بخشی از مقاله
مروری بر تصفیه فاضلاب توسط جلبک ها
چکیده
با توجه به اینکه جلبکها زنجیره اصلی تولید یا تولید اولیه را در دریاها یا پساب های تصفیه خانههای فاضلاب تشکیل می دهند و به لحاظ دارا بودن پروتئین، مواد معدنی، ویتامین واسید های چرب امگا تری ارزش تغذیه ای بسیاری دارد امروزه بهره برداری از آنها در ابعاد صنعتی، کشاورزی، داروئی و غذایی ابعاد بسیار گستردهای یافته و تکنولوژی مدرن برای تولید و بهره برداری از آنها در کشورهای صنعتی و پیشرفته جهان مورد استفاده قرار میگیرد. ریز جلبک ها و سیانوباکتریها بیشترین استفاده را در این خصوص دارا می باشند. ریزجلبک خود به 2 گروه اوکاریوت و پروکاریوت تقسیم شده و رشدشان وابسته به فاکتورهایی از جمله نور و دما، دسترسی به نوترینتها و دیاکسیدکربن، مصرف توسط موجودات دیگر و رقابت بر سر مواد غذایی میباشد . دسته دیگر از جلبکهای مفید در تصفیه فاضلاب، سیانوباکتریها می باشند. گونههایی از این جلبکها قادر به حذف مواد مغذی از جمله فسفر و نیتروژن میباشند مانند Oscillatoria، Phormidium، Aphanocapsaو Westiellopsis ، برخی دیگر در حذف آفتکشها موثرند مانند Synechococcus elongates، Anacystics nidulans و . Microcystes aeruginosa همچنین حذف فلزاتی مانند جیوه توسط زیگنمافانیکوم و حذف سرب توسط Tetraselmis. Sp, Chlorella, Chaetoceros. Sp صورت میگیرد. هدف از این تحقیق مروری بر روشهای انجام شده توسط محققینی است که از جلبکهای مختلف جهت تصفیه پساب فاضلابها استفاده نمودند .
واژههای کلیدی: تصفیه فاضلاب، جلبک، ریز جلبک، Chlorella، سیانوباکتریها، فلزات سنگین
1
-1 مقدمه
فاضلابهای ناشی از فعالیت بشر مهمترین نقش را در آلودگی محیط زیست دارند. ( (Oswald 1995 تصفیه بیولوژیکی به دلیل راندمان بالا و کم هزینه بودن امروزه یکی از مهمترین بخشهای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی میباشد. پسابهای شهری منبع غنی از مواد آلی و مغذی بوده که باعث تقویت رشد ریز جلبکها میشوند. از بین این مواد میتوان به آمونیوم، نیترات و فسفات اشاره نمود که در یوتریفیکاسیون شرکت دارند. ریزجلبکها میتوانند در پسابهای غنی از نیتروژن و فسفر رشد کنند ( (pittmanm, 2010 و پتانسیل بالایی در حذف این ترکیبات از فاضلاب دارند. در مقایسه با پروسههای سنتی تصفیه فاضلاب که باتولید لجن، موادکربنی آلی را به دی اکسیدکربن تجزیه میکنند، در سیستم کشت فاضلاب جلبکها قادر هستند طی فرایند فتوسنتز از انرژی خورشید و دی اکسیدکربن استفاده کرده و آلایندههای آلی را که شامل مقادیر بالایی از نیتروژن و فسفر هستند را به ساختارهای سلولی مانند لیپیدها یا کربوهیدرات تبدیل کنند. (wang , 2010)
به علت اثرات شناخته شده بهداشتی و زیست محیطی گسترده ناشی از فلزات سنگین و عدم قابلیت جداسازی این فلزات با روشهای متعارف تصفیه فاضلاب، همچنین اختلالات ناشی از ورود به سیستمهای تصفیه بیولوژیکی فاضلاب شهرها ضرورت حذف فلزات سنگین، روشهای خاص جداسازی مانند روشهای شیمیایی و برخی روشهای بیولوژیکی مطرح می باشند که یکی از این روشهای بیولوژیکی، استفاده از جذب توسط میکروارگانیسمهای مختلف میباشد. بهکارگیری جلبکها در تصفیه فاضلاب به عنوان روش جدیدی در جذب سطحی فلزات سنگین شناخته شده است. جلبکها قادرند با فلزات سنگین تشکیل کمپلکس داده و درجداسازی فلزات از فاضلابها و آبهای آلوده مؤثر باشند. ( دکتر غیاث الدین و ( Sarah K.Liehr - Ernest Merian
از آنجاییکه جیوه و ترکیبات آن عنوان یکی از خطرناکترین فلزات سنگین آلوده کننده محیط زیست میباشد، حذف این فلز از پسابهای فاضلاب یک فرایند ضروری محسوب میگردد. با توجه به اینکه روشهای حذف شیمیایی جیوه دارای محدودیت می باشند، جذب بیولوژیکی بعنوان روش مناسبی برای حذف مقادیر کم فلزات سنگین از فاضلابهای صنعتی پیشنهاد میگردد. در جذب بیولوژیکی از خاصیت متابولیکی و جذب فیزیکوشیمیایی برای تجمع فلزات سنگین استفاده میشود. ( شمس خرم آبادی – جمشیدی)
-2 فرآیندهای تصفیه فاضلاب
تصفیه فاضلاب ترکیبی از فرآیندهای مختلف جهت بهبود کیفیت فاضلاب میباشد. این فرآیندها شامل جداسازی، حذف و یا دفع آلایندههای موجود در فاضلاب بوده و بر پایه سه فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی استوار است.
-1-2 روش فیزیکی
شامل فرآیندهایی است که بدون هیچگونه مواد شیمیایی یا تغییرات بیولوژیکی رخ میدهند. مانند آشغالگیری که برای حذف ذرات درشت استفاده میشود و یا تهنشینی که ذرات بر اساس نیروی ثقلشان و در یک دوره زمانی کوتاه در کف تهنشین شده و پساب تصفیه از رو جمع آوری میشود. فرآیند فیزیکی دیگر، هوادهی می باشد که اکسیژن مورد نیاز فاضلاب را تامین می کند. از صافی ها نیز برای گرفتن مواد جامد فاضلاب توسط عبور فاضلاب از مدیای فیلتر استفاده میشود.
2
-2-2 روش شیمیایی
شامل استفاده از مواد و واکنش های شیمیایی برای بهبود کیفیت فاضلاب می باشد. پرکاربردترین فرآیند تصفیه فاضلاب، کلرزنی است. کلر، به عنوان یک اکسید کننده قوی جهت از بین بردن باکتریها و در نتیجه پایین آوردن سرعت تجزیه فاضلاب استفاده می شود. از دیگر اکسید کننده های قوی می توان به ازن اشاره کرد. یکی دیگر از فرآیندهای رایج شیمیایی خنثی سازی است که با افزودن اسید یا باز، درجه pH را خنثی میکنند. انعقاد نیز با افزودن مواد شیمیایی مانند آهک یا نمکهای آهن و آلومینوم صورت میگیرد. جذب هم شامل فرآیند فیزیکی و هم شیمیایی میشود. و در آخر تعویض یون برای کاهش یونهای عامل سختی به کار میرود.
-3-2 روش بیولوژیکی
در این روش از باکتریها برای تجزیه ترکیبات آلی فاضلاب و تثبیت آنها استفاده میشود. روش بیولوژیکی به دو بخش هوازی و بیهوازی تقسیم میشود. هوازی شامل لجن فعال، صافی چکنده، حوضچه اکسیداسیون، لاگونها، هضم هوازی و بیهوازی شامل هضم بیهوازی، سپتیک تانک و لاگونها میباشند. تصفیه بیولوژیکی، استفاده از باکتریها و میکروارگانیسمهای دیگر جهت حذف آلایندههای فاضلاب توسط جذب آنها میباشد. برای استفاده از تصفیه بیولوژیکی فاضلاب باید در ابتدا مطالعات لازم در مورد منبع تولید فاضلاب، ترکیب فاضلاب، تمهیدات مورد نیاز جهت تخلیه پساب، پارامترهای تاثیرگذار بر کمیت و کیفیت فاضلاب و پیش تصفیه مورد نیاز آن انجام گیرد.
-3 مزایای تصفیه بیولوژیکی:
· هزینه کمتر نسبت به اکسیداسیون شیمیایی
· تجزیه کامل مواد آلی
· اکسیداسیون رنج وسیعی از ترکیبات آلی
· حذف ترکیبات غیرآلی مانند سولفید، آمونیاک و نیتروژن کل توسط دنیتریفیکاسیون
· راهبری سادهتر و ظرفیت پذیرش فاضلابهایی با کمیت و کیفیتهای متفاوت
· کاهش میزان سمیت آبزیان
مزیت کلیه فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی این است که باکتریها قادرند برای فراهم کردن انرژی لازم جهت متابولیسم میکروبی و سنتز سلولی از ترکیبات فاضلابها استفاده کنند. این فعالیتهای متابولیکی میتواند منجر به حذف آلاینده های مختلف از قبیل مواد خام، ترکیبات جانبی و ترکیبات تولید شده توسط فرآیندهای شیمیایی شود.
-4 انواع روشهای تصفیه بیولوژیکی
روشهای تصفیه بیولوژیکی به دو دسته هوازی، بیهوازی تقسیم میشوند.
تصفیه بیولوژیکی هوازی در حضور اکسیژن اتفاق میافتد که میکروارگانیسمهای هوازی از اکسیژن مولکولی برای جذب ترکیبات آلاینده استفاده میکنند و آنها را تبدیل به دیاکسید کربن آب و توده بیولوژیکی کرده. تصفیه بیهوازی شبیه به تصفیه هوازی میباشند با این تفاوت که از باکتریهایی استفاده میکنند که نیازی به اکسیژن ندارند. این باکتریها از ترکیبات دیگری غیر از اکسیژن برای اکسیداسیون ترکیبات آلی و آلاینده ها استفاده میکنند که منجر به تولید متان، دیاکسید کربن و توده بیولوژیکی میشود. این دو روش میتوانند به صورت ترکیبی هم برای راندمان بیشتر در کنار یکدیگر قرار گیرند.
3
شکل((1 تصفیه هوازی شکل((2 تصفیه بی هوازی
-5 جلبکها (algae)
جـلبکهـا از دستـه آغـازیـان فتواتوتروف می بـاشند، یعـنـی قادرند با فتوسنتز مواد غیر ارگـانـیـک را بـه مـواد ارگـانیک تبدیل کنند. 73 تا 87 درصد اکسیژن کره زمین توسط جلبکها (فیتوپلانکتونها) تولید میگردد. فیتوپلانکتونها جـزو جــلبکهای تک سلولی بوده، و نخستین حلقه زنجیره غذایی جانوران آبزی را تشکیل میدهند. جلبک ها عمدتاً در آبهای کم عمق می رویند. اما زیستگاه آنها میتواند در خشکی و مناطق مرطوب، صخره ها، چشمه های آب گرم، سنگها و فاضلابها و مناطق برفی نیز باشد. همچنین جلبکها بصورت همزیستی و یا انگل نیز زیست میکنند. جلبکها برای رشد به نور خورشید، دی اکسید کربن، آب و مواد معدنی نیاز دارند. جلبکها مانند گیاهان حاوی کلروفیل و قابلیت فتوسنتز میباشند، اما برخلاف آنها فاقد ریشه، ساقه، برگ و گل هستند. دیواره سلولی جلبکها از سلولز، گلیکوپروتئین ها و پلی ساکاریدها تشکیل یافته است. ذخیره غذایی در جلبکها نیز به شکل نشاسته و برخی نیز بصورت روغنها و قندهای گوناگون است.
-1-5 انواع جلبک ها
-1-1-5 جلبکهای پر سلولی (ماکرو جلبک ها):
▪ جلبکهای قرمز(رودوفیت ها): مانند DULCE, NORI ,IRISH MOSS
▪ جلبکهای قهوهای (فائوفیتها): نظیر KELP,SARGASSUM, KOMBU WAKAME,ARAME ,HIJIKI
▪ جلبکهای سبز (کلروفیت): نظیر کاهوی دریاییULVA
▪ جلبکهای طلایی
-2-1-5 جلبکهای تک سلولی(میکرو جلبکها):
▪ فیتوپلانکتونها و دیاتومه ها.
▪ CHLORELLA (کلرلا ولگاریس): یک نوع جلبک سبز است. از آنجایی که دیواره سلولی آن از سلولز است از این رو آن را بشکل پودر در میآورند تا هضم آن آسان و بصورت مکمل غذایی عرضه شود، نظیر (ALGOMED) در ایران.
▪ SPIRULINA (اسپیرولینا) نوعی سیانوباکتری و یا جلبک سبز-آبی میباشد. بصورت مکمل غذایی عرضه میگردد.
▪ : DUNALIELLA بصورت مکمل غذایی عرضه میگردد. غنی از بتاکاروتن و حاوی 18 تا 22 نوع اسید آمینه است.
4
▪
-3-1-5 سیانوباکتریها((CYANOBACTERIA
که به جلبک های سبز-آبی نیز شهرت دارند، در واقع نوعی باکتری میباشند که قابلیت فتوسنتز نیز دارند. برخی از آنها تولید سم کرده و در حیوانات و انسان ممکن است ایجاد مسمومیت کنند. از رویکرد اقتصادی جلبکها درصنایع غذایی، تغذیه، تولید دارو، رنگ دانه، مواد شیمیایی و سوخت نقش موثری دارند. .( Sano T.et al 1988)
-6 کاربرد جلبک ها در تصفیه فاضلاب
فاضلابهای شهری حاوی مقادیر زیادی مواد آلی و معدنی است، ولی اکسیژن آن بسیار کم است. یکی از روشهای آسان تصفیه فاضلابهای شهری، ایجاد حوضچه های سیمانی کم عمق و وسیع است. رشد جلبکها در این حوضچه ها باعث زیاد شدن و افزایش اکسیژن آن میشود. در اثر افزایش اکسیژن، تعداد میکروارگانیزم هوازی در آب زیاد شده و در نتیجه فعالیت آنها، مواد آلی موجود در آب تجزیه میگردد. فاضلابها میکروارگانیسمهای فاسد و پوسیده را در خود پناه داده و پرورش می دهد. استفاده از جلبک های سبز و کوچک اندام نظیر Euglena، Chlamydomonas، Chlorella در مسیر کانال خروجی مخازن بزرگ و کم عمق فاضلابی (اکسیداسیون فاضلابی) سریعترین و کم هزینهترین روشی است که به طور موثر میتواند مواد فاسد و خطرناک را به کودهای با ارزش و بدون بو با عملکرد کاتالیزوری تبدیل کند. (کیانمهر، هرمزدیار . ( 1381 – رشد این جلبک ها به عنوان گیاه تصفیه کننده در کانال های فاضلاب نیزحائز اهمیت است. این جلبک ها برای انجام فعالیتهای متابولیسم خود نیتراتها و فسفاتها را مصرف کرده و با انجام پروسه فتوسنتز، اکسیژن آزاد میکنند و اکسیژن آزاد شده به باکتریهای هوازی کمک میکند تا در تجزیه مواد خام فاضلابها فعال باشند. فاضلاب هایی که عمدتا از ضایعات صنعتی و شهر نشینی ایجاد شده باشند دارای بسیاری از ترکیات آلی و معدنی هستند که در آنها حل شده و به حالت معلق در آمده است. تصفیه چنین فاضلابهایی غالبا یک امر اکسیژناسیون تلقی می شود. لذا پدیده اکسیژنه نمودن به وسیله جلبکها بسیار متداول است برخی از جلبکها نظیر Scenedesmus, Euglena, Chlorella, Chlamydomonas در این پدیده بسیار موثر واقع می شوند . اکسیژنه نمودن فاضلابها به خصوص در تودههای کوچک نظیر استخرها جهت بوزدایی ضرورت دارد. به این ترتیب جلبک ها نقش مهمی را در تصفیه فاضلاب به عهده دارند که گاه به صورت طبیعی این پدیده انجام می شود. پروسه فتوسنتز توسط جلبک ها سبب وفور اکسیژن میشود و اکسیژن تولید شده به مصرف میکروارگانیسمها میرسد که میکروارگانیسمها مسئولیت تجزیه نمودن بقایای مواد آلی را در فاضلابها به عهده دارند.))Barsanti et al ,2006 جلبکها از بسیاری جنبه های فیزیولوژیکی مشابه گیاهان آلی هستند، اما عواملی نظیر تنوع، شکل، تحرک، چرخه زندگی و ...... سبب شده است که مسائل فیزیولوژیک جلبکها دقیقاً مشابه با سایر گروههای گیاهی نباشند.
- 1-6 استفاده از ریزجلبکها در تصفیه فاضلاب
ریزجلبک ها موجودات میکروسکوپی فتوسنتزکننده هستند که عمدتاَ در زیستگاههای آبی یافت میشوند. نظریه استفاده از ریزجلبکها در تصفیه فاضلاب اولین بار در سال 1950 در کالیفرنیا توسط ویلیام اسوالد مطرح گردید ( Oswald and Gotaas, .(1957 ریزجلبکها شامل دو دسته اوکاریوت و پروکاریوت میباشند. .( Soeder, C.J,1981) جلبکها هم نوترینتها را به خود جذب کرده و هم اکسیژن لازم برای باکتریها را فراهم میکنند . تجمع نوترینتها باعث رشد جلبکها شده و در همین حین پدیده جداسازی نوترینتهای دیگر نیز رخ میدهد مانند تبخیر آمونیوم و ترسیب فسفر که در نتیجه pH بالای تولید شده از جلبکها اتفاق میافتند. (Hammouda, O et al,1994) دلیل بالا رفتن pH ، جذب کربن معدنی توسط جلبکها می باشد.
5
(Karin Larsdotter ,2006) گزارشها حاکی از آن است که درصد بالایی از فسفر (گاهی تا (%90 حذف میشود. ( Doran, (M.D. and Boyle, W.C. 1979
-7 عوامل رشد جلبکها
برای تصفیه فاضلاب با جلبکها نیاز داریم که بدانیم چه فاکتورهایی برای رشد آنها نیاز است. رشد جلبکها بسته به فاکتورهای فیزیکی از جمله نور و دما، شیمیایی مانند دسترسی به نوترینتها و دیاکسیدکربن و همچنین بیولوژیکی مثل مصرف جلبکها توسط موجودات دیگر و یا رقابت بر سر مواد غذایی بین گونههای مختلف میباشد.
جدول(1) فاکتورهای تاثیرگذار بر رشد ها در حوضچههای HRAP
-1-7 روشهای کشت
سیستمهای کشت ریزجلبکها دو نوع بوده: سیستم باز و سیستم بسته. در سیستمهای بسته کنترل بیشتری بر شرایط رشد جلبکها وجود دارد در حالیکه سیستمهای باز، وابسته به فاکتورهای خارجی است و با هوای آزاد در تماس است. ) Grobbelaar, ) J.U.1981 با این حال ساخت و راهبری سیستمهای باز آسانتر می باشد و همچنین از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفهتر است.
)Robinson, P.K. 1997)
-2-1-7 سیستمهای باز
در این روش حوضچههای کم عمق با جریان مستقیم یا دایرهای و مجهز به یک بازوی چرخنده جهت مخلوط کردن محیط کشت استفاده میشود(.(Richmond, A 1990 این حوضچه ها به صورت مارپیچی ساخته شده و برای تصفیه فاضلاب برکههای تثبیت اختیاری و حوضچههای(high rate algal ponds) HRAP بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. معمولا برکههای تثبیت اختیاری عمق بیشتر از یک متر داشته، روی سطح آن رشد ی به وجود میآید و لایههای زیرین بی هوازی میشوند. در صورتی که در حوضچه های HRAP عمق زیر یک متر است و به دلیل داشتن همزن به صورت متناوب، هوازی است .)OswaldW.J.1988) در حوضچههای HRAP ریزجلبکها اکسیژن لازم برای باکتریهای هتروتروف را تامین کرده و نوترینتهای موجود در فاضلاب، تبدیل به تجمع باکتریایی و جلبکی میگردد. طبق آزمایشات اسوالد این سیستم قادر به حذف بیشتر از BOD %90 و%80 نیتروژن و فسفر میباشد.
