بهتر بشناسیم.
به طور کلی روش‌های بیولوژیکی تصفیه آب را به ۴ دسته اصلی تقسیم می‌کنند. در ادامه به بررسی اجمالی هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.
فیلترهای با بستر روان (فیلتر شنی و مهره‌ای)
در روش فیلتر شنی مقدار زیادی شن یا ماسه درون مخزنی به صورت معلق قرار می‌گیرد. باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها بر روی دانه‌های شن یا ماسه که به صورت معلق هستند قرار داده شده و با استفاده از اکسیژن آب درون مخزن و نیز سایر مواد مغذی، تغذیه کرده و رشد می کنند.
تماس‌دهنده‌های بیولوژیکی گردشی (RBC)
تماس‌دهنده‌های بیولوژیکی گردشی (RBC) شامل صفحات مدور و نزدیک به هم از جنس پلی استر یا پلی ونیل کلراید هستند.
بیودرام (استوانه زیستی گردان)
در روش بیودرام یا استوانه زیستی گردان، به جای صفحات چرخان، استوانه‌هایی قرار داده شده است که سطح بیشتری را برای تماس فاضلاب با میکروارگانیسم ها فراهم کرده و هوادهی بیشتری را نیز منجر می شود. جریان پساب پس از ورود به دستگاه به صورت دورانی به چرخش در می‌آید و پساب توسط باکتری‌ها تصفیه می‌شود.
استفاده از بیوفیلترهای قطره‌ای که یکی از با سابقه‌ترین روش‌های بیولوژیکی است، شامل یک بستر محکم از جنس PVC است که با میکروارگانیسم‌ها پوشیده شده و درون یک مخزن قرار می‌گیرد. با عبور پساب از لایه‌های بالایی بستر و مواجهه آن با میکروارگانیسم‌ها، عملیات تصفیه انجام شده و آب خالص درون مخزن انتهایی جمع می شود.
در این روش باکتری‌ها روی بستر متخلخلی از جنس سنگ، ماسه، و مواد پلاستیکی رشد می‌کنند و در زیر آب غوطه ور می‌باشد. استفاده از فیلترهای غوطه ور به گونه ایست که جریان آب بطور عمودی پایین به بالا و یا بالا به پایین حرکت می‌کند و در برخی موارد افقی از میان فیلتر می‌گذرد که در این صورت فیلتر جریان افقی نامیده می‌شود.
در بین روش‌های تصفیه فاضلاب بیولوژیکی، روش MBBR به دلیل مزایای مختلفی که دارد بیش از سایر روش‌ها مورد توجه است. مزایای این روش عبارتند از تجمع بیشتر توده زیستی، بازده بیشتر فرایند تصفیه، عدم ته نشین شدن بسترها، قابلیت استفاده از تمام ظرفیت محفظه، بدون نیاز به بازیافت لجن، سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه نگهداری کم و فضای کوچک مورد نیاز.
در روش‌های بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها بر روی بستری از مواد مختلف به صورت متصل رشد کرده و با عبور جریان فاضلاب از سطح بستر، آلاینده‌های مختلف همچون مواد آلی جذب و تجزیه می‌شوند.
مراحل تشکیل بیو فیلم در فرایندهای تصفیه فاضلاب را می‌توان به ۵ مرحله اصلی تقسیم کرد که عبارتند از:
عوامل اصلی موثر در تشکیل بیوفیلم‌ها در فرایند تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیکی را می‌توان به ۴ دسته اصلی تقسیم کرد.
۱٫ مقدار pH
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.
۲٫ دما
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.
۳٫ 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.
۴٫ 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.
۵٫ تولید اجزای پلیمری خارج سلولی (EPS)
Extracellular polymeric substances یا به اختصار EPSها، مخلوطی هستند از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا (Mw = ۱۰,۰۰۰) 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.
۶٫ 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.
یکی از پارامترهای مهم در بازده و عملکرد روش MBBR بستری است که با تشکیل بیوفیلم در سطح آن عملیات تصفیه فاضلاب انجام می‌شود. انتخاب بستر مناسب برای فرایند MBBR در روش تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیکی امر بسیار مهمی است.
با توجه به توسعه دانش مهندسی پلاستیک در دهه‌های اخیر، بسترهای مختلفی با شکل‌ها و مواد گوناگون توسعه پیدا کرده است که هر کدام دارای مزایا و معایب مختلفی هستند. انتخاب بستر وابسته به ویژگی‌ها، مواد و داده‌های عملکردی بستر است که توسط فروشنده‌ها ارائه می‌شود.
آهنگ تخریب زیستی
اولین پارامتر مهم در انتخاب بستر آهنگ تخریب زیستی (Biodegradation rate) است. برای این منظور لازم است شما آهنگ تخریب زیستی مورد نیاز خود را شناسایی کنید. آهنگ تخریب زیستی، مشخص کننده سرعت حذف مورد نیاز مواد آلاینده در فاضلاب است که باید با توجه به مقدار آلاینده مشخص شود.
در نهایت آهنگ تخریب زیستی، مقدار بستر مورد نیاز را تعیین می‌کند. برای این منظور باید نوسانات تغییر غلظت مواد آلاینده در فاضلاب را نیز در نظر بگیرید.
به طور خلاصه برای تعیین آهنگ تخریب زیستی، بهتر است موارد زیر در نظر گرفته شود:
یکی از عواملی که در آهنگ تخریب زیستی بسترها موثر است سطح ویژه فعال بستر است. اما عامل تعیین کننده، پارامتر مقدار تخریب زیستی بر حسب کیلوگرم (آلاینده) بر مترمکعب (بستر) در هر روز است.
ماده
نکات مهم در مورد ماده بستر، نوع ماده و دانسیته آن است. عموماً از پلی اتیلن (PE) یا گرانول مواد بازیافتی برای ساخت بستر استفاده می‌کنند. باید دقت کرد که ترکیب شیمیایی مواد مورد استفاده لزوماً دقیق نیست، بخصوص در ترکیبات گرانولی امکان دارد پلاستیک‌های مختلفی استفاده شده باشد که حتی اثرات منفی در عملکرد بستر داشته باشند؛ بر روی عواملی مثل استحکام و پایداری بستر.
دانسیته مواد در شرایط عملکردی مواد بسیار موثر هستند. به خاطر استفاده از انواع مواد پلاستیکی در بسترهای بازیافتی، گرانول‌های بازیافتی می‌توانند اختلاف دانسیته مختلفی داشته باشند. گاهی این اختلاف‌ها در فرایند تولید بوجود می‌آیند. این اختلاف دانسیته می‌تواند باعث کاهش بازده بستر شود.
یک عامل دیگر در استفاده از ترکیبات مختلف در فرایند تولید بسترهای پلاستیکی، مواد افزودنی مورد استفاده است. گاهی این مواد در اثر آزاد کردن ترکیبات اپوکسی مثل bisphenol A و فتالات‌ها باعث ایجاد آثار منفی در آب تصفیه شده نهایی می‌شوند.
مولکول‌های فتالات به دلیل سمی بودن باعث ایجاد مشکلات مختلفی از جمله، افزایش ابتلا به سرطان، به وجود آمدن مشکلات هورمونی و دیابت، می‌شوند.
در انتخاب نوع ماده مورد استفاده در ساخت بستر باید سراغ ماده‌ای رفت که در ترکیب آن از فتالات‌ها و پلاستی سایزرها استفاده نشده و حاوی مواد آروماتیک مختلف مثل Bisphenol A نباشند.
بهترین ترکیب شیمیایی برای ساخت بستر، استفاده از پلی اتیلن خالص به همراه پرکننده‌های معدنی و دیگر افزودنی‌های طبیعی است.
ترکیب شیمیایی ماده علاوه بر عملکرد و آزاد کردن مواد اضافی، بر روی خواص مکانیکی بستر نیز تاثیر گذار هستند. بسترها به دلیل شرایط کاری، تحت تنش‌های مکانیکی مختلف هستند و احتمال شکستن آن‌ها بسیار است.
مقاومت به سایش ماده
همانطور که در قسمت قبل هم ذکر شد، بسترها به دلیل تلاطم محیط فاضلاب و مخزن تصفیه تحت تنش‌های مکانیک مختلفی هستند. یکی از تنش‌های وارده به بسترها، سایش است. بسترهای مورد استفاده در فرایند تصفیه بیولوژیکی به روش MBBR باید به صورت همزمان منعطف بوده و مقاوم به سایش باشند.
بسترهای اسفنجی دارای انعطاف بسیار خوبی هستند، اما به دلیل عدم مقاومت به سایش مناسب دارای طول عمر کمی هستند. بسته به نوع و کیفیت فاضلاب، امکان دارد مواد بستر تمایل به جذب مواد زیستی زیادی داشته باشند.
در روش MBBR از بسترهای مختلفی برای رشد فیلم میکروبی استفاده می‌کنند. این بسترها می‌توانند به صورت طبیعی باشند؛ مثل شن، سنگ ریزه، شیشه یا پودرهای فلزی؛ سنتزی باشند مثل پلی یورتان، پلی اتیلن و پلی وینیل الکل که بیشتر در سال‌های گذشته توسعه پیدا کرده‌اند. لازمست که بسترها دارای سطح ویژه در دسترس بالایی باشند تا میکروارگانیسم‌ها بتوانند در سطح آن‌ها به راحتی رشد کنند.
بسترهای مبتنی بر فناوری نانو
در دهه‌های اخیر فناوری نانو توانسته جایگاه خود را در فعالیت‌های روزمره بشر به خوبی باز کند. یکی از مواد نانو که توانسته کاربردهای فراوانی را به خود اختصاص دهد، نانوالیاف هستند.
در سال‌های گذشته تلاش‌های زیادی بر روی انواع کاربردهای نانوالیاف بسیار کار شده است که به خاطر خواص شیمیایی منحصر به فرد نانوالیاف ناشی از سطح ویژه بالا و ساختار متخلخل آن‌ها است. این خواص مناسب نانوالیاف پلیمری سبب شده تا از این ماده بعنوان بهترین گزینه در کاربردهای مختلف استفاده شود.
کاربردهایی همچون تقویت کننده‌ها، بافت‌های مهندسی، مرهم زخم، سیستم‌های رهایش دارو، سلولهای خورشیدی، سلولهای نوری، سنسورها، فیلترهای مخصوص و روپوش محافظ، از جمله کاربردهای امروزی نانوالیاف هستند.
ویژگی‌های نانوالیاف باعث شده تا کاربردهای آن در صنعت تصفیه آب نیز توسعه پیدا کند. یکی از مهمترین کاربردهای نانوالیاف در تصفیه آب حذف آلاینده‌های سمی و آلی است.
در بین روش‌های تصفیه فاضلاب، روش‌های بیولوژیکی با توجه به ویژگی‌های منحصر به فرد بسیار مورد توجه هستند. ویژگی‌های همچون حذف مواد آلی و آسیب کمتر به محیط زیست باعث شده تا امروزه از این روش برای تصفیه فاضلاب بیشتر استفاده شود. یکی از اجزای اصلی در روش‌های بیولوژیکی، بستر رشد بیوفیلم است.
از جمله ویژگی‌های یک بستر مناسب می‌توان به ایجاد محلی مناسب برای تجمع میکروارگانیسم‌ها، پایداری فیزیکی و شیمیایی، مورفولوژی سطح، سطح ویژه بالا، دانسیته نسبی در مقایسه فاضلاب و اندازه مناسب برای به کار بردن در سیستم تصفیه فاضلاب، را نام برد.
با در نظر گرفتن ویژگی‌هایی که گفته شد، ساختار نانوالیاف به گونه‌ای است که می‌تواند بستر مناسبی برای انجام واکنش‌های بیولوژیکی بوده و فرایند تخریب زیستی را سرعت ببخشد.
بررسی پارامترهایی همچون بازده حذف مواد سمی، پایداری بستر و نانوالیاف، سرعت رشد میکروارگانیسم‌ها در سطح بستر نانوالیاف و خواص جذب این دسته از بسترها نشان می‌دهد که می‌توان از فناوری نانو بعنوان یکی از راه‌کارهای مناسب در تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیکی استفاده کرد. با توجه به این پتانسیل‌ها می‌توان در مواردی که سایر روش‌ها پاسخگو نیستند، از بسترهای نانوالیاف استفاده کرد.
بسترهای متخلخل مهندسی شده
در انتخاب یک بستر نکته اول اینست که لزوماً سطح ویژه هر چه بیشتر باشد، بازده بهتر نخواهد شد. باید توجه داشت که تنها سطحی که در دسترس است می‌تواند عملکرد را بهبود بخشد. شما لزوماً نمی‌توانید با ساخت یک ماده با سطح ویژه بسیار زیاد و متخلخل بازدهی را افزایش دهید.
سطح موثر سطحی است که در دسترس میکروارگانیسم‌ها بوده تا آن‌ها بتوانند با محیط یا همان فاضلاب تبادل جرم داشته باشند. با توجه به این مفهوم، نمی‌توان تنها با ایجاد حفره در بسترها این شرایط را فراهم کرد.
پیش نیاز اصلی برای تصفیه فاضلاب به روش MBBR تثبیت میکروارگانیسم‌ها در سطح بستر است. در این روش بازده حذف به روش بیولوژیکی با استفاده از سطح ویژه فعال بستر سنجیده می‌شود. دست یابی به سطح ویژه فعال بیشتر در بستر وابسته به دو عامل اصلی است:
اول: سطح ویژه موثر و در دسترس باید محافظ میکروارگانیسم‌ها بوده تا بتوانند در آن سطح زنده مانده و تولید مثل کنند.
دوم: این سطح باید حداکثر قابلیت انتقال جرم موادی مثل اکسیژن و محصولات متابولیک را بین میکروارگانیسم‌ها و فاضلاب فراهم کنند.
شرکتMulti Umwelttechnologie AG توانسته با تحقیق و توسعه فراوان بستر جدیدی معرفی کند که در مقایسه با نمونه‌های قبلی عملکرد بهتری دارند. یکی از تفاوت‌های اصلی محصول Mutag Biochip™ با دیگر بسترهای رشد بیوفیلم در نظر گرفتن همین نکته مهم است.
ضخامت بسیار نازک همراه با سطح باز این بستر، امکان دسترسی میکروارگانیسم‌ها به یک سطح ویژه بسیار بزرگ را فراهم می‌کند. همین امر باعث می‌شود که کولونی‌ها بتوانند در داخل فضاهای متخلخل تشکیل شده و همزمان با سیال (فاضلاب) در تماس باشند.
این طراحی موجب افزایش بازدهی محصول شرکت آلمانی شده است. سطح در دسترس Mutag Biochip™ حدود m۲/m۳۳۰۰۰ است که با استفاده از تخلخل‌های موجود در سطح بدست آمده است.
نکته حائز اهمیت دوم اینست که افزایش ضخامت بیوفیلم باعث محدود شدن تخریب زیستی می‌شود. در اثر تجمع بیش از اندازه میکروارگانیسم‌ها و همچنین ناخالصی‌های غیر بیولوژیکی در سطح بیوفیلم، واکنش تخریب کاهش پیدا کرده و حتی در بعضی از موارد به صفر می‌رسد.
مطالعات نشان داده است که حتی در شرایطی که غلظت آلودگی میکروبی بسیار بالا باشد، به گونه‌ای که بتوانند به راحتی در دسترس سطح بستر قرار گیرند، اگر هندسه و ساختار بستر مناسب نباشد، عدم انتقال جرم به لایه‌های داخلی و عمیق‌تر باعث کاهش تشکیل بیوفیلم می‌شود. همین مسئله باعث کاهش بازده تخریب زیستی در طی فرایند تصفیه بیولوژیکی می‌شود.
شکل محصول طراحی شده توسط شرکت آلمانی باعث افزایش نیروی برشی در سطح بستر شده و از این طریق یک حالت خود تمیز شوندگی بوجود می‌آید که باعث می‌شود همواره یک سطح فعال جدید وجود داشته باشد.
واتک به عنوان اولین شتاب دهنده تخصصی فناوری و ایده های حوزه آب می باشد. جهت اطلاعات بیشتر به سایت واتک مراجعه کنید یا با کارشناسان ما تماس بگیرید.
