در سیستم لجن فعال تصفیه فاضلاب، میکروارگانیسمها به عنوان «مجریان» اصلی برای تصفیه آلایندهها عمل میکنند. این میکروارگانیسمها بر اساس روشهای کسب انرژی و اشکال استفاده از منبع کربن، میتوانند به دو دسته کلی تقسیم شوند: اتوتروف و هتروتروف. این دو نوع تفاوتهای اساسی در مکانیسمهای متابولیکی، نقشهای عملکردی و سازگاری محیطی از خود نشان میدهند و بهطور جمعی ساختار اکولوژیکی لجن فعال را تشکیل میدهند. با این حال، مسیرهای عمل و ارزشهای اصلی آنها بهطور قابلتوجهی متفاوت است. درک عمیق این تفاوتها برای بهینهسازی فرآیندهای تصفیه فاضلاب و افزایش راندمان تصفیه بسیار مهم است.
1. تفاوتهای اصلی: تمایز اساسی بین منابع انرژی و استفاده از منبع کربن
منبع انرژی و منبع کربن، شاخصهای اساسی برای تمایز میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف هستند. این دو عامل کلیدی بهطور مستقیم جهت متابولیکی و وابستگی بقای آنها و همچنین منطق اساسی نقشهای متمایز آنها در سیستم لجن فعال را تعیین میکنند.
(1) میکروارگانیسمهای اتوتروف: تبدیلکنندههای ماده معدنی «خودکفا»
ویژگی اصلی میکروارگانیسمهای اتوتروف، توانایی آنها در سنتز مستقل ترکیبات آلی از کربن معدنی است. آنها از مواد معدنی بهعنوان «سوخت انرژی» استفاده میکنند و بدون اتکا به مواد آلی خارجی، بهعنوان «تولیدکنندگان» در اکوسیستمها عمل میکنند.
از نظر کسب انرژی، این میکروارگانیسمها انرژی را با اکسیداسیون مواد معدنی بهدست میآورند. بهعنوان مثال، باکتریهای نیتریفایر انرژی را با اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻) بهدست میآورند، در حالی که باکتریهای اکسیدکننده نیتریت، نیتریت (NO₂⁻→NO₃⁻) را اکسید میکنند. از سوی دیگر، باکتریهای اکسیدکننده گوگرد، انرژی را با اکسیداسیون سولفیدها (مانند H₂S→S→SO₄²⁻) تولید میکنند. از نظر استفاده از منبع کربن، آنها منحصراً به دیاکسید کربن (CO₂) یا کربناتها (مانند HCO₃⁻) بهعنوان تنها منبع کربن خود متکی هستند و کربن معدنی را از طریق فتوسنتز یا شیمیسنتز به کربن آلی تبدیل میکنند تا سلولهای خود را بسازند و فعالیتهای متابولیکی را انجام دهند. این ویژگی «خودکفا» آنها را قادر میسازد تا بدون وابستگی به آلایندههای آلی در فاضلاب زنده بمانند.
(2) میکروارگانیسمهای هتروتروف: تجزیهکنندگان ماده آلی «وابسته به خارج»
میکروارگانیسمهای هتروتروف دقیقاً برعکس میکروارگانیسمهای اتوتروف هستند. آنها نمیتوانند از مواد معدنی برای انرژی استفاده کنند یا بهطور مستقل کربن آلی را سنتز کنند و در عوض به مواد آلی از پیش موجود از محیط خارجی بهعنوان «منبع انرژی» و «منبع کربن» متکی هستند. این امر آنها را از نظر عملکردی معادل «مصرفکنندگان» و «تجزیهکنندگان» در یک اکوسیستم میکند.
از نظر کسب انرژی، این میکروارگانیسمها انرژی را با تجزیه آلایندههای آلی در فاضلاب (مانند کربوهیدراتها، پروتئینها، چربیها و غیره، که توسط COD، یعنی تقاضای اکسیژن شیمیایی، اندازهگیری میشود) بهدست میآورند. بهعنوان مثال، باکتریهای هتروتروف هوازی، گلوکز را به CO₂ و H₂O تجزیه میکنند و در عین حال انرژی را برای متابولیسم خود آزاد میکنند. از نظر استفاده از منبع کربن، آنها کربن آلی را مستقیماً از فاضلاب (مانند اجزای COD و مولکولهای آلی کوچک) جذب میکنند و نیازی به سنتز خودکار ندارند. فعالیتهای متابولیکی آنها کاملاً به غلظت و انواع آلایندههای آلی در فاضلاب بستگی دارد.
II. نقشهای عملکردی: نقشهای مختلف در سیستم تصفیه لجن فعال
بر اساس تفاوتها در استفاده از انرژی و منبع کربن، میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف در سیستمهای لجن فعال عملکردهای تصفیه متفاوتی را انجام میدهند. گروه اول بر تبدیل مواد معدنی تمرکز دارد، در حالی که گروه دوم بر تجزیه مواد آلی تمرکز دارد و بهطور همافزا برای اطمینان از تصفیه مؤثر فاضلاب کار میکنند.
(1) میکروارگانیسمهای اتوتروف: متمرکز بر «حذف نیتروژن و گوگرد»، تصفیه آلایندههای معدنی
میکروارگانیسمهای اتوتروف با تسهیل تبدیل و حذف مواد معدنی، نقش اصلی را در لجن فعال ایفا میکنند و نیتروزوموناس (شامل نیتروزوموناس و نیتروباکتر) نمایندهترین آنها هستند. این باکتریها نقش کلیدی در فرآیندهای حذف نیتروژن از فاضلاب دارند. تحت شرایط هوازی، نیتروزوموناس ابتدا نیتروژن آمونیاکی (NH₄⁺) موجود در فاضلاب را به نیتریت (NO₂⁻) اکسید میکند، که سپس توسط نیتروباکتر به نیترات (NO₃⁻) بیشتر اکسید میشود. این فرآیند که بهعنوان «واکنش نیتریفیکاسیون» شناخته میشود، گام اصلی در حذف بیولوژیکی نیتروژن است. بدون باکتریهای نیتریفایر اتوتروف، نیتروژن آمونیاکی موجود در فاضلاب نمیتواند به نیترات تبدیل شود، که متعاقباً میتواند از طریق دنیتریفیکاسیون حذف شود و در نهایت منجر به سطوح بیش از حد نیتروژن آمونیاکی در پساب میشود.
علاوه بر این، تعداد کمی از باکتریهای اکسیدکننده گوگرد اتوتروف میتوانند سولفیدها را در فاضلاب اکسید کرده و آنها را به سولفاتهای بیضرر تبدیل کنند و از مهار سمی سولفیدها بر روی میکروارگانیسمها جلوگیری کنند و در نتیجه از عملکرد پایدار سیستم لجن فعال اطمینان حاصل کنند. با این حال، باید توجه داشت که میکروارگانیسمهای اتوتروف دارای سرعت متابولیکی بسیار کندی (با چرخه تولید معمولی 10 تا 30 ساعت) هستند و به شرایط محیطی (مانند دما، اکسیژن محلول و pH) حساس هستند. در نتیجه، سهم آنها در سیستم لجن فعال معمولاً کم است (تقریباً 5٪ تا 10٪).
(2) میکروارگانیسمهای هتروتروف: «تجزیه COD» اصلی، ساخت لختههای لجن
میکروارگانیسمهای هتروتروف «نیروی اصلی» لجن فعال هستند که بیش از 90٪ از جمعیت آن را تشکیل میدهند. عملکردهای اصلی آنها در دو جنبه اصلی متمرکز شده است: تجزیه مواد آلی و تشکیل لخته لجن، که بهطور مستقیم راندمان حذف COD در فاضلاب و عملکرد ته نشینی لجن فعال را تعیین میکند.
در تجزیه مواد آلی، باکتریهای هتروتروف هوازی، ترکیبات آلی ماکرومولکولی (مانند نشاسته، لیپیدها و پروتئینها) موجود در فاضلاب را از طریق تنفس هوازی به مولکولهای آلی کوچکتر تجزیه میکنند. این مولکولهای کوچکتر بیشتر به محصولات معدنی مانند CO₂ و H₂O تجزیه میشوند و در نتیجه مقدار COD فاضلاب کاهش مییابد. این هدف اصلی تصفیه فاضلاب خانگی و فاضلاب آلی صنعتی است. بهعنوان مثال، در تصفیهخانههای فاضلاب شهری، باکتریهای هتروتروف میتوانند COD ورودی را از 300-500 میلیگرم در لیتر به زیر 50 میلیگرم در لیتر کاهش دهند و استانداردهای تخلیه را برآورده کنند.
در تشکیل لختههای لجن، میکروارگانیسمهای هتروتروف خاص (مانند اکتینومیستها و قارچها) مواد چسبناکی مانند پلیساکاریدها و پروتئینها ترشح میکنند که سلولهای میکروبی پراکنده را به لختههای ساختاری پایدار (یعنی لختههای لجن فعال) جمع میکنند. این لختهها نه تنها آلایندهها را محصور میکنند و راندمان تجزیه را افزایش میدهند، بلکه بهسرعت در مخازن ته نشینی ته نشین میشوند و جداسازی لجن و آب را بهدست میآورند و از تلفات میکروبی با پساب جلوگیری میکنند. اگر فعالیت باکتریهای هتروتروف ناکافی باشد یا توانایی تشکیل لخته آنها ضعیف باشد، میتواند منجر به جامدات معلق (SS) بیش از حد در پساب شود و در موارد شدید، باعث «تورم لجن» و بیثباتی سیستم شود.
3、 سازگاری محیطی: الزامات مختلف برای شرایط فرآیند
ویژگیهای متابولیکی میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف متفاوت است و در نتیجه الزامات متفاوتی برای شرایط محیطی سیستم لجن فعال، مانند اکسیژن محلول، دما و نسبت مواد مغذی وجود دارد. بهینهسازی این شرایط، کلید اطمینان از کار مشترک دو نوع میکروارگانیسم است.
、 (1) میکروارگانیسمهای اتوتروف: بسیار حساس به شرایط محیطی
فعالیت متابولیکی میکروارگانیسمهای اتوتروف (بهویژه باکتریهای نیتریفایر) به شرایط محیطی سختگیرانه نیاز دارد و حتی نوسانات پارامترهای کوچک میتواند بر فعالیت آنها تأثیر بگذارد:
-اکسیژن محلول (DO): اکسیژن محلول کافی برای واکنش نیتریفیکاسیون مورد نیاز است و DO باید در 2 میلیگرم در لیتر حفظ شود. اگر DO زیر 1 میلیگرم در لیتر باشد، فعالیت باکتریهای نیتریفایر بهطور قابلتوجهی مهار میشود و راندمان اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی بهشدت کاهش مییابد؛
-دما: دمای بهینه 20-30 درجه سانتیگراد است. هنگامی که دما زیر 10 درجه سانتیگراد باشد، سرعت متابولیکی باکتریهای نیتریفایر بیش از 50٪ کاهش مییابد. در زمستان، تصفیهخانههای فاضلاب اغلب با مشکل نرخ حذف ناکافی نیتروژن آمونیاکی مواجه میشوند؛
-مقدار pH: محدوده مناسب 7.5-8.5 است. اگر pH زیر 6.5 یا بالای 9.0 باشد، باکتریهای نیتریفایر به دلیل مهار فعالیت آنزیمی، متابولیسم را متوقف میکنند؛
-نسبت مواد مغذی: به مقدار زیادی کربن آلی نیاز ندارد، اما به کربن آلی حساس است - اگر COD در فاضلاب خیلی زیاد باشد، باکتریهای هتروتروف با باکتریهای اتوتروف برای اکسیژن محلول و فضا رقابت میکنند و رشد باکتریهای نیتریفایر را مهار میکنند.
、 (2) میکروارگانیسمهای هتروتروف: بسیار مقاوم در برابر شرایط محیطی
در مقایسه با میکروارگانیسمهای اتوتروف، میکروارگانیسمهای هتروتروف سازگاری محیطی قویتری دارند و محدوده تحمل وسیعتری برای پارامترهای فرآیند دارند:
-اکسیژن محلول (DO): باکتریهای هتروتروف هوازی برای برآورده کردن نیازهای متابولیکی خود، نیاز دارند که DO در 1-2 میلیگرم در لیتر حفظ شود، در حالی که برخی از باکتریهای هتروتروف اختیاری (مانند باکتریهای دنیتریفایر) هنوز هم میتوانند مواد آلی را از طریق تنفس بیهوازی تحت شرایط بیهوازی تجزیه کنند؛
-دما: دمای بهینه 15-35 درجه سانتیگراد است، اما هنوز هم میتواند سطح معینی از فعالیت را در محدوده 5-40 درجه سانتیگراد حفظ کند و تحمل آن به دماهای پایین بسیار بهتر از باکتریهای اتوتروف است؛
-مقدار pH: محدوده مناسب 6.0-9.0 است و برخی از باکتریهای هتروتروف (مانند قارچها) هنوز هم میتوانند تحت شرایط اسیدی در pH 5.0 یا شرایط قلیایی در pH 10.0 زنده بمانند؛
-نسبت مواد مغذی: به کربن آلی کافی نیاز دارد و به نسبت کربن به نیتروژن (C/N) حساس است - معمولاً به نسبت C/N 5-10:1 نیاز دارد. اگر منبع کربن ناکافی باشد، باکتریهای هتروتروف به دلیل «گرسنگی» کاهش فعالیت و نرخ حذف COD را تجربه خواهند کرد.
4、 همکاری و رقابت: روابط میکروبی در سیستمهای لجن فعال
در سیستم لجن فعال، میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف بهطور مستقل وجود ندارند، بلکه دارای یک رابطه دوگانه از «همافزایی» و «رقابت» هستند و تعادل بین این دو بهطور مستقیم بر اثربخشی تصفیه فاضلاب تأثیر میگذارد.
、 (1) رابطه همکاری: عملکردهای مکمل، تکمیل مشترک تصفیه
همافزایی بین این دو عمدتاً در «فرآیند دنیتریفیکاسیون» منعکس میشود: باکتریهای نیتریفایر اتوتروف، نیتروژن آمونیاکی را به نیترات تبدیل میکنند (فرآیند نیتریفیکاسیون)، در حالی که باکتریهای دنیتریفایر هتروتروف، تحت شرایط بیهوازی، از کربن آلی موجود در فاضلاب بهعنوان یک دهنده الکترون برای کاهش نیترات به نیتروژن (N₂) استفاده میکنند و آن را در هوا آزاد میکنند (فرآیند دنیتریفیکاسیون) - بدون باکتریهای اتوتروف، باکتریهای دنیتریفایر «بستر» برای استفاده ندارند؛ اگر باکتریهای هتروتروف وجود نداشته باشند، نیتراتی که توسط باکتریهای نیتریفایر تولید میشود، قابل حذف نیست و در نهایت کل نیتروژن نمیتواند استاندارد را برآورده کند. علاوه بر این، باکتریهای هتروتروف میتوانند بار آلی موجود در فاضلاب را پس از تجزیه COD کاهش دهند و یک محیط زندگی مناسب برای باکتریهای اتوتروف حساس به کربن آلی ایجاد کنند و بهطور غیرمستقیم فعالیت آنها را ارتقا دهند.
、 (2) رابطه رقابتی: رقابت بر سر منابع، تأثیر بر تعادل سیستم
رقابت بین این دو عمدتاً بر «اکسیژن محلول» و «فضای زندگی» متمرکز است: هنگامی که غلظت COD در فاضلاب خیلی زیاد باشد، باکتریهای هتروتروف به دلیل «غذای کافی» بهسرعت تکثیر میشوند، مقدار زیادی اکسیژن محلول مصرف میکنند و فعالیت باکتریهای اتوتروف به دلیل «هیپوکسی» مهار میشود و در نتیجه پدیده «اثر حذف COD خوب اما اثر حذف نیتروژن آمونیاکی ضعیف» رخ میدهد؛ برعکس، اگر غلظت COD در فاضلاب خیلی کم باشد (مانند فاضلاب صنعتی)، فعالیت باکتریهای هتروتروف ناکافی است و لختههای لجن پایدار نمیتوانند تشکیل شوند. باکتریهای اتوتروف نیز به دلیل «کمبود حامل» از بین میروند و بر راندمان نیتریفیکاسیون تأثیر میگذارند. بنابراین، در فرآیندهای عملی، لازم است با تنظیم پارامترهایی مانند بار آب ورودی و نسبت برگشت، تعادل رقابتی بین این دو را برقرار کرد. بهعنوان مثال، هنگام تصفیه فاضلاب با COD بالا، میتوان از «آب ورودی تقسیمشده» برای کاهش بار آلی موضعی و اطمینان از تقاضای اکسیژن محلول باکتریهای نیتریفایر استفاده کرد.
5、 خلاصه: تفاوتهای اصلی و اهمیت فناوری بین دو نوع میکروارگانیسم
تفاوت بین میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف در لجن فعال، اساساً تفاوت در «منابع انرژی و روشهای استفاده از منبع کربن» است که به یک سری تفاوتها در موقعیتیابی عملکردی، سازگاری محیطی و روابط میکروبی بین این دو (همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است) گسترش مییابد.
درک این تفاوتها، اهمیت راهنمایی مهمی برای بهینهسازی فرآیندهای تصفیه فاضلاب دارد: بهعنوان مثال، هنگام تصفیه فاضلاب با نیتروژن آمونیاکی بالا و COD کم (مانند فاضلاب آبزیپروری)، لازم است بر اطمینان از شرایط بقای باکتریهای اتوتروف (افزایش DO، کنترل دما) تمرکز شود و بهطور مناسب منابع کربن برای برآورده کردن نیازهای دنیتریفیکاسیون باکتریهای هتروتروف اضافه شود؛ هنگام تصفیه فاضلاب با COD بالا و نیتروژن آمونیاکی کم (مانند فاضلاب مواد غذایی)، لازم است بار آلی کنترل شود، از رشد بیش از حد باکتریهای هتروتروف جلوگیری شود و باکتریهای اتوتروف مهار شوند و اطمینان حاصل شود که COD و نیتروژن آمونیاکی همزمان با استانداردها مطابقت دارند. بهطور خلاصه، عملکرد پایدار یک سیستم لجن فعال، اساساً یک «تعادل پویا» بین میکروارگانیسمهای اتوتروف و هتروتروف است. تنها با تطبیق دقیق نیازهای هر دو میتوان به حداکثر راندمان تصفیه فاضلاب دست یافت.
