تخمیر و اکسیداسیون بی هوازی فاضلاب
فرآیندهای تخمیر و اکسیداسیون بی هوازی در درجه اول برای تصفیه لجن دفعی و فاضلاب های دارای مواد آلی بسیار زیاد استفاده میشوند. اگرچه کاربرد این فرآیندها برای فاضلاب رقیق نیز موثر نشان داده شده و در حال متداول تر شدن است. فرآیندهای تخمیر بی هوازی به علت بازده کمتر جرم سلولی و بازیابی انرژی از طریق تبدیل مواد آلی به متان بسیار سودمند هستند. اگرچه بیشتر فرآیند های تخمیری در دماهای مزوفیلیک (35-30 درجه سانتی گراد) بهره برداری می شوند، ولی تمایل برای استفاده از تخمیر ترموفیلیک به تنهایی یا قبل از تخمیر مزوفیلیک رو به افزایش است. حالت دوم،هضم بی هوازی با مرحله بندی دمایی (TPAD) نامیده شده و معمولا با SRT لجن 3 تا 7 روز و دمای 60-50 در مرحله ترموفیلیک اول SRT معادل 7 تا 15 روز در مرحله مزوفیلیک نهایی طراحی می شود. فرآیند های هضم بی هوازی ترموفیلیک، برای از بین بردن قابل توجه پاتوژن ها و تولید جامدات بیولوژیکی با استانداردهای کلاس A استفاده می شوند که این جامدات را می توان برای موارد استفاده مجدد بدون محدودیت به کار برد.
تصفیه بی هوازی یک گزینه بسیار مقرون به صرفه نسبت به تصفیه هوازی برای تصفیه فاضلاب های صنعتی حاوی غلظت هی بالای مواد آلی بوده که دارای مزایایی از جمله صرفه جویی انرژی، نیاز کمکتر به افزودن نوترینت و حجم کمتر راکتور است. از آن جا که کیفیت پساب حاصل از تصفیه بی هوازی به خوبی کیفیت پساب حاصل از تصفیه هوازی نیست، تصفیه بی هوازی معمولا به عنوان یک مرحله پیش تصفیه قبل از تخلیه فاضلاب صنعتی به سیستم جمع آوری فاضلاب شهری یا قبل از فرآیندهای هوازی استفاده می شود.
توصیف فرآیند
در اکسیداسیون بی هوازی مواد زائد 3 مرحله اصلی وجود دارد:
1.هیدرولیز
2.تخمیر (اسیدزایی)
3.متان زایی
هیدرولیز
اولین مرحله در اغلب فرآیندهای تخمیرهای تخمیر، هیدرولیز نامیده می شود که در آن مواد ذره ای به ترکیبات محلول تبدیل شده و این ترکیبات می توانند به مونومرهای ساده تری تبدیل شده که باکتری های تخمیر کننده آن ها را مصرف می کنند. در بعضی از فاضلاب های صنعتی ممکن است تخمیر مرحله اول فرآیند بی هوازی باشد.
تخمیر
مرحله دوم، تخمیر(اسیدزدایی) است. در فرآیند تخمیر اسید های آمینه، قندها و بعضی اسیدهای چرب بیشتر تجزیه میشوند. مواد آلی هم به عنوان الکترون دهنده و هم الکترون گیرنده عمل می کنند. محصولات اصلی تخمیر استات، هیدروژن CO2، پروپیونات و بوتیرات است. در ادامه پروپیونات و بوتیرات باز هم تخمیر شده و به هیدروژن، CO و استات تبدیل می شوند. به این ترتیب فرآورده های نهایی تخمیر (استات، هیدروژن و CO2) پیش سازهای تشکیل متان (متان زایی) هستند.تغییر انرژی آزاد همراه با تبدیل پروپیونات و بوتیرات به استات و هیدروژن ایجاب می کند که غلظت هیدروژن در سیستم کم باشد، در غیر اینصورت واکنش پیش نمی رود.
متان زایی
مرحله سوم که متان زایی است به وسیله یک گروه از باکتری ها به نام متان ساز انجام میشود. دو گروه از ارگانیزم های متان ساز در تولید متان دخالت دارند. یک گروه به نام متان سازهای تجزیه کننده اسید استیک بوده که استات را به متان و CO2 تبدیل می کنند. گروه دوم که متان سازهای مصرف کنندههیدروژن نامیده میشوند، برای تولید متان از هیدروژن نامیده می شوند، برای تولید متان از هیدروژن به عنوان دهنده الکترون و از CO2 به عنوان پذیرنده الکترون استفاده میکنند. گروهی از باکتری های موجود در فرآیندهای بی هوازی که اسیدساز نامیده می شوند می توانند CO2 را مصرف و هم هیدروژن را به اسید استیک اکسید نمایند. اگرچه اسید استیک به متان تبدیل خواهد شد، بنابراین اثر این واکنش ناچیز خواهد بود.
میکروب شناسی فرآیند
گروه میکرو ارگانیزم های غیر متان ساز مسئول هیدرولیز و تخمیر، متشکل از باکتری های بی هوازیث اختیاری و اجباری هستند. ارگانیزم های جدا شده از هاضم های بی هوازی شامل گونه های کلستریدیوم،پیتوکوکوس انیروبوکس، گونه های بای فیدیوباکتریوم، گونه های دی سولفو ویبریو، گونه های کورینه باکتریوم، لاکتوباسیلوس انیروبوکس، گونه های بای فیدیو باکتریوم، گونه های دی یولفو ویبریو، گونه های کورینه باکتریوم،لاکتوباسیلوس،اکتینومایسس، استافیلوکوکوس و اشرشیاکلی می باشند. سایر گروه های فیزیولوژیکی موجود شامل تولید کننده های آنزیم های پروتئولیتیک، لیپولیتیک، اورولیتیک یا سلولوتیک هستند.
میکروارگانیزم های مسئول تولید متان که به عنوان آرشی ها (کهن باکتر ها) طبقه بندی می شوند، شدیدا بی هوازی اجباری هستند. بسیاری از ارگانیزم های متان ساز شناسایی شده در هاضم های بی هوازی مشابه آن هایی هستند که در شکم حیوانات نشخوار کننده و در رسوبات آلی واقع در رودخانه ها و دریاچه ها یافت می شوند. جنس های اصلی میکروارگانیزم هایی که در شرایط مزوفیلیک شناسایی شده اند، شامل میله ای ها(متانوباکتریوم و متاباسیلوس ها) و کروی ها(متاناکوکوس،متانوتریکس و متانوسارسینا) هستند.
متانوسارسینا و متانوتریکس(متانوسیتا نیز نامیده می شود) تنها ارگانیزم هایی هستند که قادرند استات را مصرف کرده و متان و CO2 تولید کنند. سایر ارگانیزم ها هیدروژن را با استفاده از CO2 به عنوان پذیرنده الکترون اکسید کرده و متان تولید می کنند.در راکتورهای ترموفیلیک متان سازهای مصرف کننده استات نیز مشاهده شده اند. فعالی برخی از گونه های متانوسارسیناها در در دمای 65 درجه سانتیگراد متوقف گردیده، در حالی که برخی دیگر در این شرایط به فعالیت خود ادامه دادند. همچنین دما تا 65 درجه اثر بازدارندگی روی متانوتریکس نداشته است. در دماهای بالای 60 درجه، متانوباکتریوم فراوان ترین متان سازهای مصرف کننده هیدروژن بوده اند.
روابط هم زیستی در تخمیر
متان سازه ها و اسیدسازها رابطه هم زیستی مفید (سود بردن دو طرف) دارند که در آن متان سازها محصولات نهایی تخمیر مانند هیدروژن، فرمات و استات را به متان و دی اکسید کربن تبدیل میکنند. چون متان سازها می توانند فشار جزئی هیدروژن فوق العاده پایینی را ایجاد نمایند، تعادل واکنش های تخمیری به سمت تشکیل محصولات نهایی اکسید شده تر( مثلا فرمات و استات) میل می کند. مصرف هیدروژن تولید شده توسط اسیدسازها و سایر باکتری های بی هوازی به وسیله متان سازها، انتقال بین گونه ای هیدروژن نامیده می شود. در واقع ارگانیزم های متان ساز مصرف کننده هیدروژن بوده که ادامه واکنش های تخمیر را میسر می سازند. اگر نقصی در فرآیند اتفاق افتد و ارگانیزم های متان ساز با سرعت کافی هیدروژن تولیدی را مصرف نکنند، تخمیر پروپیونات و بوتیرات کند شده که منجر به تجمع اسید های چرب فرار در راکتور بی هوازی و کاهش pH خواهد شد.
ارگانیزم های مزاحم
ارگانیزم های مزاحم در سیستم های بی هوازی باکتری های احیاء کننده سولفت بوده که وقتی فاضلاب حاوی غلظت های بالای سولفات باشد، مشکلاتی را ایجاد می کنند. این ارگانیزم ها میتوانند سولفات را به سولفید احیا نمایند، که در غلظت های زیاد برای باکتر های متان ساز سمی است. وقتی غلظت سولفید زیاد باشد، یک راه حل افزودن آهن به مقادیر مناسب است تا سولفید به صورت سولفید آهن رسوب کند. باکتری های احیا کننده سولفات بی هوازی اجباری بوده که از لحاظ مورفولوژیکی تنوع زیادی دارند، اما ویژگی مشترک آن ها این است که می توانند سولفات را به عنوان پذیرنده الکترون مصرف کنند و بسته به قابلیت تولید اسیدهای چرب یا مصرف استات به دو گروه تقسیم میشوند.گروه اول احیا کننده های سولفات می توانند انواع مختلف ترکیبات آلی را به عنوان دهنده الکترون مصرف و به استات اکسید نمایند و سولفات را به سولفید احیاء کنند. یک جنس متداول این گروه که اغلب در کارکردهای بی هوازی وجود دارد، دی سولفو ویبریو است. گروه دوم احیا کننده های سولفات اسیدهای چرب به ویژه استات را به دی اکسید کربن اکسید نموده و سولفات ها را بسولفید احیا میکنند. یک باکتری معمول در این گروه دی سولفو باکتر است.
