پساب های صنعتی با شوری بالا یکی از چالش های پایدار در تصفیه بیولوژیکی ثانویه است. هنگامی که غلظت نمک از حدی که لجن فعال معمولی می تواند تحمل کند افزایش می یابد، جوامع میکروبی فرو می ریزند، نیتریفیکاسیون متوقف می شود و کیفیت پساب به سرعت بدتر می شود. با این حال، کنترل شوری اغلب از نظر اقتصادی در مقیاس صنعتی غیرممکن است - اپراتورها را با یک سوال تنها می‌گذارد: آیا زیست‌شناسی می‌تواند سریع‌تر از کشتن نمک سازگار شود؟ این مطالعه شرایط مرزی برای بقای میکروبی و استراتژی‌های سازگاری را بررسی می‌کند که درمان بیولوژیکی را تحت استرس اسمزی شدید قابل دوام می‌کند.
1. مقدمه
فاضلاب با شوری بالا معمولاً در طیف وسیعی از صنایع از جمله تولید می شودتولید شیمیایی, فرآوری غذاهای دریایی, دباغی چرم، ورنگرزی پارچه. در بسیاری از این عملیات، نمک یک آلاینده کمیاب نیست، بلکه یک عنصر حل شده غالب است، با کل جامدات محلول به طور معمول بیش از 20 گرم در لیتر و گهگاه به غلظت سطح آب دریا 35 گرم در لیتر یا بالاتر می رسد.
غلظت‌های نمک بالا بر سیستم‌های تصفیه بیولوژیکی فاضلاب از طریق یک مکانیسم کاملاً درک شده اما به سختی قابل کاهش تأثیر می‌گذارد:استرس اسمزی. هنگامی که شوری خارج سلولی افزایش می یابد، آب از سلول های میکروبی مهاجرت می کند و باعث پلاسمولیز، از دست دادن عملکرد متابولیک و در نهایت مرگ سلولی می شود. حتی سطوح شوری زیر کشنده می تواند فعالیت آنزیمی را کاهش دهد، جذب بستر را مختل کند و ماتریکس پلیمری خارج سلولی را که ساختارهای لخته را کنار هم نگه می دارد، بی ثبات کند.
سیستم های لجن فعال معمولی آسیب پذیر هستند. در شرایط پر نمک،تنوع میکروبی به شدت کاهش می یابد، با گونه های حساس حذف شده و تنها زیر مجموعه ای از ارگانیسم های تحمل کننده هاله زنده مانده اند. این کاهش تنوع زیستی پیامدهای عملیاتی مستقیم دارد: عملکرد نیتریفیکاسیون کاهش می‌یابد زیرا باکتری‌های اکسیدکننده آمونیاک در میان حساس‌ترین گروه‌های عاملی به نمک در سیستم هستند.ته نشینی لجن بدتر می شودبه عنوان باکتری های تشکیل دهنده لخته یکپارچگی ساختاری خود را از دست می دهند.
این مطالعه تاثیر شوری را بر کارایی تصفیه بیولوژیکی فاضلاب در یک گرادیان غلظت نمک ارزیابی کرده ومکانیسم های سازگاری میکروبیکه امکان عملکرد طولانی مدت پایدار را در شرایط پر نمک فراهم می کند. این تحقیق پیکربندی‌های رشد معلق و رشد پیوسته را مقایسه می‌کند تا مشخص کند کدام معماری سیستم بیشترین انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد.
2. مواد و روشها
راه اندازی آزمایشی
مقیاس خلبانیسیستم هیبریدی لجن فعال و بیوفیلمبا استفاده از فاضلاب صنعتی مصنوعی ساخته و مورد بهره برداری قرار گرفت. شوری با استفاده از نمک طعام تنظیم شد و به طور سیستماتیک در محدوده تجربی تغییر یافت0 تا 35 گرم در لیتر(بیان شده به عنوان معادل NaCl)، طیفی از شرایط آب شیرین تا شوری کامل آب دریا را پوشش می دهد.
پارامترهای عملیاتی
این سیستم تحت شرایط کنترل شده طراحی شده برای جداسازی اثر شوری از سایر متغیرها کار می کند. زمان ماند هیدرولیک (HRT) بین این دو حفظ شد6 و 12 ساعت، در حالی که زمان ماند لجن (SRT) به بین افزایش یافت15 و 30 روزبرای ارتقای پایداری جامعه میکروبی و اجازه ایجاد ارگانیسم‌های تحمل‌کننده هالوتور با رشد کند. اکسیژن محلول ثابت نگه داشته شد2 تا 4 میلی گرم در لیتربرای اطمینان از اینکه شرایط هوازی هرگز عامل محدود کننده نبوده است.
روشهای پایش و تحلیل
پارامترهای کلیدی عملکرد در طول دوره آزمایشی از جمله کنترل شدندراندمان حذف COD, حذف نیتروژن آمونیاکی, شاخص حجم لجن (SVI), جامدات معلق مشروب مخلوط (MLSS)، وتنوع جامعه میکروبی. سازگاری میکروبی از طریق یک پروتکل افزایش تدریجی شوری کنترل شده، با مشاهده دوره‌ای تغییرات در مورفولوژی لجن، ساختار لخته، و نرخ‌های فعالیت متابولیکی خاص مورد ارزیابی قرار گرفت.
3. یافته های تحقیق
عملکرد در سراسر شیب شوری
نتایج تجربی نشان داد که واضح و قابل پیش بینی استرابطه دوز-پاسخبین شوری و عملکرد تیمار این سیستم سه رژیم عملیاتی متمایز - پایدار، انتقالی، و رو به زوال - به ترتیب مربوط به محدوده شوری کم، متوسط و بالا را نشان داد.
درسطح شوری کم (زیر 5 گرم در لیتر)، عملکرد سیستم قوی باقی ماند و اساساً از عملیات غیر نمکی قابل تشخیص نبود. حذف COD به طور مداوم بیش از حد مجاز است90%، نیتریفیکاسیون به طور معمول انجام شد و ویژگی های ته نشینی لجن انحراف معنی داری را از خط پایه نشان نداد.
درسطوح شوری متوسط (10 تا 20 گرم در لیتر)کاهش قابل اندازه‌گیری در فعالیت میکروبی آشکار شد. راندمان نیتریفیکاسیون به میزان قابل توجهی کاهش یافت که نشان دهنده حساسیت خاص باکتری های اکسید کننده آمونیاک به استرس اسمزی است. نرخ رشد لجن کند شد و مقادیر SVI شروع به حرکت به سمت بالا کرد که نشان‌دهنده زوال ساختار لخته در مراحل اولیه است. با این حال، مطالعه مشاهده کرد کهسازگاری تدریجی به طور قابل توجهی انعطاف پذیری سیستم را بهبود بخشیدبا گذشت زمان - راکتورهایی که در معرض افزایش تدریجی شوری قرار گرفتند با یک حاشیه قابل توجه از راکتورهایی که در معرض بارگذاری شوک قرار داشتند بهتر عمل کردند.
درسطح شوری بالا (بیش از 25 گرم در لیتر)سیستم‌های لجن فعال معمولی دچار افت عملکرد شدید و در برخی موارد غیرقابل برگشت شدند. تشکیل لخته به وضوح ضعیف بود، با پین لخته و رشد پراکنده غالب بود. راندمان حذف آمونیاک به شدت کاهش یافت و حذف COD به زیر سطوح قابل قبول برای انطباق با تخلیه کاهش یافت.
جدول 1: عملکرد درمان در سطوح مختلف شوری
| محدوده شوری (g/L NaCl) | رژیم عملیاتی | حذف COD | نیتریفیکاسیون | ویژگی های لجن |
| 0 تا 5 | پایدار | بالای 90 درصد | عادی | تشکیل لخته خوب، SVI معمولی |
| 10 تا 20 | انتقالی | رو به کاهش است | کاهش یافته است | SVI در حال افزایش است. بهبودی با سازگاری |
| بالای 25 | رو به وخامت گذاشت | به شدت کاهش یافته است | به شدت مهار شده است | لخته ضعیف، پین لخته، رشد پراکنده |
بیوفیلم در مقابل رشد معلق: یک تفاوت مهم
یکی از مهم ترین یافته ها این بودبرتری قابل توجه سیستم های مبتنی بر بیوفیلمتحت استرس شوری پیکربندی‌های رشد پیوسته در مقایسه با لجن فعال رشد معلق معمولی، مقاومت قابل‌توجهی بالاتری نسبت به کاهش عملکرد ناشی از شوری نشان دادند. این انعطاف‌پذیری به دو مکانیسم مرتبط نسبت داده می‌شود: تولیدمواد پلیمری خارج سلولی محافظ (EPS)که سلول های جاسازی شده را از شوک اسمزی مستقیم محافظت می کند وبهبود حفظ میکروبیکه از شسته شدن گونه های تحمل کننده هالوتولیک با رشد آهسته در طول موج های هیدرولیکی جلوگیری می کند.
4. بحث
استرس اسمزی به عنوان مکانیسم بازدارندگی اولیه
مطالعه این را تایید می کندشوری بالا یک عامل بازدارنده اصلی استدر تصفیه بیولوژیکی فاضلاب، با تنش فشار اسمزی به عنوان مکانیسم غالب مهار میکروبی عمل می کند. هنگامی که محیط خارج سلولی هیپرتونیک می شود، جریان آب از سلول های میکروبی فشار تورگ را مختل می کند، یکپارچگی غشاء را به خطر می اندازد و در نهایت فعالیت متابولیکی را از بین می برد. داده‌ها نشان می‌دهند که این اثر باینری نیست - در امتداد یک گرادیان عمل می‌کند - اما آستانه‌ای که در آن عملکرد از نظر عملیاتی غیرقابل قبول می‌شود، نسبتاً تیز است، معمولاً بین 20 تا 25 گرم در لیتر برای زیست توده سازگار نشده.
سازگاری میکروبی از طریق سازگاری تدریجی
سازگاری تدریجی به عنوان تنها موثرترین استراتژی عملیاتی برای تصفیه فاضلاب شور ظاهر می شود. زیست شناسی زیربنایی ساده است: هنگامی که شوری به طور تدریجی افزایش می یابد، جوامع میکروبی تحت تأثیر قرار می گیرند.انتخاب جهتکه در آن گونه های هالوتولر به تدریج بر جمعیت تسلط دارند. این ارگانیسم ها از دو استراتژی اصلی بقا استفاده می کنند - تجمع درون سلولی املاح سازگار (مانند بتائین و اکتوئین) که فشار اسمزی خارجی را بدون ایجاد اختلال در عملکرد آنزیمی متعادل می کند.افزایش تولید EPSبرای ایجاد یک مانع انتشار که سرعت ورود نمک به ماتریس بیوفیلم را تعدیل می کند.
داده‌های تجربی نشان می‌دهند که سیستم‌های سازگار به طور مداوم از سیستم‌های دارای شوک در سطوح شوری معادل بهتر عمل می‌کنند، و تأیید می‌کند که ترکیب جامعه میکروبی - نه فقط غلظت نمک - نتایج درمان را تعیین می‌کند.
سیستم های ترکیبی: ترکیب بهترین های هر دو جهان
سیستم های هیبریدی که ترکیبی از رشد معلق و متصل هستندثبات برترتحت شرایط نوسان شور جزء بیوفیلم به عنوان یکمخزن حفاظتیتنوع میکروبی: هنگامی که لخته معلق توسط یک سنبله شوری مختل می شود، جمعیت تعبیه شده در بیوفیلم زنده می مانند و می توانند به سرعت فاز معلق را پس از تثبیت شرایط، دوباره بذر کنند. این افزونگی عملکردی حاشیه ایمنی عملیاتی را فراهم می کند که سیستم های رشد معلق خالص به سادگی نمی توانند با آن مطابقت داشته باشند.
مفاهیم عملی برای اپراتورهای صنعتی
یک بینش عملی انتقادی از این مطالعه این است کهکنترل شوری اغلب در تصفیه فاضلاب صنعتی امکان پذیر نیست. استراتژی‌های نمک‌زدایی یا رقیق‌سازی، هزینه‌های سرمایه و عملیاتی گزافی را در حجم‌های معمول تخلیه صنعتی به همراه دارند. در نتیجه، سازگاری بیولوژیکی - به جای پیش درمانی فیزیکی - شیمیایی - باید به عنوان سنگ بنای استراتژی درمان طولانی مدت عمل کند. این بدان معناست که طراحی کارخانه باید در اولویت قرار گیردSRT تمدید شدهبرای حفظ ارگانیسم های تحمل کننده هاله با رشد آهسته،رسانه حامل بیوفیلمبرای تهیه سوله های سرپناه، وپروتکل های راه اندازی تدریجیکه به جوامع میکروبی فرصت می دهد تا قبل از معرفی فاضلاب شور با قدرت کامل، سازگار شوند.
5. نتیجه گیری
شرایط با شوری بالابه طور قابل توجهی بر عملکرد تصفیه فاضلاب ثانویه تأثیر می گذارداز طریق مکانیسم‌های دوگانه مهار اسمزی فعالیت میکروبی و بی‌ثباتی فیزیکی ساختار لجن. شدت ضربه وابسته به غلظت است، با آستانه زوال واضح بین 20 تا 25 گرم در لیتر NaCl برای زیست توده غیر سازگار.
این مطالعه دو استراتژی مکمل را شناسایی می‌کند که با هم یک رویکرد قوی برای تصفیه فاضلاب شور را تشکیل می‌دهند. اول،سازگاری تدریجی میکروبی- از طریق افزایش تدریجی شوری در طول دوره‌های عملیاتی طولانی به دست می‌آید - انتخاب و غنی‌سازی جوامع میکروبی تحمل‌کننده هالوتور را قادر می‌سازد که قادر به حفظ عملکرد تصفیه در سطوح شوری هستند که در غیر این صورت بازدارنده هستند. دوم،پیکربندی راکتورهای مبتنی بر بیوفیلم و ترکیبیایجاد انعطاف‌پذیری ساختاری و زیست‌محیطی که سیستم‌های رشد معلق فاقد آن هستند، عمدتاً از طریق نقش محافظتی EPS و حفظ ارگانیسم‌های متخصص با رشد آهسته.
برای اپراتورهای صنعتی که با جریان‌های فاضلاب با شوری بالا مواجه هستند، جایی که نمک‌زدایی از نظر اقتصادی غیرعملی است، مسیر رو به جلو روشن است: سرمایه‌گذاری در یکپارچه‌سازی حامل‌های بیوفیلم، گسترش SRT برای حمایت از توسعه جامعه هالوتولرانت، و اجرای پروتکل‌های سازگاری که به زیست‌شناسی زمان لازم برای سازگاری را می‌دهد. جامعه میکروبی، با توجه به شرایط مناسب، می تواند مشکلی را حل کند که درمان فیزیکوشیمیایی توان پرداخت آن را ندارد.
مهندسی سیستم های تصفیه بیولوژیکی برای فاضلاب با شوری بالا؟
Juntai Plastic رسانه های ته نشین کننده لوله پی وی سی و سیستم های حامل بیوفیلم با کارایی بالا را که برای کاربردهای فاضلاب صنعتی نیاز دارند - از جمله محیط های با شوری بالا که در آن زلال سازهای معمولی از کار می افتند، تهیه می کند. محلول های ته نشینی و پیوست بیولوژیکی ما، پایه ساختاری را فراهم می کند که بیوفیلم های هالوتولرانت برای رشد به آن نیاز دارند.