بالکینگ (Bulking)

بالکینگ یا حجیم شدن لجن، عبارتی است که برای رشد بیش از حد باکتری های فیلامنتوس به کار می رود و از مشکلات معمول فرایند لجن فعال می باشد. بالکینگ در عمل به علت SVI بالا رخ می دهد. مقدار بحرانی برای SVI بالا که باعث بالکینگ لجن می شود بستگی زیادی به شرایط عملی که در طراحی و ساخت ته نشین کننده ها اعمال شده است، دارد. بالکینگ لجن معمولاً یک مشکل عملی و بهره برداری است، بنابراین به طور علمی، شاخصی برای تشخیص شرایط بالکینگ و غیر بالکینگ از هم وجود ندارد.

فرایند لجن فعال متداول ترین تکنولوژی برای تصفیه بیولوژیکی فاضلاب می باشد. این فرایند شامل دو مرحله است، مرحله بیوشیمیایی (مخزن هوادهی) و مرحله فیزیکی (زلال ساز ثانویه). در مخزن هوادهی کربن آلی، آمونیاک و فسفات توسط لجن فعال حذف می شوند. باکتری ها در این مرحله می توانند لخته هایی را تشکیل دهند که در مرحله زلال سازی توسط نیروی ثقل از فاضلاب تصفیه شده جدا شوند، که این راهکار اقتصادی و دوستدار انرژی، تکنولوژی استانداری است که برای جداسازی جامدات و مایعات از یکدیگر به کار می رود.

جداسازی (ته نشینی) و تراکم (تغلیط مناسب) در زلال ساز ثانویه فرایند لجن فعال، ضامن کیفیت فاضلاب تصفیه شده خروجی مناسب از فرایند لجن فعال می باشد. این جداسازی در نتیجه ی تشکیل لخته های متراکم رخ می دهد. انرژی مورد نیاز نسبتاً کم نیروی ثقل، باعث شده که این ته نشین کننده ها بخش بزرگی از تصفیه خانه ها را تشکیل دهند؛ این واحدها به راحتی سطحی حدود 30 تا 35 درصد کل مساحت تصفیه خانه را به خود اختصاص می دهند.

شاخص حجمی لجن یا SVI نوعی اندازه‌گیری تجربی است که می تواند بین مشخصات لجن و مبانی طراحی ته‌نشین کننده ها ارتباط ایجاد کند. این مقدار با داشتن نمونه لجنی که در مدت 30 دقیقه درون یک استوانه مدرج 1 لیتری ته نشین می شود، بدست می آید. از طریق این شاخص می توان حجم لجن اشغال شده توسط یک گرم لجن پس از ته نشینی بدست آورد. تاثیر SVI بر روی ابعاد مورد نیاز ته نشین کننده بسیار قابل توجه است، به طوری که با افزایش مقدار SVI از 100 تا 150 میلی لیتر بر گرم، حدوداً اندازه سطح مورد نیاز برای ته‌نشین کننده را دو برابر می شود.

لخته لجنی که به خوبی متراکم نشده و متخلخل است به آرامی ته نشین می شود، بنابراین به ته نشین کننده بزرگتری برای زلالسازی و جلوگیری از فرار جامدات در جریان خروجی، نیاز دارد. رشد بیش از حد باکتری های فیلامنتوس زیان بخش بوده و در عمل باعث ایجاد مشکلات فراوانی می‌شود. کسر حجمی باکتری های فیلامنتوس در جمعیت میکروبی لجن فعال که باعث مشکلات ته نشینی می شوند، ممکن است بسیار کم باشد. معمولاً کسر حجمی بین 1 تا 20 درصد باعث ایجاد بالکینگ می شود. باکتری های فیلامنتوس اغلب گروه باکتریایی غالب بر گروه باکتریایی متابولیک در تصفیه خانه نیستند اما می توانند در همین شرایط نیز باعث بروز بالکینگ شوند.

با وجود این که تحقیقات گسترده ای در زمینه بالکینگ لجن انجام شده است، اما هنوز مشکلات بهره برداری ناشی از آن در تصفیه خانه ها وجود دارد. این امر احتمالاً به دلیل وجود شرایط مختلفی است که باعث تکثیر مضاعف باکتری های فیلامنتوس می شود. بسیاری از باکتری های فیلامنتوس در محیط کشت خالص وجود ندارند و این امر مانع از انجام مطالعات اختصاصی در مورد این ارگانیزم ها می شود.

یکی از دلایل فقدان یک راه حل مناسب عمومی برای رفع مشکل بالکینگ لجن، عدم اجماع در این است که روش مورد نظر در کدام مرحله از تصفیه باید مورد استفاده قرار گیرد. روش اصلی که در متون علمی یافت می‌شود شامل یافتن و تعیین گونه باکتری فیلامنتوس در بالکینگ لجن می باشد. پژوهشگران امید دارند که با مطالعه و درک شرایط اکوفیزیولوژیکی باکتری های فیلامنتوس (در محیط کشت خاص و یا بکار بردن روش های در محل، مانند میکرواتورادیوگرافی: MAR)، راه حلی برای جلوگیری از رشد گونه خاص فیلامنتی یافت شود.

راهبرد دیگر، تشخیص مشخصات عمومی مورفولوژی سلولی  می باشد. شناخت تاثیر مرفولوژی سلولی بر روی اکولوژی باکتریایی می تواند منجر به کشف یک راه حل مستقل از گونه باکتریای موجود، شود. در این روش وجود یک گونه خاص از باکتری های فیلامنتوسی در واقع یک مشکل ثانویه است. بنابراین مشکل این است که مهندسان فرایند به خوبی از میکروبیولوژی مورد نیاز برای حل مشکل آگاه باشند و این راه حل از طریق بررسی یک یا دو مورد که در شرایط ایزوله بررسی شده اند، به دست نمی یابد.

جنبه های تاریخی

در این بخش تنها بر روی چند حقیقت تاریخی مهم که برای فهم مشکل بالکینگ لجن لازم است می پردازیم.

فرایند لجن فعال در اوایل سال 1900 میلادی در انگلستان توسط Ardern و Locket توسعه داده شد. در ابتدا فرایند به شکل پر و خالی شونده (Batch) بود و طولی نکشید که به صورت سیستم پیوسته مورد بهره برداری قرار گرفت. با وجود این که در سیستم پیوسته  تناوب وقوع مشکل ته نشینی بیشتر است، امّا این سیستم عمومیت بیشتری پیدا کرده و در تمام جهان گسترش یافتند.

Donaldson در سال 1932 دریافت که اختلاط ضمنی در مخزن هواده با جریان پیستونی، بر رفتار هیدرولیکی و رژیم سوبسترا تاثیر گذاشته و شرایط اختلاط کامل را فراهم می کند، که این امر فاکتور مهمی در بهبود وضعیت بالکینگ لجن می باشد. به عنوان یک اقدام اصلاحی Donaldson پیشنهاد داد که برای بهبود وضعیت لجن برای ته نشینی خوب، مخزن هوادهی به بخش‌های مختلفی تقسیم شود (مانند راکتور با جریان پیستونی).

با این حال، طراحی سیستم لجن فعال با تغذیه پیوسته و با اختلاط کامل هنوز ترجیح داده می شود. مشخصاً منافع این سیستم در مرحله ساخت برای مهندسان عمران بر منافع مهندسی فرایند در مرحله بهره برداری، غلبه می کند. بحث بر روی تاثیر الگوی تغذیه راکتور روی قابلیت ته نشینی لجن در دهه 70 مجدداً شروع شد. مطالعات، مزیت مخازن مجزا با الگوی جریان پیستونی نسبت به سیستم تغذیه پیوسته با اختلاط کامل را نشان می دادند که توصیه های Donaldson  را تایید می‌کرد.

Pasveer در سال 1959 به تکنولوژی اصلی پر و خالی شونده ی Ardern و Locket بازگشت و سیستم نهرهای اکسیداسیون (Ditch) یا استخر های پاسویر را توسعه داد. نهرهای اکسیداسیون پر و خالی شونده برای سال‌ها در اروپا محبوبیت زیادی داشتند، امّا یکباره خیلی زود تمامی سیستم ها به استخرها و نهرهای اکسیداسیون با جریان پیوسته و با مخزن ته نشینی مجزا با بازگشت جامدات، تبدیل شدند.Pasveer  طی دهه 60 نشان داد که تغذیه متناوب نهر های اکسیداسیون در ابعاد بزرگ، لجن با قابلیت ته نشینی بهتری نسبت به سیستم های اختلاط کامل با تغذیه دائم، تولید می کنند.

در دهه 70 Chudoba  و همکارانش و Rensink در سال 1974 راکتور های انتخاب کننده را توسعه دادند که گسترده ترین وسیله برای مهندسان فرایند به منظور کنترل بالکینگ لجن می باشد. اگرچه که استفاده از انتخاب کننده ها موفق بوده و مشکلات بالکینگ را کاهش می دهد، ولی در بسیاری از سیستم های لجن فعال هنوز گزارش هایی از عدم موفقیت این سیستم داده می شود.

رابطه بین مورفولوژی و اکوفیزیولوژی

یکی از پیچیده ترین سوالات در مورد بالکینگ لجن رابطه بین مرفولوژی میکروبی، فیزیولوژی و سینتیک سوبسترا است و این که چقدر این امر به تسلط باکتری های فیلامنتوس در لجن فعال مربوط می شود. آیا مکانیزم عمومی برای توضیح رشد باکتری های فیلامنتوس وجود دارد یا این که هر میکروارگانیسم فیلامنتوس نیاز به شرایط فیزیولوژیکی، مورفولوژیکی، سینتیکی و طبقه بندی علمی خاصی برای توضیح و توسعه استراتژی های کنترل بالکینگ لجن فعال دارد؟ آیا امکان طراحی شرایط راکتور که بتواند از تکثیر بیش از حد فیلامنتوس ها جلوگیری نموده و هنوز هم بتواند به کیفیت خروجی مورد نیاز بیولوژیکی دست پیدا کند، وجود دارد؟

حتی اگر در بعضی از تصفیه خانه ها هیچ گاه بالکینگ لجن مشاهده نشود، برای دهه ها دانشمندان، مهندسان و میکروبیولوژیست ها در یافتن جواب اساسی به این سوالات بازمانده اند. هر چند، برخی از روابط را می توان در این مورد بکار برد که در ادامه به آن ها می پردازیم.

روش میکروبیولوژیکی

 

عدم موفقیت در یافتن راه حل عمومی برای کنترل بالکینگ لجن بسیاری از محققان را به سمت مطالعه جمعیت میکروبی و جستجوی برای یافتن باکتری های فیلامنتوس غالب که مسئول بالکینگ هستند، سوق داده است. از این رو کلیدهای شناسایی برای تشخیص باکتری های فیلامنتوس بر اساس مشخصات میکروسکوپی، بسط داده شده است.

با وجود محدودیت هایی که این روش های شناسایی دارند، یک وسیله سیستماتیک هستند که توسط آن ها می‌توان با اطمینان نسبی، فیلانتها را شناسایی نمود. قدم بعدی یافتن ارتباط بین غالب ترین فیلامنتوس و نوع فیزیولوژی و شرایط عملکردی آن است (نظیر غلظت اکسیژن محلول یا DO، نسبت غذا به میکروارگانیزم یا F/M، و غیره).

به عبارت دیگر تعیین این شرایط برای مشخص کردن استراتژی خاص برای کنترل فیلامنتوس ها است. توزیع میکروارگانیزم های فیلامنتوس به طور مشخص با منطقه ژئوگرافیکی و تغییرات فصلی، تغییر می‌کند که نتایج بدست آمده از پژوهش ها نشان می دهد که میکروتریکس پارویسلا (Microthrix Parvicella)  و گونه 0092 و 0041/0675، عمده ترین نوع ریخت شناختی و مرفولوژی فیلامنتوس ها هستند که مسئول بالکینگ ایجاد شده در حذف بیولوژیکی نوترینت ها (BNR) در سیستم های لجن فعال می باشند. همچنین این تحقیقات نشان داد که در فصل زمستان و بهار به دلیل فراوانی بیشتر Microthrix Parvicella تناوب وقوع بالکینگ نسبت به تابستان و پاییز بیشتر است. همچنین تایید شده که گونه 021N ، گونه 0961، Sphaerotilus natans و Thiothrix sp با مراحل انوکسیک و بیهوازی تحت عنوان سیستم های متداول دنیتریفایر و bio-P  (روش های بیولوژیکی حذف فسفر)، قابل کنترل هستند.

هر چند که به نظر می رسد که این شرایط برای میکروارگانیزم های غالب در حذف بیولوژیکی نوترینت ها نا کافی است. گونه ریختی باکتری‌های فیلامنتوس که در سیستم های حذف نوترینت بیولوژیکی یافت می شوند معمولاٌ گرم مثبت هستند که نشان می‌دهد که بیشتر مشخصه هیدروفوبیکی یا آبگریزی دارند که سطح سلول آن ها به راحتی مواد با حلالیت کم را جذب می نماید. هر چندکه علت غنی بودن سیستم های با بار کم با باکتری های تشکیل دهنده لخته گرم مثبت، مشخص نیست.

جدول (1.1) گروه های پیشنهادی مدل گونه ریختی میکروارگانیزم های فیلامنتوس (Wanner and Grau,1989;Jenkins et al , 1993)

 

طی دهه 90 روش های مولکولی بر مبنای آنالیز DNA و RNA در مورد فرایند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب به خدمت گرفته شد. توسط این روش ها امکان تعیین صحیح جمعیت باکتری های فیلامنتوس وجود دارد. بنابراین توصیه می شود زمانی که این ارگانیزم ها در فاضلاب حضور دارند، برای مطالعه بالکینگ لجن از روش های خاص شناسایی ژنی استفاده شود. این روش ها هم از طریق تعیین مشخصات باکتری های فیلامنتوس و هم تعیین شرایط بهره برداری و کنترل صحیح (مانند راکتور های انتخابی) که یکی از چالش های بزرگ کنترل بالکینگ لجن است، صورت می پذیرد.

راهبرد مرفولوژیکی – اکولوژیکی

رشد باکتری های فیلامنتوس در دو مسیر بر اساس حق تقدم خاصی انجام می شود. این مشخصه مرفولوژیکی به طور مشخص مزایای رقابتی برای ارگانیزم های فیلامنتوس تحت شرایط محدودیت سوبسترا ایجاد می کند (مقاومت دیفیوژنی محیط). پیش بینی می شود که این ارگانیزم ها سرعت رشد ظاهری بالاتری دارند و در رقابت با سایر ارگانیزم ها پیروز می شوند، به این دلیل که به راحتی به حجم سوبسترا مایع دسترسی دارند. موردی که در بالا ذکر شد با برخی از مطالعاتی که رشد مازاد میکروارگانیزم های فیلامنتوس با مقاومت دیفیوژنی داخلی لخته های بیولوژیکی ارتباط می دهد، در یک راستا قرار دارند.

آن چه که از این دیدگاه ها مشخص است این است که شرایط مرفولوژیک ارگانیزم، به آن مزیت های اکولوژیکی می‌بخشد. همچنین این دیدگاه ها نشان می دهد که در شرایط غیر بالکینگ نیز امکان حضور باکتری های فیلامنتوس در داخل لخته وجود دارد. چنان چه که محدودیت سوبسترا رخ دهد، این ارگانیزم ها به سرعت به بیرون از لخته ها رشد می کنند. این طور به نظر می رسد و ادعا می شود که حضور فیلامنت ها در لجن فعال ساختار و اسکلت اساسی لخته های لجن را می سازند.

شناسایی و تعین خصوصیات باکتری های فیلامنتوس

به طور کلی پایه فهم و تشخیص مشخصات بالکینگ لجن بستگی به شناخت مناسب باکتری های فیلامنتوس موجود، دارد. در ادامه به طور خلاصه به این مطلب می پردازیم.

خصوصیات میکروسکوپی در برابر روش های مولکولی

بسیاری از باکتری ها هنوز شناخته شده نیستند و از لحاط علمی طبقه بندی نشده اند. بنابراین، این باکتری ها در دستورالعمل های استاندارد میکروبیولوژیکی مانند دستورالعمل باکتریولوژیک نظامند Bergey، وجود ندارد.Eikwlboom  اولین کلید شناسایی برای تشخیص باکترهای فیلامنتوس در سیستم های لجن فعال را توسعه داد. این روش شناسایی به طورکلی بر اساس مشخصات مرفولوژیک و پاسخ باکتری فیلامنتوس به برخی از آزمون های رنگی میکروسکوپیک، می باشد. این دستورالعمل، شامل تکنیک ها و کلید های شناسایی که در یک دستورالعمل تشخیص میکروسکوپیک لجن جمع آوری شده است می باشد که تفاوت های جزیی با دستورالعمل Jenkins و همکارانش دارد، که به عنوان مرجع جهانی برای شناسایی باکتری های فیلامنتوس شناخته می شود.

اگر چه این نوع روش های شناسایی بسیار کاربردی هستند امّا محدودیت های خاص خود را نیز دارند. به عنوان مثال، بسیاری از باکتری های فیلامنتوس (مانند گونه های Sphaerotilus natans,1701,0092,0961) می‌توانند در واکنش به تغییرات در شرایط محیطی از لحاظ مرفولوژی تغیر کنند و حتی اگر برخی از آن ها از لحاظ مرفولوژیک تغییر نکنند ولی احتمالاً به طور مشخص، فیزیولوژی و طبقه بندی آن ها متفاوت خواهد بود.

شناسایی میکروسکوپیک باکتری های فیلامنتوس بر اساس ریخت شناسی است که توسط یک فرد کاملاً مجرب و آموزش دیده انجام می شود; به عبارت دیگر امکان اشتباه زیادی وجود دارد. به علاوه، حدود 40 گونه باکتری فیلامنتوس نیز اخیراً در مطالعات سیستم های لجن فعال صنعتی شناسایی شده است که شناسایی باکتری های فیلامنتوس را سخت تر هم می کند.

شناسایی سخت و گمراه کننده که در تکنیک های سنتی میکروسکوپیک وجود داشت، منجر به استفاده از روش های مولکولی در تحقیقات شد. روش های مولکولی بر اساس آنالیز DNA و RNA باکتری ها به سرعت رشد و گسترش یافت. برای لجن فعال روش هایی به صورت متداول ارائه شده است. در واقع برای تعین خصوصیات پیچیده جمعیت میکروبی، Rrna 16s باکتری ها مورد استفاده قرار می گیرد.

فیزیولوژی باکتری های فیلامنتوس

همان طور که پیش تر ذکر شد، بیشتر باکتری های فیلامنتوس به دلیل مشکلات ناشی از کشت باکتریایی، به سختی تشریح می شوند. پیشرفت های اخیر در مورد ترکیب اتورادیوگرافی با هیبریدسازی فلوئرسنت در محل (FISH) ، شناسایی دقیق فیزیولوژی باکتری های فیلامنتوس را نوید می دهند. باید توجه داشت که رابطه مشخصی بین مرفولوژوی فیلامنتوس ها و فیزیولوژی آن ها وجود ندارد.

یک مشکل که معمولاً با آن مواجه می شویم این است که اطلاعات فیزیولوژیکی قدیمی برای تشریح مرفولوژی باکتری های فیلامنتوس استفاده می شد، احتمالاً از نظر ژنتیکی، باکتری هایی که بررسی می شدند، نامرتبط به هم با تفاوت های فیزیولوژیکی زیاد با یکدیگر بودند که در نتیجه اطلاعات فیزیولوژیکی قدیمی (مانند گونه Nostocoida Limicola) ممکن است صحیح یا غلط باشند. بنابرلین اطلاعات فیزیولوژیکی قدیمی باید با احتیاط تفسیر شوند و مطالعات آتی بر روی فیزیولوژی باکتری ها باید به طور واضح طبقه بندی ارگانیزم های مورد مطالعه را نشان دهد.

برخی از مطالعات فیزیولوژیکی بر روی محیط کشت خالص باکتری های شیمیوهتروتروف نشان می دهد که بیشتر آن ها دارای متابولیسم با تنفس هوازی می باشند که در آن اکسیژن به عنوان الکترون گیرنده نهایی عمل می‌نماید. بر اساس اطلاعاتی که فعلاً در دسترس داریم،  تنها گونه های 00961، 1863، 1851 و  Nostocoida Limicola قابلیت متابولیسم تخمیری را دارا هستند و از اینرو احتمال وجود مزایای رقابتی در این سیستم ها در مرحله بی هوازی وجود دارد. به هر حال، اعتقاد بر این است که جزء کوچکی از جمعیت میکروبی را این گونه‌ها تشکیل می دهند و عموماً باعث ایجاد بالکینگ لجن نمی شوند.

برخی از باکتری های فیلامنتوس مانند Microthrix parvicella ، Sphaerotilus natans ،Thiothrix spp ، گونه 021N و گونه 1851 ، قادر به استفاده از نیترات به عنوان الکترون گیرنده هستند و نیترات را به نیتریت احیاء می کنند، امّا نرخ مصرف سوبسترا و دنیتریفیکاسیون برای باکتری های فیلامنتوس (گونه های 021N و Thiothrix spp) که مورد آنالیز قرار گرفتند بسیار کمتر (بیش از 80 برابر) از باکتری های تشکیل دهنده لخته می باشد.

گونه 0092، یک گونه باکتری فیلامنتوسی است که در بسیاری از سیستم های حذف مواد مغذی لجن فعال جزء گونه های غالب است که به نظر می رسد توانایی استفاده از نیترات به عنوان الکترون گیرنده را ندارند. به علاوه، در مورد Microthrix parvicella گزارش شده که قادر به تحمل شرایط انوکسیک نمی‌باشد. با استفاده از این اطلاعات فیزیولوژیکی بدست آمده، منطقه تماس انوکسیک برای کنترل بالکینگ لجن به خصوص بالکینگی که به واسطه گونه 021N و Sphaerotilus natans ایجاد می شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. از بین غالب ترین باکتری های فیلامنتوس که در حذف نوترینت ها در سیستم لجن فعال حضور دارند تنها گونه 0092 و Microthrix parvicella در محیط کشت خالص رشد می کنند و با مشکلات قابل توجهی در ایزولاسیون مورد دوم مواجه می شویم.

به نظر می رسد Microthrix parvicella  مشکل سازترین ارگانیزم در فرایندهای بیولوژیکی حذف نوترینت ها باشند که اظهار می شود که رفتاری مشابه باکتری های ذخیره کننده فسفات یا گلایکوژن دارند. تفاوت اصلی این باکتری با دو گونه ذکر شده در تخصص این باکتری در مورد اسیدهای چرب بلند زنجیره نسبت به اسیدهای چرب فرّار است. این ارگانیزم برای سنتز پروتئین نیاز به ترکیبات احیاء شده سولفور دارد و به عنوان میکروآئروفیلک شناخته می شوند. زمانی که شرایط انوکسیک یا بیهوازی- انوکسیک برای حذف بیولوژیکی نوترینت ها شبیه سازی می شود، M.parvicella می تواند تکثیر شود. در واقع مشاهده شده که انتخاب کننده ها (راکتورهای انتخاب کننده) توانایی حذف بالکینگ ناشی از M.parvicella را تحت شرایط انوکسیک – هوازی را ندارند.

زمانی که در یک سیستم مجهز به انتخاب کننده، در راکتور اصلی شرایط کاملاً هوازی فراهم شود، بالکینگ ناشی از M.parvicella به خوبی کنترل می شود، این در حالی است که یک سیستم انوکسیک – هوازی، باعث رشد مضاعف M.parvicella در راکتور اصلی می شود. این تجربیات آزمایشگاهی با نتایج ارزیابی سیستم های با ابعاد واقعی توسط Kurit و همکارانش در سال 2002 تایید شد. آن ها نتیجه گرفتند که راه مقابله اصلی با بالکینگ لجن ناشی از M.parvicella، وجود مراحل هوادهی و انوکسیک (بدون اکسیژن قابل تشخیص) می باشد.

یک فرضیه دیگر برای تکثیر M.parvicella و باکتری های فیلامنتوس مشابه توسط Casey و همکارانش ارائه شد. M.parvicella تنها قادر به دنتیریفیکاسیون نیترات به نیتریت می باشد، در حالی که هتروتروف های معمولی قادر به دنیتریفیکاسیون کامل نیترات به گاز نیتروژن اکسید هستند. در غلظت های پایین اکسیژن محلول (که در تغییر و انتقال از شرایط انوکسیک به هوازی و یا در مراحل دنیتریفیکاسیون همزمان، رخ می‌دهد)، آخرین آنزیم هایی که در مسیر واکنش دنیتریفیکاسیون وجود دارند، از تشکیل N₂O یا NO باز می‌مانند.

تئوری های متداول شایع برای توضیح بالکینگ لجن

محققان فرضیه های مختلفی را به امید آن که بتوانند توضیح عمومی برای مشکل بالکینگ لجن بیایند، فرموله کرده اند. متاسفانه، هیچکدام از آن ها نتوانستند به یک راه حل مفهومی دست یابند. علاوه بر این، بیشتر این فرضیه ها فاقد تاییدات تجربی و آزمایشگاهی هستند. با این حال، این فرضیه ها قالب کاری اساسی تئوریکی برای فهم و شیوه برخورد با بالکینگ لجن را ارائه می دهند که در ادامه به بحث در مورد آن می پردازیم.

انتشار بر اساس انتخاب

چندین محقق به تاثیر مرفولوژی باکتری های فیلامنتوس در مصرف سوبسترا در غلظت های کم مواد مغذی و اکسیژن اشاره کرده اند. تا دهه 70 میلادی تصّور بر این بود که رقابت بین باکتری های فیلامنتوس و غیر فیلامنتوس  تنها به نسبت سطح به حجم (A/V) بالاتر در باکتری های فیلامنتوس مربوط می شود. فرض بر این بود که به دلیل نرخ انتقال جرم، به خصوص در غلظت پایین سوبسترا، نسبت A/V بالا یک مزیت بزرگ برای ارگانیزم هایی با A/V بالاتر محسوب می شود .در غلظت های پایین سوبسترا این امر منجر به نرخ رشد نسبی بالاتر می شود.

در تئوری های بعدی اظهار شد که فیلامنت ها می توانند به راحتی به خارج از لخته ها نیز نفوذ کنند. زمانی‌که لخته ها در سوبسترا با غلظت کم تشکیل می شوند، باکتری های فیلامنتوس در داخل لخته ها می توانند دسترسی بیشتری به غلظت های بالاتر سوبسترا نسبت به میکروارگانیزم های تشکیل دهنده لخته در داخل لخته، داشته باشند. شیب غلظت کم سوبسترا درون لخته ها به صورت تئوریکی پیش بینی شدند و به صورت تجربی در لخته‌های لجن نیز مشاهده شدند. بعد ها Martins و همکارانش در سال 2004 این تئوری را با مقایسه رشد لخته ها و رشد بیوفیلم، توسعه دادند.

Van Lossdrecht  و همکارانش در سال 1995 و Picioreaanu و همکارانش در سال 1998 اذعان داشتند که شرایط غالب بر انتشار (مانند غلظت های کم سوبسترا)، ساختار فیلامنتوس ها و بیوفیلم را به سمت بیرون از لخته گسترش می دهد. در غلظت های بالای سوبسترا، رشد به هم فشرده و هموار بیوفیلم، افزایش می یابد.Ben-Jacob  و همکارانش در سال 1994 نشان دادند که ریخت شناسی با مرفولوژی کلونی یک محیط کشت خاص نیز به شیب بسیار آرام سوبسترا همراه با غلظت های پایین سوبسترا منجر به رشد کلونی گون های فیلامنتوس می شود. بنابراین غلظت پایین سوبسترا می تواند منجر به منبسط و فیلامنتوسی یا رشته ای شدن لخته شود. باکتری های فیلامنتوس با چنین ساختاری به خوبی متناسب باشند.

تئوری سینتیک انتخابی

Donaldson و Chudoba و همکارانش در سال 1993 به شکل مشابه، مشخصات ته نشینی را با مشخصات اختلاط در مخزن هوادهی لجن فعال مرتبط دانستند.Chudoba  و همکارانش با استفاده از محیط های کشت مخلوط با سوبسترا مشخص، تحت شرایط کنترل شده آزمایشگاهی نشان دادند که سیستم هوادهی با درجه اختلاط محوری کم و شیب غلظت بالاتر سوبسترا، رشد باکتری های فیلامنتوس را متوقف کرده و منجر بهبود ته‌نشینی لجن می گردد. محققان نتیجه گرفتند که علت اولیه انتخاب میکروارگانیزم ها در محیط کشت مخلوط، شیب بالای غلظت در قسمت ورودی سیستم می باشد.

بر اساس این نتایج، Chudoba و همکارانش تئوری سینتیک انتخابی را برای توضیح وقوع و یا سرکوب باکتری‌های فیلامنتوس درون سیستم لجن فعال، فرموله کردند. توضیح این تئوری بر اساس انتخاب یک معیار برای محدود سازی محلول سوبسترا توسط باکتری های تشکیل دهنده فلوک و فیلامنتوس ها بود. Chudoba و همکارانش فرض کردند که میکروارگانیزم های فیلامنتوس، ارگانیزم هایی با رشد کند هستند که می توان خصوصیات آن ها را به صورت نرخ رشد حداکثر (µmax) و ضریب نیم اشباع (Ks) پایین تر از باکتری های تشکیل دهنده لخته، متمایز نمود.

در سیستم هایی که غلظت های سوبسترای کمی (به صورت متداول C_s˂Ks) در حالت جریان کاملاً مخلوط با تغذیه پیوسته دارند، باکتری های فیلامنتوس نرخ رشد ویژه بالاتری نسبت به باکتری های تشکیل دهنده فلوک دارند، بنابراین در رقابت مصرف سوبسترا پیروز خواهند شد. در سیستم‌هایی با غلظت بالای سوبسترا در راکتورهای با جریان پیستونی و نوع سیستم SBR، بدلیل این که نرخ رشد ویژه باکتری های فیلامنتوس در این شرایط کمتر از باکتری های تشکیل دهنده لخته می باشد، انتظار می‌رود که فیلامنتوس ها متوقف شوند.

مطالعات انجام شده بر روی محیط کشت خالص با برخی از باکتری های فیلامنتوس (نظیر Spaerotilus natans، Haliscomentobacter hydrossis، گونه 1701، گونه 021N،Microthrix parvicella ) و باکتری های تشکیل دهنده لخته (Arthrobacter globiformis، Zoogloea ramigera) این تئوری را تایید کردند. هرچند که این سوال پیش می آید که آیا باکتری های تشکیل دهنده لخته، نماینده کل سیستم لجن فعال می باشند؟ تحقیقات مولکولی نشان داد که معمولاً باکتری های غیر غالب از لجن فعال در (محیط کشت) رشد پیدا کرده اند. اخیراً تکنیک هایی بر اساس MAR عددی و FISH برای اندازه گیری در محل سینتیک فیلامنتوس ها (Candidatus Meganema perideroedes  و Thiothrix sp.) توسعه داده شده و بکار برده شده اند. این راهبرد، امکان استفاده بر روی سایر فیلامنتوس ها و غیر فیلامنتوس ها را نوید می دهد.

تا کنون کسی به طور واضح نتوانسته به طور کلی نشان دهد که نرخ رشد حداکثر باکتری های فیلامنتوس پایین تر از سایر باکتری های موجود در لجن فعال است. هر چند که هیچ توضیح تئوریکی نیز برای چرایی تاثیر مرفولوژی باکتری های فیلامنتوس در نرخ پایین تر رشد آن ها، ارائه نشده است. مقادیر کلی Ks پایین تر برای باکتری های فیلامنتوس که در تئوری سینتیک انتخابی مطرح شد نیز هنوز برای موارد عمومی به اثبات نرسیده است.

اگر Ks به عنوان خصوصیتی از آنزیم های مصرف کننده سوبسترا در نظر گرفته شود، باز هم به نظر می‌رسد که رابطه مستقیمی بین Ks و مرفولوژی فیلامنتوس ها وجود ندارد. حتی اگر Ks به عنوان یک پارامتر انتقال جرم ظاهری که انتقال جرم به داخل سلول را تشریح می کند، در نظر گرفته شود در نتیجه انتشار مذکور بر اساس تئوری A/V، Pipes خواهد بود و با تئوری سینتیک انتخابی مطابقت خواهد داشت. به هر حال درون لخته ها، مقدار Ks بر اساس حجم مایع اندازه گیری شده، قطعاً ضریب ظاهری است که با مرفولوژی لخته ها تحت تاثیر قرارمی گیرد.

هر چقدر مقاومت در برابر انتشار بیشتر باشد (لخته های بزرگتر و چگال تر)، مقدار Ks اندازه گیری شده ظاهری نیز بالاتر است. این بدان معنی است که برای باکتری های فیلامنتوس در حال رشد به سمت بیرون از لخته، مقدار Ks ظاهری در مقایسه با باکتری های داخل لخته، کمتر است. بر اساس این استدلال، تئوری انتشار و تئوری سینتیک انتخابی با هم ارتباط دارند که در واقع هر دو تئوری دو روی یک سکه هستند; و در نتیجه توانایی تشریح و توضیح یکسانی دارند. 

آزمایشی توسط Martins و همکارانش در این زمینه انجام شد که نشان داد هر دو تئوری می توانند صحیح باشند. زمانی که باکتری ها در محیط حاوی نشاسته کشت داده می شوند، غلظت سوبسترا محلول همواره پایین است. محصولات حاصل از هیدرولیز (مالتوز) به طور مستقیم از طریق فعالیت رشد سلولی، مصرف می شود. در این مورد سوبسترا با غلظت پایین امّا بدون ایجاد گرادیان غلظتی در سوبسترا، مصرف می شود، به این دلیل که نشاسته درون لخته هیدرولیز می شود نه در حجم مایع موجود.

در این مورد لجن با قابلیت ته نشینی خوب ایجاد می شود (بر اساس تئوری انتشار) امّا غالباً این لخته ها توسط سلول های nostocodia  تشکیل شده اند (بر اساس تئوری سینتیک انتخابی). این مشاهدات می تواند نشان دهد که رقابت بین فیلامنتوس ها و سایر باکتری ها به خوبی توسط تئوری سینتیک انتخابی تشریح می شود، امّا مرفولوژی لخته ها مانند سیستم های بیوفیلمی بستگی به ایجاد گرادیان انتشار دارد.

تئوری انتخاب ذخیره ای

به طور کلی میکروارگانیزم های غیر فیلامنتوس از خود قابلیت ذخیره سوبسترا تحت شرایط غلظت بالای سوبسترا از خود نشان می دهند. احتمالاً این قابلیت به باکتری های فیلامنتوس یک مزیت اضافی در سیستم های لجن فعال بسیار پویا و فعال نظیر راکتورهای با جریان پیستونی، SBR و سیستم های انتخابی، می دهد.

اگرچه، مطالعات اخیر نشان می دهد که لجن حجیم شده می تواند توانایی ذخیره مشابه یا حتی بالاتر نسبت به لجن با قابلیت ته نشینی خوب را داشته باشد. مطالعات بر روی محیط های کشت خالص و مخلوط نیز توانایی بالای ذخیره در برخی از باکتری های فیلامنتوس نظیر Microthrix parvicella در تمامی شرایط محیطی را، نشان می دهد (هوازی، بیهوازی و انوکسیک). مواد ذخیره شده قابلیت مصرف برای متابولیسم برای تولید انرژی یا ساخت پروتئین را تحت شرایط قحطی دارند، که می تواند بیانگر قابلیت ذخیره انتخابی برای این میکروارگانیزم‌ها در رقابت با سایر باکتری های فیلامنتوسی یا غیر فیلامنتوسی باشد.

ظرفیت ذخیره کمتر در باکتری های فیلامنتوس به طور مشخص را نمی توان به عنوان یک قانون قطعی در مکانیزم انتخابی برای باکتری های فیلامنتوس در نظر گرفت. اگر چه که ممکن است فرایند های ذخیره و تولید (فرسایش)، پارامتر های انتخاب اولیه نباشند، امّا فرایند های ذاتی هستند که نقش کلیدی در سیستم های انتخابی، بازی می کنند. در نتیجه در تشریح فرایند متابولیسم که هم در سیستم های بالکینگ و هم غیر بالکینگ وجود دارد، در نظر گرفته می شوند.

اقدامات مفید و درمانگر

به طور اساسی دو استراتژی شامل روش های مشخص و نا مشخص،  برای کنترل بالکینگ به کار می رود. روش‌های نا مشخص شامل تکنیک هایی نظیر کلریناسیون، ازوناسیون و استفاده از هیدروژن پراکسید می‌باشد. قاعده کلی کاربردی این روش ها بسیار ساده است: باکتری های فیلامنتوس عامل ایجاد بالکینگ لجن بیشتر در قسمت خارجی لخته ها قرار دارند در نتیجه نسبت به باکتری های تشکیل دهنده لخته، بیشتر در معرض مواد اکسید کننده قرار می گیرند. باید توجه داشت که این توضیح در راستای فرضیه انتشار یا دیفیوژن برای رقابت بین باکتری‌های فیلامنتوس، قرار دارد.

کلرزنی به طور گسترده در ایالات متحده مورد استفاده قرار می گیرد و دستورالعمل های مربوط به کاربرد صحیح آن نیز به خوبی مستند سازی شده است. کاربرد کلرزنی در اروپا به واسطه نگرانی های محیط زیستی در رابطه با پتانسیل تشکیل محصولات جانبی خطرناک نظیر ترکیبات آلی هالوژنه، محدود شده است. جنبه منفی دیگر این است که، باکتری های با سرعت رشد پایین مانند نیتریفایرها در مواجهه با اکسیدان ها، زمان بیشتری برای بازیابی نیاز دارند، که می تواند منجر به کاهش پتانسیل کیفیت خروجی شود. بعلاوه روش های نا مشخص علت رشد بیش از حد میکروارگانیزم ها را حذف نمی کنند و فقط اثر موقتی دارند.

این مورد در رابطه با روش های کنترل کوتاه مدت مانند برگشت مجدد بیومس از زلال ساز به مخزن هوادهی و یا افزایش نرخ لجن دفعی نیز صادق است. روش های مشخص در واقع روش های پیش گیرانه‌ای هستند که هدف آن ها کمک به رشد ساختار باکتری های تشکیل دهنده لخته در گستره ای از ساختار باکتری های فیلامنتوس می باشد. چالش اصلی در رسیدن به این هدف، یافتن محیط مناسب درون تاسیسات تصفیه لجن فعال است. بدلیل موفقیت در استفاده از روش های کنترل بالکینگ در سیستم لجن فعال توسط پیش تصفیه به طور دائم، باید این روش ها توسعه داده شده و با توجه خاصی مورد استفاده قرار گیرند.

تا به اکنون اقدامات پیشگیرانه برای بالکینگ لجن بر اساس آگاهی از فیزیولوژی و یا سینتیک انواع باکتری‌های فیلامنتوس نبوده است. این در حالی است که تاکید زیادی به مطالعه برای تعیین و تشخیص باکتری های فیلامنتوس حاضر (در محیط) شده است. به نظر می رسد که تعمیم اقدامات پیشگیرانه  با مصرف بالای سوبسترا قابل تجزیه بیولوژیکی در غلظت های بالای سوبسترا، هم راستا است.

این بدان معنی است که تا مصرف COD قابل تجزیه بیولوژیکی، نیاز به ورود فاضلاب ورودی به سیستم لجن فعال از نوع جریان پیستونی می باشد، سپس می توان از یک مخزن با رژیم هیدرولیکی اختلاط کامل استفاده کرد. مصرف اکسیژن در غلظت های پایین منجر به نتایج مشابه آنچه که برای COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی در بالکینگ لجن رخ می دهد، می شود.

غلظت سوبسترا موثر را باید با ضریب نیم اشباع برای سوبسترا، مرتبط دانست، بنابراین در اینجا از نسبت بین نرخ سوبسترای حقیقی و سوبسترای حداکثر استفاده می شود. به نظر می رسد ثابت اکسیژن محلول تنها وابسته به زمانی است که سوبسترا با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا وجود دارد. برای جلوگیری از بالکینگ، شرط لازم ایجاد یک جریان پیستونی برای بخش ورودی به فرایند لجن فعال همراه با توسعه یک انتخاب کننده است. هر دو تئوری برای بالکینگ لجن (A/V یا تئوری انتخاب انتشاری و همچنین تئوری انتخاب سینتیکی) این راهبرد را تایید می کنند.

انتخاب کننده

 

یک انتخاب کننده به عنوان بخش ورودی یک راکتور بیولوژیکی تعریف می شود که مشخصه های آن شامل عدد پراکندگی پایین و گرادیان بالای کافی غلظت سوبسترا می باشد. همچنین این بخش می تواند یک قسمت ورودی جداگانه از راکتور بیولوژیکی باشد که جریان ورودی و جریان برگشت لجن بالا را دریافت می کند و نرخ مصرف COD با قابلیت بالای تجزیه بیولوژیکی بالایی دارد و در این بخش تقریباً تمام COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی حذف می شود.

در انتخاب کننده ها مانند سایر سیستم ها، میکروارگانیزم ها در شرایط مختلف در دوره های با (دوره فراوانی) بدون (دوره قحطی) سوبسترای خارجی قرار می گیرند. یک سیستم با سیستم تغذیه پالسی یا ضربانی و یا تغذیه به روش ثابت (پر و خالی شونده) بعنوان یک انتخاب کننده ایده آل است.

نشان داده شد که در چنین سیستم هایی در مقابل بالکینگ لجن، ممکن است لجن دانه‌ای هوازی نیز تشکیل شود. درون انتخاب کننده ها میکروارگانیزم ها در شرایط رشد با نرخ بالا قرار می گیرند و قادر خواهند بود که سوبسترا را به عنوان محصول ذخیره درون سلولی درآورند (ذخیره کنند). باید یک دوره طولانی مدت بدون دسترسی به سوبسترای خارجی (نرخ رشد پایین یا شرایط قحطی) وجود داشته باشد (در مرحله هوازی) تا مجدداً سلول ها بتوانند ظرفیت ذخیره ی خود را ترمیم کنند.

انتخاب کننده ها به سرعت در سیستم های لجن فعال نصب شدند و هنوز هم به عنوان متداول ترین وسیله مهندسی، در سطح جهان برای جلوگیری از ایجاد بالکینگ لجن استفاده می شوند. با این حال، بعضاً هنوز گزارشاتی از عدم موفقیت در کنترل بالکینگ در این سیستم ها وجود دارد.

هنوز مشخص نیست که چنین عدم موفقیت هایی در نتیجه طراحی نا مناسب مخازن انتخاب کننده  در شرایط گذار در سیستم های تصفیه بیولوژیکی رخ می دهد و یا عوامل دیگری به نوعی، فعالیت درونی جمعیت (میکروبی) را تحت تاثیر قرار می دهد که به باکتری های فیلامنتوس توان رقابت (در این شرایط را) می دهد. به نظر می رسد که انتخاب کننده ها در کنترل بالکینگ حاصل از فعالیت M.parvicella در فرایند حذف بیولوژیکی نوترینت ها موفق نیستند، یا حداقل برای این کار کافی نیستند. انتخاب کننده های مختلف و روش‌های به دام‌اندازی در آن ها در ادامه به صورت مختصر شرح داده شده است.

انتخاب کننده های هوازی

تا پایان دهه 80 میلادی در بسیاری از کشورها تنها حذف مواد آلی کربنی (در فاضلاب) مورد نیاز بود و معمولاً سیستم های کاملاً هوازی با اختلاط کامل ترجیح داده می شدند. در ایالات متحده اکثر سیستم ها نرخ بارگذاری بالا و زمان ماند لجن (SRT) کمتر از 5 روز داشتند. در چنین شرایطی وقوع بالکینگ لجن عمدتاً بدلیل حضور و رشد بیش از حد باکتری های فیلامنتوس مانند نوع N021 و گونه 1701 بود. در اروپا و آفریقای جنوبی، تاسیسات با نرخ بارگذاری پایین مانند نهر های اکسیداسیون و سیستم های هوادهی گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

در دهه 90 میلادی قوانین مربوط به انتشار نوترینت ها به خصوص انتشار آمونیاک بویژه در اروپا و آمریکا، سختگیرانه تر شد. به عبارت دیگر برای تامین نیازهای تصفیه خانه های فاضلاب در این زمینه، به روز رسانی و توسعه به منظور ایجاد توانایی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی، انجام شد. سیستم های هوادهی، ارتقا داده شدند و برای حفظ باکتری های نیتریفایر در سیستم، مقدار SRT تا حدود 10روز افزایش دادند. به علاوه، سیستم هوادهی متناوب بدلیل توانایی در رسیدن به درجه ای مشخص از دنیتریفیکاسیون، بیشتر مورد استفاده قرار گرفتند. در چنین شرایطی بالکینگ لجن بیشتر ناشی از رشد و تکثیر بیش از حد گونه های Microthrix parvicella و گونه های 021N، 0041/0675، 0092 و 0581 بود.

این مشاهدات منجر به تعریف مفهومی به نام F/M پایین در گروه باکتری های فیلامنتوس توسط Jenkins و همکارانش شد. انتخاب کننده های هوازی یک بخش کوچک اختلاط (هوازی یا انوکسیک) یا منطقه تماس (بدون هوادهی) می باشد که برای کنترل بالکینگ لجن ناشی از رشد بیش از حد گونه های 021N، Thiothrix spp، Sphaerotilus natans و در برخی موارد Microthrix parvicella به کار می رود.

زمان تماس یک پارامتر طراحی متداول برای انتخاب کننده ها است که اثر خیلی قوی و غیر خطی بر قابلیت ته‌نشینی لجن دارد. هنگامی که زمان تماس کافی نباشد، سوبسترای محلول به طور کامل در منطقه تماس مصرف نمی شوند و به مخزن هوادهی اصلی منتقل می شوند. در این مورد رشد میکروارگانیزم های فیلامنتوس بدلیل مصرف سوبسترا با غلظت کم در مخزن هوادهی، اتفاق می افتد.

از طرف دیگر زمانی که زمان تماس، کمی طولانی باشد، غلظت سوبسترا ورودی به مخازن اختلاط کامل متداول کاهش می یابد که مناسب رشد میکروارگانیزم‌های فیلامنتوس است. تاثیر شدید، بزرگی یا کوچکی مخزن تماس بر روی شاخص حجمی لجن (SVI)، طراحی مناسب این واحد را مشکل می سازد.

در سیستم های با الگوی تغذیه متغیر، مانند دما، جریان و بار ورودی متغیر، مانند سیستم های تصفیه فاضلاب، یک طراحی خوب همواره کار بسیار مشکلی است و احتمالاً یکی از دلایل محتمل برای گزارش های متعدد از عدم موفقیت مخازن انتخاب کننده هوازی به همین دلیل است.

بنابراین، در عمل انتظار می رود که تنها سیستم های با جریان پیستونی به صورت یک کانال طویل (نسبت طول به عرض بیشتر از 10:1)، مخازن تماس چند بخشی، یا سیستم SBR با تغذیه نا پیوسته می تواند شیب غلظت زیاد سوبسترا و عملکرد مناسب در شرایط بسیار متغیر و پویا را تضمین کند. به علاوه، استقرار مناسب می تواند کارایی سیستم های لجن فعالی که از نظر سینتیکی محدود هستند را بهبود ببخشد.

نیاز به دستیابی به حداقل غلظت DO به عنوان تابعی از نرخ بار آلی محلول یا نرخ مصرف سوبسترا محلول در مخزن هوادهی در بسیاری از مطالعات و دیاگرام های کاری تایید و پیشنهاد شده است. اگرچه مدت زمان تماس پیشنهادی در یک مخزن انتخاب کننده هوازی بسیار کوچک است، مقدار اکسیژن مورد نیاز حدود 15 تا 30 درصد COD محلول حذف شده است. این امر بر اهمیت تامین اکسیژن کافی در انتخاب کننده های هوازی تاکید می کند.

اگر یک مخزن هوازی  چند بخشی (جریان پیستونی) نرخ هوادهی خیلی پایین داشته باشد، تاثیر منفی آن بر ته نشینی لجن می تواند بسیار بدتر از حالتی باشد که یک مخزن انتخاب کننده اختلاط کامل با طراحی بیشینه (خیلی بزرگ)، باشد. بعلاوه ،کنترل هوادهی بسیار حائز اهمیت است و در اولین بخش که مصرف اکسیژن بالاتری دارد باید سنسور هایی نصب گردد و برخی اوقات این سنسورها در بخش انتهایی انتخاب کننده هم ممکن است نصب گردد.

انتخاب کننده های بدون هوادهی

همانند انتخاب کننده های هوازی، تمام COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا باید در انتخاب کننده های انوکسیک و بیهوازی حذف شده و از ورود هر گونه COD با قابلیت تجزیه بالا به مرحله هوازی باید جلوگیری شود و در صورتی که این اتفاق رخ دهد یک مزیت برای باکتری های فیلامنتوس محسوب می شود. بعلاوه، اکسیژن و نیترات نباید در راکتور بیهوازی وجود داشته باشد و در راکتور انوکسیک نیز نباید تشکیل شوند.

همچنین برگشت جریان ممکن است ندانسته، مقادیری اکسیژن به این راکتورها اضافه کند. همچنین برای قطع EBPR و یا فعالیت دنیتریفیکاسیون، با حضور شرایط میکروآئروفیلیک در مراحل بیهوازی و یا انوکسیک، که بعنوان مثال می تواند منجر به انتشار اکسیژن درون سطح مایع شود و یا هوادهی لجن یا مایع جریان برگشتی در اسکرو پمپ ها یا در محل سرریزها می تواند باعث بدتر شدن خصوصیات ته نشینی لجن شود.

انتخاب کننده های انوکسیک

اولاً معیارهای طراحی انتخاب کننده های انوکسیک بر اساس نسبت COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا به نیترات ورودی به راکتور می باشد. این در حالی است که درون انتخاب کننده ها انتظار می رود که بخش قابل توجهی از COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا به محصولات ذخیره ای تبدیل شود و نسبت بالاتری به گستره متداول برای دنیتریفیکاسیون ارتباط مستقیم داشته باشد (حدود 7 تا 9 mg از COD  با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا به ازای هر mg از NO3-N). نوع اختلاط انتخاب شده در مقایسه با انتخاب کننده های هوادهی شده تاثیر کمتر داشته و یا کلاً بی تاثیر است.

طراحی انتخاب کننده های انوکسیک برای شرایط جریان پایدار و شرایط ویژه طراحی تا زمانی که میزان نیترات مازاد وجود دارد، انجام می شود. در سیستم های با ابعاد بزرگ، متعادل کردن بار نیترات با COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی، بدلیل تغییرات در میزان دنیتریفیکسیون در زلال ساز ثانویه ،کار مشکلی است.

دوره های با غلظت نیترات کم یا شرایط موقت بیهوازی در انتخاب کننده های انوکسیک، قابل انتظار است. این شرایط لزوماً برای مشخصات ته نشینی لجن مضر نیستند، به دلیل این که در یک انتخاب کننده بسته، امکان دارد که بخش مهمی از COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی زیاد توسط میکروارگانیزم های هتروتروف معمولی ذخیره شود یا توسط میکروارگانیزم های ذخیره کننده فسفر مصرف شوند (POAs) یا این که توسط ارگانیزم‌های ذخیره کننده گلایکوژن غیر فسفاته مصرف شوند (GAOs).

اگرچه ممکن است نشت COD قابل تجزیه بیولوژیکی به مخزن هوادهی و در نتیجه بالکینگ لجن به دلیل کاهش ظرفیت انتخاب کننده انوکسیک رخ دهد (به طور مثال در سیستم های اختلاط کامل). برای شناسایی عوامل کلیدی در رقابت بین میکروارگانیزم ها، تحقیقات بیشتری در این مورد نیاز است. در خلال طراحی قابل اطمینان یک انتخاب کننده انوکسیک در ابعاد واقعی، توصیه می‌شود که مطالعات پایلوتی انجام شده و سپس در ابعاد بزرگتر اجرا شود. تلاش برای کاهش بیشتر نیترات از خروجی، نیازمند برگشت جریان لجن است که مقادیر کمی از نیترات در خود دارد که همین امر موجب محدود شدن استفاده از انتخاب کننده های انوکسیک می شود.

انتخاب کننده های بی هوازی

تحت شرایط بی هوازی شدید (مانند فرایندهای نوع UCT)، سوبسترای محلول به خصوص اسیدهای چرب فرار و سایر سوبستراهای ساده تا حدودی مصرف شده و بخش اعظم آن ها ذخیره می شود. طراحی انتخاب کننده بیهوازی از نسبت نرخ COD قابل تجزیه بیولوژیکی مصرفی به نرخ فسفر آزاد شده که برای حذف فسفر لازم و ضروری است، تبعیت می کند که باید مطمئن شد در این شرایط هیچ COD قابل تجزیه بیولوژیکی وارد مخزن هوادهی اصلی نمی شود. این شرایط در سیستم های لجن فعال برای بهبود رشد PAOs ایجاد می شود.

هر چند که گروه دیگری از باکتری ها تحت عنوان GAOs هم می توانند به خوبی در چنین شرایطی تکثیر شوند. هر دو نوع باکتری ها قادر به مصرف سوبسترا محلول در مرحله بی هوازی بوده و آن را به شکل پلی‌هیدروکسیال‌کانوآتس (PHA) ذخیره می کنند. انرژی برای مصرف و ذخیره برگشت داده می شود که مکانیزم متفاوتی در هر دو گونه باکتری ها دارد. پلی فسفات در مورد PAOs و گلایکوژن برای GAOs استفاده می شود. این تفاوت متابولیکی انعطاف زیادی به انتخاب کننده های بیهوازی در حذف بار های آلی و استقلال در حذف فسفر را می دهد. بعلاوه، به رغم تفاوت PAOs و GAOs، هیچ باکتری فیلامنتوسی که چنین مکانیزمی را داشته باشد، شناسایی نشده است.

جدول (1،2) راهنمای پیشنهادی طراحی انتخاب کننده های هوازی، انوکسیک و هوازی در سیستم های تصفیه

علاوه بر این، لجنی غنی از باکترهای پلی P (پلی فسفات) معمولاً قابلیت ته نشینی بهتری بواسطه تشکیل پلی‌فسفات درون سلولی و خوشه ای چگال دارند و در ترکیب با ته نشینی شیمیایی فسفر حتی لجن غلیظ تری نیز تولید می کنند. به نظر می رسد که شرایط اختلاط در انتخاب کننده های بیهوازی مانند انتخاب کننده های انوکسیک، بحرانی نیست. همچنین این که خسارت و زیان انتقال COD به مرحله هوادهی کمتر از شرایط هوازی است; این بدان معنی است که طراحی انتخاب کننده های بیهوازی خیلی حساس نیست.

تحقیقات اخیر موفقیت انتخاب کننده بیهوازی در کنترل بالکینگ لجن را حتی زمانیکه Microthrix parvicella غالب ترین باکتری فیلامنتوس در محیط است، تایید می کنند. هر چند که همیشه از یک انتخاب کننده بیهوازی استفاده نمی شود. به عنوان مثال کاربرد این انتخاب کننده ها برای جریان دفعی غنی از ترکیبات سولفور، توصیه نمی شود. شرایط بیهوازی ممکن است برای تولید ترکیبات احیا شده سولفور مناسب باشد که در مرحله هوازی باکتری های اکسید کننده سولفور مورد استفاده قرار می گیرند.

مطالعات اخیر در هلند نشان می دهد که لجن با قابلیت ته نشینی خوب (SVI˂120 ml/g با مقدار متداول ml/g 100) در سیستم های حذف مواد مغذی بیولوژیکی در ابعاد واقعی، با بکارگیری صحیح انتخاب کننده های انوکسیک و بیهوازی با جریان پیستونی، قابل دستیابی است. عامل مهم بالقوه که منجر به قابلیت خوب ته نشینی لجن می شود، شامل تزریق جریان به واحد هوازی بعد از یک مرحله انوکسیک/بیهوازی برای کاهش همزمان غلظت آمونیوم (کمتر از mgN/l 1) و افزایش غلظت DO (بیشتر از mgO₂/l 5/1) بود. یک نمونه از سیستم تصفیه که بر پایه این ملاحظات طراحی می شود، روش BCFS® است که در حال حاضر به طور موفق در دوازده تصفیه خانه در هلند در ابعاد واقعی اجرا شده است.

مدل سازی ریاضی

به منظور مطالعه اکوسیستم های پیچیده، مانند محیط کشت لجن فعال که در آن عوامل مختلفی با هم عمل می‌کنند، مدل سازی ریاضی می تواند ابزار بسیار کاربردی باشد. علیرغم این که با جمعیت پویا و بسیار پیچیده‌ای در لجن فعال روبرو هستیم امّا پیشرفت های زیادی در این زمینه حاصل شده است. مدل های لجن فعال (ASM 1,2,2d ,3) توسط کارگروه IWA بر روی مدل سازی ریاضی برای طراحی و بهره برداری از سیستم های تصفیه بیولوژیکی، منتشر شده که نمونه هایی از مدل های کاربردی برای مطالعه پویایی جمعیت در سیستم های لجن فعال هستند.

همزمان با افزایش دانش ما از فیزیولوژی باکتری ها، مدل ها نیز  پیشرفت داده می شوند. یک نمونه، مشارکت فرایندهای ذخیره سازی در ASM 3 است. این اولین تلاش برای مدلسازی ذخیره متابولیسم پلیمری است و توضیح بهتر تغییرات و تبدیلاتی است که در انتخاب کننده ی چنین سیستم هایی رخ می دهد. همچنین اخیراً مدل های متابولیکی برای ایجاد ارتباط بهتر بین سینتیک و بیوشیمی ذخیره سازی، ارائه شده است و قطعاً در تشریح و مدلسازی فرایندهای متابولیکی که در انتخاب کننده ها وجود دارد، استفاده خواهند شد. با وجود این که جزئیات دقیق در این مدل ها، رشد باکتری های فیلامنتوس و در نتیجه بالکینگ لجن هنوز قابل پیش بینی نمی باشد.

مدل هایی که بتوانند خصوصیات ته نشینی لجن فعال را پیش بینی کنند در فاز های توسعه اولیه هستند. برخی از مدل های موجود، رشد باکتری های غیر فیلامنتوس و فیلامنتوس را با ملاحظه به این که دو گونه یا یک گروه رقابتی (مانند لخته سازها، فیلامنت ها، فیلامنت های با غلظت کم DO، فیلامنت های با F/M کم) برای یک نوع سوبسترا یا چند نوع سوبسترا (COD با قابلیت تجزیه بیولوژیک بالا یا COD با قابلیت تجزیه بیولوژیک پایین) وجود دارد، پیش بینی می کند.

اساساً این مدل ها به دو گروه تقسیم می شوند: یک گروه که به فیزیولوژی و سنتیک – بیوسینتیک باکتری ها توجه دارند و گروه دیگر که هم فیزیولوژی، سینتیک و مرفولوژی باکتری ها را در نظر می گیرند. انتقال انتشاری سوبسترا به درون لخته های لجن فعال یک مکانیزم مهم در رقابت بین باکتری‌های تشکیل دهنده فلوک و باکتری های فیلامنتوس می باشد.Kappeler  و Gujer در سال 1994 اظهار کردند که COD با قابلیت تجزیه بیولوژیکی بالا می تواند برای رشد میکروارگانزیم های فیلامنتوس بدلیل مقاومت انتشاری در لخته های بیولوژیکی، بسیار کمک کننده باشد.

آن ها یکپارچه سازی این رفتار را در مدل‌های سنتی AS  را پیشنهاد دادند. ضریب نیم اشباع COD قابل تجزیه بیولوژیکی قابل مشاهده برای میکروارگانیزم‌های فیلامنتوس، کمتر از باکتری های غیر فیلامنتوسی است که نشان دهنده مقاومت انتشاری متفاوت سوبسترا برای آن ها است. این راهبرد به ما نتایج کیفی واقعی ارائه می دهد. اگرچه که هنوز هم امکان پیش بینی SVI لجن یا خصوصیات ته نشینی لجن وجود ندرد.

مطالعات اخیر هم میکرومرفولوژی لخته ها را به خوبی در نظر دارد و هم به خصوصیات رشد باکتری های فیلامنتوس توجه می کند (رشد یکسو در اینجا مقدم تر است).

این مطالعات اولین تلاش ها برای ترکیب مشخصات مرفولوژی با فیزیولوژی باکتری های فیلامنتوس و غیر فیلامنتوس بود. سه گروه میکروارگانیزم ها (لخته ساز، فیلامنت های با اکسیژن محلول پایین، فیلامنت های با F/M پایین) به همراه پارامترهای سینتیکی و گرایش های همراه که با تئوری انتخاب سینتیکی مشخص شده بودند در نظر گرفته شدند، و سناریوهای مختلف سوبسترای محلول و DO شبیه سازی شدند.

شبیه سازی ساختار لخته های لجن فعال تحت شرایط دیفیوژنی حاکم بر آن، همانطور که انتظار می رفت نشان داد که باکتری های فیلامنتوس در شرایط سوبسترای محلول و DO محدود، غالب هستند. نویسندگان بین پارامترهای سینتیکی و تاثیر مرفولوژی سلولی، تفاوتی قائل نشدند.

اخیراً Martins و همکارانش مدل های قبلی را پذیرفته و برای پیش بینی مرفولوژی بیوفیلم لخته های لجن فعال بکار برده اند. این راهبرد نشان داد که گرادیان انتشاری برای مرفولوژی لخته ها مهمتر از تفاوت در ثابت گرایش بین ارگانیزم های مختلف است، که از تئوری با مبنای گرادیان انتشاری برای انتخاب باکتری های فیلامنتوس حمایت می کند.

بطور خلاصه، از مدل سازی می توان برای ارزیابی بهتر نقش رشد یکسوی باکتری های فیلامنتوس با هم و با ظرفیت مورد انتظار بالاتر باکتری های فیلامنتوس در رشد، مطابق با ریز-گرادیان در لخته های لجن فعال در یک گستره وسیع از پارامترهای سینتیکی، استفاده نمود. باید تحقیقات بیشتری در مورد نقش مرفولوژی باکتری ها و انتشار در یک رقابت انجام شود زیرا پارامترهای سینتیکی به نام های ضریب نیم اشباع درونی سوبسترا، ظرفیت ذخیره و نرخ تجزیه شناخته می شوند که هنوز ناشناخته هستند. این مطالعات احتمالاً منجر به درک بهتر رقابت بین باکتری های فیلامنتوس و غیر فیلامنتوس در شرایط غالب از نظر گرادیان در ریز-محیط های مانند سیستم های لجن فعال، می شود.

لجن دانه ای

با درک این که بالکینگ لجن زمانی رخ می دهد که COD قابل تجزیه بیولوژیکی تحت شرایطی که گرادیان غلظت شدید در اطراف لخته اتفاق بیافتد، می توان فهمید که هر گاه این شرایط به حداقل برسد، گرانول ها تشکیل می شوند. لجن گرانوله یا دانه ای از نظر ابعاد مرفولوژی در نقطه مقابل بالکینگ لجن قرار دارد.

فرض می شود که مرفولوژی بیوفیلم بستگی به نسبت بین نرخ انتقال سوبسترا و رشد بیومس دارد. این بدان معنی نیست که تنها کاهش گرادیان سوبسترا در اطراف لخته لجن با عث بهبود SVI می شود، بلکه در کنار آن انتخاب برای رشد و تکثیر باکتری های با رشد آرام نیز از عوامل بهبود SVI می باشد. بنابراین، بعنوان مثال همواره رسیدن به لجن گرانوله بیهوازی یا لجن گرانوله نیتریفای شده ،نسبتاً آسانتر است.

استفاده از انتخاب کننده های بیهوازی باعث انتخاب گروهی از باکتری ها (باکتری های ذخیره کننده گلایکوژن و فسفات) با نرخ رشد حداکثر کمتر از باکتری های هتروتروف متداول می شود. بنابراین این انتخاب کننده ها یک برتری در این مورد نسبت به انتخاب کننده های هوازی دارند.

نتیجه گیری

 

بالکینگ لجن یکی از مشکلات اصلی لجن فعال است. سطوحی از درک اطلاعات مورد نیاز برای کنترل این مشکل در عمل وجود دارد. برای مثال، یک سیستم BNR لجن فعال که برای کاهش مشکلات ناشی از بالکینگ لجن طراحی شده است باید مشخصات کلی زیر را داشته باشد:

1)  یک مرحله پیش تصفیه برای حذف سوبسترای پیچیده (مانند لیپیدها)

 2) انتخاب کننده با جریان پیستونی برای ایجاد بزرگ – گرادیان غلظت سوبسترا در طول راکتور

3) مراحل با جریان پیستونی بیهوازی، انوکسیک و هوازی که به خوبی مشخص شده اند و ممانعت از ورود اکسیژن به مرحله انوکسیک و نیترات و اکسیژن به مرحله بیهوازی

4) اجتناب از هوادهی متناوب و ایجاد شرایط میکروائروفیلیک

5) هوادهی مناسب برای دستیابی به غلظت DO بالا (˂ mg O₂/l 5/1)  و حداقل غلظت آمونیوم (˃  mg N/l 1) در مرحله هوازی نهایی.

حتی در سیستم هایی که به خوبی طراحی شده اند، ضعف در راهبری نیز به راحتی می تواند منجر به بالکینگ لجن شود. بنابراین، به شرط آن که فرایند های پایه ای که بر مرفولوژی لجن تاثیر می گذارند، به خوبی شناخته نشوند، این فرایند ها به درستی عمل نخواهند کرد. به قول جمله ی Albetson (1987) : “علیرغم تمام آموخته‌ها و دانایی ما، هنوز بسیاری از لجن ها دچار بالکینگ می شوند”.