معرفی انواع میکروارگانیسم و کاربردهایشان در تصفیه آب و فاضلاب

آب یکی از مهم ترین منابع حیات بشر است و تصفیه صحیح آن برای حفظ سلامت انسان ها و محیط زیست ضروری است. با رشد جمعیت و توسعه صنایع، حجم فاضلاب های شهری و صنعتی افزایش یافته و آلاینده های آن پیچیده تر شده اند. در این شرایط، استفاده از روش های بیولوژیکی برای تصفیه آب و فاضلاب به یک ضرورت تبدیل شده است.

میکروارگانیسم ها، موجودات زنده میکروسکوپی شامل باکتری ها، قارچ ها، پروتوزوآ و جلبک ها هستند که قادرند مواد آلی و برخی آلاینده های شیمیایی را تجزیه کنند. این موجودات نقش حیاتی در فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی دارند و با کاهش مواد آلاینده، بهبود کیفیت آب و حفاظت از محیط زیست کمک می کنند. هدف این مقاله، معرفی انواع میکروارگانیسم ها و کاربردهای آن ها در تصفیه آب و فاضلاب است.

میکروارگانیسم چیست؟

میکروارگانیسم یا ریزجاندار، به موجودات زنده‌ای گفته می‌شود که آنقدر کوچک هستند که فقط با میکروسکوپ قابل مشاهده هستند. این موجودات بخش عظیمی از حیات روی زمین را تشکیل می‌دهند و در خاک، آب، هوا، بدن انسان، مواد غذایی و تقریباً تمام محیط‌های طبیعی حضور دارند.

انواع میکروارگانیسم ها و کاربرد آنها در تصفیه آب و فاضلاب

در تصفیه آب و فاضلاب، انواع مختلف میکروارگانیسم ها نقش بسیار مهمی در حذف آلاینده ها، کاهش بار آلی، حذف نیتروژن و بهبود کیفیت پساب دارند. هر گروه از میکروارگانیسم ها وظایف خاص خود را در فرآیندهای تصفیه ایفا می کند و با همکاری یکدیگر باعث عملکرد پایدار و کارآمد سیستم های بیولوژیکی می شوند. در ادامه مهم ترین گروه ها و کاربردهای آن ها توضیح می دهیم.

باکتری ها

باکتری ها رایج ترین و پرجمعیت ترین میکروارگانیسم ها در تصفیه فاضلاب هستند و بیشترین نقش را در تجزیه مواد آلی ایفا می کنند. باکتری های هوازی در حضور اکسیژن مواد آلی را به دی اکسیدکربن، آب و بیومس تبدیل می کنند و باعث کاهش BOD و COD می شوند. باکتری های بی هوازی نیز بدون اکسیژن فعالیت کرده و ترکیبات پیچیده را به متان و دی اکسیدکربن تبدیل می کنند، فرآیندی که درون سپتیک تانک ها در هضم لجن و تولید بیوگاز اهمیت دارد. همچنین باکتری های نیتریفایر و دنیتریفایر مسئول حذف آمونیاک و نیترات هستند و نقش حیاتی در کنترل نیتروژن و جلوگیری از اوتریفیکاسیون دارند.

قارچ ها

قارچ ها قادرند ترکیبات پیچیده و مقاوم مانند لیگنین، سلولز، چربی ها و مواد شیمیایی صنعتی را تجزیه کنند. آن ها در فاضلاب های صنعتی مانند نساجی، نفتی، رنگرزی و صنایع غذایی کاربرد دارند و باعث کاهش رنگ، بو و مواد آلی سخت تجزیه می شوند. قارچ ها در محیط های اسیدی و دارای آلاینده های مقاوم بهتر از باکتری ها فعالیت می کنند.

پروتوزوآ

پروتوزوآها موجودات تک سلولی بزرگ تر هستند و نقش آن ها بیشتر در تنظیم جمعیت میکروبی و شفاف سازی پساب است. این موجودات با تغذیه از باکتری های اضافی و ذرات معلق، باعث کاهش کدورت و بهبود کیفیت پساب خروجی می شوند. حضور پروتوزوآها نشانه سلامت سیستم تصفیه بیولوژیکی است و از رشد بیش از حد باکتری های مضر جلوگیری می کند.

جلبک ها

جلبک ها بیشتر در سیستم های طبیعی و نیمه طبیعی مانند تالاب های مصنوعی و فتوبایوراکتورها کاربرد دارند. آن ها با تولید اکسیژن از طریق فتوسنتز، محیط مناسبی برای فعالیت باکتری های هوازی ایجاد می کنند. همچنین جلبک ها می توانند نیتروژن و فسفر را جذب کنند و در کاهش آلاینده های مغذی مؤثر باشند. زیست توده حاصل از جلبک ها می تواند برای تولید کود یا انرژی زیستی استفاده شود.

آرکی ها

آرکی ها میکروارگانیسم های مقاوم به شرایط سخت هستند و به ویژه در فرآیندهای بی هوازی کاربرد دارند. آن ها اسیدهای آلی را به متان و دی اکسیدکربن تبدیل کرده و به تولید بیوگاز کمک می کنند. حضور آرکی ها برای پایداری سیستم بی هوازی و کاهش حجم لجن ضروری است.

ویروس ها

ویروس ها نقش مستقیمی در تجزیه مواد آلی ندارند، اما به عنوان شاخص های بهداشتی و کیفیت تصفیه مورد استفاده قرار می گیرند. بررسی وجود ویروس ها نشان می دهد که مراحل گندزدایی مانند کلرزنی، ازن زنی یا تابش UV به درستی انجام شده اند یا خیر.

مزایای استفاده از میکروارگانیسم ها در تصفیه آب و فاضلاب

استفاده از میکروارگانیسم ها یکی از مؤثرترین و اقتصادی ترین روش های حذف آلودگی از آب و فاضلاب است. نخستین مزیت این روش، کاهش قابل توجه هزینه ها در مقایسه با روش های شیمیایی و فیزیکی است؛ زیرا بخش عمده فرآیند تصفیه توسط فعالیت طبیعی میکروارگانیسم ها انجام می شود و نیاز به مواد شیمیایی گران قیمت یا تجهیزات پیچیده کمتر است.

از سوی دیگر، این روش کاملاً سازگار با محیط زیست است. میکروارگانیسم ها بدون ایجاد محصولات جانبی خطرناک، آلاینده ها را به مواد ساده و بی ضرر تبدیل می کنند و در نتیجه تأثیرات منفی بر محیط اطراف به حداقل می رسد.

یکی از مزایای مهم دیگر، توانایی بالای این موجودات در تجزیه انواع مختلف ترکیبات آلی است. باکتری ها، قارچ ها و سایر ریزجانداران قادرند حتی آلاینده های پیچیده و سخت تجزیه را نیز به مرور زمان تجزیه کنند. این ویژگی باعث می شود سیستم های بیولوژیکی در فاضلاب های شهری، صنعتی و کشاورزی کاربرد گسترده ای داشته باشند.

میکروارگانیسم ها همچنین به پایداری و خودترمیمی سیستم تصفیه کمک می کنند. در صورت تغییر شرایط یا افزایش بار آلودگی، جمعیت آن ها می تواند با محیط جدید سازگار شود و عملکرد سیستم را حفظ کند؛ قابلیتی که در روش های شیمیایی وجود ندارد.

از دیگر مزایا، کاهش تولید لجن نسبت به روش های شیمیایی است. لجن کمتر به معنای کاهش هزینه های حمل، دفع و مدیریت پسماند است. علاوه بر این، در فرایندهای بی هوازی، میکروارگانیسم ها امکان تولید انرژی پاک مانند بیوگاز (متان) را فراهم می کنند که می تواند در خود تصفیه خانه مصرف شود. فعالیت باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها در محیط کنترل‌شده پکیج تصفیه فاضلاب باعث حذف مواد آلی و نیتروژن می‌شود و کیفیت پساب خروجی را بهبود می‌بخشد.

محدودیتهای استفاده از میکروارگانیسم ها در تصفیه آب و فاضلاب

با وجود مزایای فراوان، تصفیه بیولوژیکی محدودیت هایی دارد که در برخی شرایط عملکرد سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد. نخستین محدودیت، حساسیت میکروارگانیسم ها به شرایط محیطی است. عواملی مثل دما، pH، میزان اکسیژن، حضور مواد سمی یا فلزات سنگین می توانند فعالیت آن ها را کاهش دهند یا حتی باعث مرگ جمعیت میکروبی شوند. بنابراین حفظ شرایط مناسب عملیاتی یک ضرورت است.

یکی دیگر از محدودیت ها، زمان نسبتاً طولانی تر فرآیند بیولوژیکی در مقایسه با روش های شیمیایی است. میکروارگانیسم ها برای رشد، تکثیر و سازگاری به زمان نیاز دارند و در بار آلودگی بالا ممکن است سیستم برای رسیدن به پایداری به دوره راه اندازی طولانی تری احتیاج داشته باشد.

از دیگر چالش ها، امکان تغییر ترکیب فاضلاب است. فاضلاب هایی که دچار شوک آلودگی ناگهانی می شوند—مانند ورود مواد سمی، شوینده های قوی یا بار آلی شدید—می توانند کل جمعیت میکروبی را مختل کنند و باعث افت عملکرد تصفیه خانه شوند.

علاوه بر این، برخی انواع آلاینده ها مانند مواد مقاوم شیمیایی یا ترکیبات سمی پیچیده به راحتی توسط میکروارگانیسم ها تجزیه نمی شوند و نیاز به روش های کمکی مانند اکسیداسیون پیشرفته، ازن زنی یا فیلتراسیون دارند.

در نهایت، سیستم های بیولوژیکی نیازمند کنترل و پایش مستمر هستند. مدیریت لجن، حفظ اکسیژن محلول، کنترل جریان ورودی و جلوگیری از رشد بیش از حد میکروارگانیسم های نامطلوب، همگی نیازمند نظارت دقیق و نیروی متخصص است.

بنابراین، هرچند تصفیه بیولوژیکی یک روش کارآمد و اقتصادی است، اما وابستگی آن به شرایط مناسب و نیاز به مدیریت دقیق، از مهم ترین محدودیت هایی است که باید در طراحی و بهره برداری به آن توجه شود.

نقش میکروارگانیسم ها در تصفیه فاضلاب

فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب معمولاً شامل سه مرحله فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی هستند، اما مهم ترین بخش در حذف آلاینده های آلی و پایدارسازی فاضلاب، مرحله تصفیه بیولوژیکی است که میکروارگانیسم ها نقش اصلی را در آن ایفا می کنند.

• تصفیه بیولوژیکی هوازی: در این فرآیند، میکروارگانیسم ها در حضور اکسیژن فعالیت می کنند. باکتری های هوازی مواد آلی موجود در فاضلاب را به دی اکسیدکربن، آب و توده سلولی تبدیل می کنند. این روش در سیستم هایی مانند لجن فعال، بیوفیلترها، MBR و لاگون های هوادهی به کار می رود. میکروارگانیسم ها در این مرحله باعث کاهش BOD و COD، حذف بو، تثبیت آلودگی و شفاف سازی آب می شوند. پس از تصفیه بیولوژیکی، برای حذف میکروارگانیسم‌های بیماری زا و ویروس‌ها، استفاده از دستگاه های کلرزن و یا ازن ژنراتور برای این منظور ضروری است.
• تصفیه بیولوژیکی بی هوازی: در این روش، فعالیت میکروارگانیسم ها بدون حضور اکسیژن انجام می شود. ابتدا باکتری های تخمیرکننده مواد آلی را به اسیدهای چرب تبدیل می کنند و سپس آرکی ها این ترکیبات را به متان و دی اکسیدکربن تبدیل می کنند. این فرآیند در هاضم های بی هوازی، UASB، راکتورهای اناروبیک و تصفیه فاضلاب صنعتی با بار آلی بالا کاربرد دارد. نقش میکروارگانیسم ها در این مرحله شامل کاهش شدید بار آلی، تثبیت لجن و تولید انرژی پاک (بیوگاز) است.
• فرآیند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون: در این فرآیند، باکتری های نیتریفایر ابتدا آمونیاک را به نیتریت و سپس نیترات تبدیل می کنند (در شرایط هوازی). سپس باکتری های دنیتریفایر در محیط بی هوازی نیترات را به نیتروژن گازی تبدیل کرده و از سیستم خارج می کنند. میکروارگانیسم ها در این مرحله نقش مهمی در حذف نیتروژن و جلوگیری از اوتریفیکاسیون منابع آبی دارند.
• زلال سازی بیولوژیکی و مصرف باکتری ها توسط پروتوزوآ: در حوضچه های ته نشینی و بخش های پایانی تصفیه، پروتوزوآ و سایر میکروارگانیسم های شکارگر با تغذیه از باکتری های اضافی و ذرات معلق، موجب شفاف شدن آب و کاهش کدورت می شوند. این مرحله باعث تولید پساب باکیفیت و بدون ذرات شناور می شود.
• سیستم های طبیعی تصفیه: در تالاب های مصنوعی، لاگون ها و سیستم های رشد گیاهی، نقش میکروارگانیسم ها با همکاری جلبک ها و گیاهان آبزی پررنگ تر می شود. جلبک ها با تولید اکسیژن، محیط را برای فعالیت باکتری های هوازی فراهم می کنند و با جذب نیتروژن و فسفر به کاهش آلاینده های مغذی کمک می کنند.
• فرآیندهای ترکیبی و پیشرفته: در تصفیه خانه های مدرن، میکروارگانیسم ها در کنار سیستم های پیشرفته مانند MBR، SBR، بیوفیلم ها، آناموکس و MBBR فعالیت می کنند. این روش ها باعث افزایش کارایی، کاهش فضا، کاهش تولید لجن و افزایش کیفیت خروجی می شوند.

عوامل مؤثر بر رشد و فعالیت میکروارگانیسم ها در تصفیه آب

در تصفیه آب و فاضلاب، رشد و فعالیت میکروارگانیسم ها نقش کلیدی در کارایی سیستم بیولوژیکی دارد. عوامل مختلفی می توانند بر سرعت تجزیه مواد آلی، حذف نیتروژن و فسفر و سلامت کل جمعیت میکروبی تأثیر بگذارند.

• دما: دما یکی از اصلی ترین عوامل مؤثر بر فعالیت میکروارگانیسم ها است. اکثر باکتری ها و پروتوزوآها در دمای بین 20 تا 35 درجه سانتیگراد بهترین عملکرد را دارند. دماهای پایین موجب کاهش سرعت متابولیسم و تجزیه مواد آلی می شود، در حالی که دماهای بسیار بالا می تواند باعث مرگ یا توقف فعالیت میکروارگانیسم ها شود. برخی آرکی ها و باکتری های مقاوم می توانند در دماهای بالاتر یا شرایط شدید صنعتی نیز فعالیت کنند.
• pH (اسیدیته یا قلیائیت): میکروارگانیسم ها برای رشد به محدوده pH مناسب نیاز دارند. اکثر باکتری ها در محدوده خنثی تا کمی قلیایی (6.5 تا 8) بهترین فعالیت را دارند. pH بسیار اسیدی یا قلیایی می تواند آنزیم ها و فرآیندهای متابولیک را مختل کند و رشد جمعیت را کاهش دهد. برخی قارچ ها و آرکی ها نسبت به pH شدید مقاوم هستند و در محیط های صنعتی کاربرد دارند.
• میزان اکسیژن: اکسیژن محلول برای باکتری های هوازی و جلبک ها حیاتی است. در سیستم های هوادهی، میزان اکسیژن کافی باعث افزایش سرعت تجزیه مواد آلی و کاهش بوی فاضلاب می شود. کمبود اکسیژن باعث کاهش فعالیت باکتری های هوازی و افزایش رشد باکتری های بی هوازی یا ایجاد بوهای نامطبوع می شود. در سیستم های بی هوازی، اکسیژن باید کنترل شود تا رشد باکتری های هوازی مختل نشود.
• غلظت مواد مغذی: میکروارگانیسم ها برای رشد به منابع کربن، نیتروژن، فسفر و سایر مواد معدنی نیاز دارند. کمبود این مواد می تواند فعالیت میکروبی را محدود کند و منجر به کاهش راندمان تصفیه شود. از سوی دیگر، غلظت بسیار بالای آلاینده ها یا مواد سمی می تواند جمعیت میکروارگانیسمها را نابود کند یا فرآیند را مختل کند.
• حضور مواد سمی یا آلاینده های مقاوم: برخی ترکیبات شیمیایی مانند فلزات سنگین، شوینده ها، سموم و ترکیبات صنعتی می توانند فعالیت میکروارگانیسم ها را کاهش دهند یا باعث مرگ آنها شوند. در چنین شرایطی ممکن است لازم باشد قبل از ورود به سیستم بیولوژیکی، فاضلاب پیش تصفیه یا رقیق شود.
• زمان ماند و جریان فاضلاب: مدت زمانی که فاضلاب در تماس با میکروارگانیسم ها قرار می گیرد (زمان هیدرولیکی) برای تکمیل فرآیندهای تجزیه مهم است. زمان کوتاه باعث حذف ناکافی آلاینده ها می شود و زمان بیش از حد ممکن است به تولید لجن اضافی منجر شود. همچنین نوسانات شدید در جریان فاضلاب می تواند جمعیت میکروبی را به هم بریزد.
• دما و نور در سیستم های طبیعی: در سیستمهایی مانند تالاب های مصنوعی یا فتوبایوراکتورها، نور خورشید و دما روی فعالیت جلبک ها و تولید اکسیژن تأثیر دارند. کاهش نور یا دمای پایین باعث کاهش اکسیژن و کاهش فعالیت باکتری های هوازی می شود.

نقش میکروارگانیسم ها در تصفیه آب

میکروارگانیسم‌ها در تصفیه آب آشامیدنی نقش مستقیم مثل فاضلاب ندارند، اما حضور کنترل‌شده آن‌ها در چند بخش مهم باعث بهبود کیفیت آب می‌شود. اصلی‌ترین کاربردشان در فیلتر شنی کند است؛ جایی که لایه‌ای زیستی روی سطح شن تشکیل می‌شود و باکتری‌های مفید و پروتوزوئرها با تجزیه مواد آلی، حذف طعم و بو و کاهش پاتوژن‌ها به تصفیه طبیعی آب کمک می‌کنند.

همچنین در فیلترهای کربن فعال، تشکیل بیوفیلم زیستی باعث تجزیه ترکیبات آلی و کاهش بوهای نامطلوب می‌شود. در مرحله کنترل کیفیت نیز میکروارگانیسم‌ها خودشان شاخص سنجش سلامت آب هستند؛ چون با اندازه‌گیری کلیفرم، E.coli و بار میکروبی مشخص می‌شود که آیا آب به درستی ضد عفونی شده یا نه.

به طور خلاصه، کاربرد میکروارگانیسم‌ها در تصفیه آب آشامیدنی بیشتر در قالب تصفیه زیستی سطحی، کمک به حذف مواد آلی، کاهش بو و مزه و ارزیابی سلامت نهایی آب است.

روش های پایش و کنترل میکروارگانیسم ها

در تصفیه آب و فاضلاب، پایش و کنترل میکروارگانیسم ها نقش حیاتی در حفظ کارایی و پایداری سیستم های بیولوژیکی دارد. این فرآیند به اپراتورها کمک می کند تا عملکرد تصفیه را بهینه کنند، مشکلات احتمالی را شناسایی کرده و کیفیت پساب خروجی را تضمین کنند. روشهای مختلفی برای پایش و کنترل جمعیت میکروارگانیسم ها وجود دارد که در ادامه توضیح می دهیم.

• بررسی تراکم میکروارگانیسم ها: یکی از رایجترین روشها، استفاده از میکروسکوپ برای بررسی نمونه های لجن یا آب است. با مشاهده مستقیم، می توان نوع، تراکم و سلامت باکتری ها، قارچ ها و پروتوزوآها را تعیین کرد. این روش به ویژه برای تشخیص مشکلاتی مانند پف کردگی لجن، رشد بیش از حد باکتری های مضر یا کاهش جمعیت پروتوزوآ کاربرد دارد.
• اندازه گیری MLSS و MLSS :MLVSS و MLVSS شاخص های مهمی برای تعیین غلظت کل میکروارگانیسم ها و توده بیولوژیکی فعال هستند. افزایش یا کاهش این شاخص ها می تواند نشان دهنده اختلال در فرآیند یا نیاز به تنظیم جریان، اکسیژن و مواد مغذی باشد.
• اندازه گیری اکسیژن محلول و pH: کنترل اکسیژن محلول، دما و pH به طور غیرمستقیم وضعیت فعالیت میکروارگانیسم ها را نشان می دهد. کاهش اکسیژن یا تغییرات شدید pH می تواند باعث کاهش رشد باکتری های هوازی و اختلال در تصفیه شود. این پارامترها معمولاً به صورت آنلاین و پیوسته اندازه گیری می شوند.
• تست های بیوشیمیایی و میکروبیولوژیکی: تست هایی مانند BOD، COD، تست های نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون و شمارش کلیفرم ها، عملکرد میکروارگانیسم ها در حذف آلاینده ها را ارزیابی می کنند. این تست ها نشان می دهند که آیا میکروارگانیسم ها به طور مؤثر مواد آلی و نیتروژن را تجزیه می کنند یا خیر.
• پایش سیستم های پیشرفته: در سیستم های مدرن مانند MBR، SBR، MBBR و فتوبایوراکتورها، از سنسورهای آنلاین برای اندازه گیری اکسیژن، مواد مغذی، دما و جریان استفاده می شود. این اطلاعات به اپراتورها کمک می کند تا کنترل اتوماتیک هوا، تغذیه و زمان ماند را انجام دهند و جمعیت میکروبی را در سطح بهینه نگه دارند.
• کنترل جمعیت و شرایط محیطی: علاوه بر پایش، کنترل فعالیت میکروارگانیسم ها با روش هایی مانند تنظیم اکسیژن، تغذیه مواد مغذی، کاهش یا رقیق کردن فاضلاب شوکی، تنظیم pH و دما انجام می شود. این اقدامات به جلوگیری از رشد بیش از حد باکتری های نامطلوب، کاهش بو و حفظ راندمان تصفیه کمک می کند.