پژوهش‌های سلولی و مولکولی (مجله زیست شناسی ایران)

رشد بحرانی باکتریهای سولفوره ارغوانی تحت شرایط رقابتی در برکه های تثبیت فاضلاب و تأثیر آن بر کارآمدی فرآیند تصفیه فاضلاب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

2633

چکیده

باکتریهای ارغوانی قادرند از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای رشد و تکثیر خود استفاده کنند. نظر به اینکه این باکتریها قادر به استفاده از آب به عنوان دهنده هیدروژن نیستند، نیاز به دهنده های احیاشده هیدروژن مانند H2S ، H2 یا ترکیبات آلی دارند. در نتیجه در فرآیند فتوسنتز آنها اکسیژن حاصل نمی گردد. آنها باکتریهای ویژه آب هستند و در سطح گسترده ای در منابع آب یافت می شوند. با توجه به تأثیر به سزای رشد بحرانی این گونه باکتریها بر عملکرد برکه های طبیعی تصفیه فاضلاب که از جمله تأسیسات معمول تصفیه فاضلاب در ایران به شمار می روند، بررسی دلایل بروز این پدیده و عوامل مؤثر بر آن از اهمیت زیادی در طراحی و بهره برداری بهینه این گونه تأسیسات برخوردار است. در این مطالعه دلایل رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه های تثبیت فاضلاب بررسی شد. پارامترهای فیزیکی و شیمیایی مؤثر در رشد باکتریها نظیر BOD، COD، اکسیژن محلول، دما و سولفید هیدروژن به طور ماهانه اندازه گیری شدند. نتایج نشان داد که باکتریهای سولفوره ارغوانی در دو دوره زمانی بروز نمودند که اولی در اواسط تابستان (در برکه اختیاری اول) و دومی در اوایل زمستان (در برکه اختیاری سوم) بود. این رشد به دلیل غلظت کم اکسیژن محلول در برکه های اختیاری که به علت بالا بودن بار آلی ورودی و سولفید هیدروژن می باشد، باکتریهای سولفوره ارغوانی بر جلبکها غلبه نمودند. غلظت اکسیژن محلول به پارامترهای متعددی نظیر بار آلی ورودی، شرایط آب و هوایی، فعالیت جلبکها و غیره بستگی دارد. در این مطالعه بار آلی ورودی به عنوان مؤثرترین عامل در رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی شناخته شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effects of critical growth of Purple sulfur bacteria on waste stabilization pond under contest condition and their influence on performance efficiency of wastewater treatment

چکیده [English]

Purple bacteria could use sunlight as an energy source for their growth and reproduction. Since these bacteria are not able to use hydrogen of water as an electron donor, they need to use reduced forms of hydrogen like H2S, H2 or organic matters in which oxygen molecules are not produced in their photosynthesis process. These bacteria are of specified organisms in water found in many water resources. Because of their growth effects on wastewater stabilization ponds which have been considered as common wastewater facilities in Iran, investigations on their growth condition and important affecting parameters have been considered for design and operation of such facilities. The occurrence reasons of purple sulfur bacteria (PSB) in waste stabilization ponds were investigated. Physical and chemical parameters which affect on PSB growth like BOD5, COD, dissolved oxygen (DO), temperature, and hydrogen sulfide (H2S) were observed monthly. Results showed that the PSB dominated in two periods, which the first was in midsummer (in primary facultative pond) and the second was in midwinter (in tertiary facultative pond). This condition was occurred by low DO concentration in facultative ponds due to high organic loading rate (OLR) and also high concentration of H2S which were caused overcoming of the PSB over algae. Results showed that the OLR was the main affecting parameters in the overcoming of PSB. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Purple sulfur bacteria
  • Wastewater
  • stabilization pond
  • Southern Hovaizeh

رشد بحرانی باکتریهای سولفوره ارغوانی تحت شرایط رقابتی در برکه های تثبیت فاضلاب و تأثیر آن بر کارآمدی فرآیند تصفیه فاضلاب

گاگیک بدلیانس قلی کندی*،1، عماد دهقانی فرد2 و محمد رضا ساکیان دزفولی3

1 تهران، دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور

2 کرج، دانشگاه علوم پزشکی البرز، دانشکده بهداشت، گروه مهندسی بهداشت محیط

3 اهواز، سازمان آب و برق استان خوزستان

تاریخ دریافت: 5/7/89                 تاریخ پذیرش: 22/1/91 

چکیده

باکتریهای ارغوانی قادرند از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای رشد و تکثیر خود استفاده کنند. نظر به اینکه این باکتریها قادر به استفاده از آب به عنوان دهنده هیدروژن نیستند، نیاز به دهنده های احیاشده هیدروژن مانند H2S ، H2 یا ترکیبات آلی دارند. در نتیجه در فرآیند فتوسنتز آنها اکسیژن حاصل نمی گردد. آنها باکتریهای ویژه آب هستند و در سطح گسترده ای در منابع آب یافت می شوند. با توجه به تأثیر به سزای رشد بحرانی این گونه باکتریها بر عملکرد برکه های طبیعی تصفیه فاضلاب که از جمله تأسیسات معمول تصفیه فاضلاب در ایران به شمار می روند، بررسی دلایل بروز این پدیده و عوامل مؤثر بر آن از اهمیت زیادی در طراحی و بهره برداری بهینه این گونه تأسیسات برخوردار است. در این مطالعه دلایل رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه های تثبیت فاضلاب بررسی شد. پارامترهای فیزیکی و شیمیایی مؤثر در رشد باکتریها نظیر BOD، COD، اکسیژن محلول، دما و سولفید هیدروژن به طور ماهانه اندازه گیری شدند. نتایج نشان داد که باکتریهای سولفوره ارغوانی در دو دوره زمانی بروز نمودند که اولی در اواسط تابستان (در برکه اختیاری اول) و دومی در اوایل زمستان (در برکه اختیاری سوم) بود. این رشد به دلیل غلظت کم اکسیژن محلول در برکه های اختیاری که به علت بالا بودن بار آلی ورودی و سولفید هیدروژن می باشد، باکتریهای سولفوره ارغوانی بر جلبکها غلبه نمودند. غلظت اکسیژن محلول به پارامترهای متعددی نظیر بار آلی ورودی، شرایط آب و هوایی، فعالیت جلبکها و غیره بستگی دارد. در این مطالعه بار آلی ورودی به عنوان مؤثرترین عامل در رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی شناخته شد.

واژه های کلیدی: باکتری سولفوره ارغوانی، رشد بحرانی، برکه تثبیت فاضلاب، تغییرات کیفی.  

* نویسنده مسئول، تلفن: 77312780-021 ، پست الکترونیکی: g.badalians@yahoo.com 

مقدمه

 

برکه های تثبیت فاضلاب به عنوان یکی از گزینه های معمول تصفیه فاضلابهای شهری در مناطق مختلف ایران و کشورهای دیگر جهان مطرح می باشند. مزیت این برکه های طبیعی در وهله اول نیاز به تجهیزات و عملیات بهره برداری و نگهداری محدود است (5، 12، 15 و 22). فرآیند تصفیه در این برکه ها مبتنی بر همزیستی بین گونه های باکتری و جلبک می باشد که یک الگوی اکولوژیکی متفاوت از شرایط رشد این میکروارگانیسمها در محیط خالص است. تغییرات دوره ای pH، دما و شدت نور ممکن است باعث غالب شدن گروه یا گروههای خاصی از میکروارگانیسمها در این گونه برکه ها گردد (1، 16، 20). ماهیت طبیعی پدیده هایی که در برکه های تثبیت فاضلاب به وقوع می پیوندند، مطالعه و شناسایی عوامل مؤثر بر آنها را تحت شرایط واقعی بهره برداری دشوار می سازد. رشد بحرانی باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه های تثبیت فاضلاب و تأثیر منفی آن بر کیفیت پساب خروجی به دلیل تغییر رنگ، غلظت بالای جامدات معلق و ایجاد بوی شدید در نتایج تحقیقات متعددی گزارش شده است (2، 21، 24 و 28).

مشخصه مشترک همه باکتریهای ارغوانی قرارگیری مجموعه زیرساختهای مورد نیاز فتوسنتز بر روی غشای داخلی سیتوپلاسمی است (تیلاکوئیدها). کلروفیل مشخصه این باکتریها در وهله اول باکتریوکلروفیل a می باشد. همه آنها قادرند دی اکسید کربن را از طریق چرخه ریبولوزبیس فسفات تثبیت کنند و از ترکیبات آلی به عنوان دهنده هیدروژن و منبع کربن استفاده نمایند. باکتریهای ارغوانی را بر اساس قابلیت استفاده از گوگرد به عنوان دهنده الکترون یا عدم قابلیت آن به دو دسته باکتریهای سولفوره و غیرسولفوره ارغوانی تقسیم می کنند. باکتریهای سولفوره ارغوانی از جمله باکتریهای گرم منفی هستند که بر اساس سیر تکامل خود در رده گاماپروتئوباکتر و رسته کروماتیال قرار می گیرند (14). رشد این باکتریها محدود به آن دسته از محیطهای آبی است که دارای نور کافی، اکسیژن محلول کم و غلظت متوسط سولفید می باشد. باکتریهای سولفوره ارغوانی به دلیل تولید رنگ مشخص، در شرایط اپتیمم طبیعت قابل تشخیص می باشند. رنگ آنها به دلیل وجود مقادیر زیاد کاروتنوئیدها و کلروفیل a و b است که در غشای داخلی این باکتریها قرار دارند. مهم ترین خصوصیت مشترک تمامی باکتریهای سولفوره ارغوانی، استفاده از ترکیبات احیا شده گوگرد نظیر سولفید هیدروژن یا تیوسولفات به عنوان دهنده الکترون می باشد (8 و 25).

بسیاری ازگونه های باکتریهای سولفوره ارغوانی، به رنگ ارغوانی بوده و گونه های دیگری به رنگ نارنجی تیره تا قهوه ای، صورتی یا قرمز شناسایی شده اند. رشد باکتریهای مذکور تنها در آن دسته از محیطهای آبی ممکن است که نور با طول موج معینی از آن عبور می کند. همچنین باید دی اکسید کربن، نیتروژن و فرم احیا شده گوگرد یا هیدروژن نیز در محیط وجود داشته باشد. باکتریهای سولفوره ارغوانی در بخش بی هوازی برکه ها که در زیر ناحیه فعالیت جلبکها، سیانوباکترها و سایر باکتریهای هوازی می باشد، رشد و تکثیر می نمایند. باکتریهای فتوتروف به دلیل وجود پیگمانها در دستگاه فتوسنتز آنها در سوسپانسیونهای غلیظ به رنگهای سبز، سبز-آبی، ارغوانی-صورتی، قرمز و قهوه ای مشاهده می شوند. این رنگهای متفاوت به دلیل نوع و ترکیب کمی پیگمانهای مذکور است. کلروفیلها عامل جذب طول موج نوری در گستره آبی (حداکثر < nm 450) و قرمز و ماورأی قرمز (nm 1100–650) می باشند. عامل اصلی جذب نور در گستره طول موج برابر nm 400-550 کاروتنوئیدها هستند. لذا طول موج نوری که باکتریهای سولفوره ارغوانی به آن نیاز دارند متفاوت از طول موج نوری است که جلبکها و سیانوباکترها از آن استفاده می کنند. بنابراین باکتریهای سولفوره ارغوانی قابلیت استفاده از طول موج نور لایه بالایی برکه تثبیت را که در اشغال ارگانیسمهای هوازی می باشد، دارا هستند. تبدیل ترکیبات بودار سولفوره به عنصر سولفور یا سولفات توسط این باکتریها، یکی از عوامل مهم کنترل بو در برکه های اختیاری است (27).

نتایج مطالعات متعددی نشان دهنده حضور باکتریهای سولفوره ارغوانی، بخصوص گونه هایی که فاضلاب حاوی سولفید را تصفیه می کنند، در برکه های بی هوازی است. نتایج مطالعات (1975) Cooper نشان دهنده حضور گونه Thiopedia rosea در برکه بی هوازی فاضلاب صنایع اندودکاری و گونه Chromatium sp. در برکه بی هوازی فاضلاب صنایع پتروشیمی می باشد (9). در هیچکدام از این موارد، مشکل بو گزارش نشده است. نکته قابل تأمل در این گزارشها عدم اختلال مؤثر بر عملکرد برکه ها با وجود افزایش بار آلودگی ورودی به آنها و تغییر رنگ پساب خروجی است. از سوی دیگر گونه Chromatium sp. به عنوان گونه غالب باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه تثبیت فاضلاب صنایع فرآیندی ماکیان توسط (1970)  Meredith و  Pohland شناسایی و مقدار pH و دمای بهینه رشد و تکثیر آنها به ترتیب برابر 5/7 و 5/26 درجه سانتی گراد تعیین گردید (19). همچنین وجود آهن به عنوان یک عامل بازدارنده در اکسیداسیون سولفید هیدروژن اعلام شد (19). نتایج مطالعات دیگری که توسط (1970) Sletten و Singer انجام پذیرفت، نشان دهنده گونه غالب Rhodothece در برکه بی هوازی فاضلاب دامپروری است (19). نتایج مطالعات (1970) McFarlane و Melcer  حضور گونه های Thiocapsa roseopersicina و Chromatium sp. در برکه بی هوازی تصفیه فاضلاب صنایع بسته بندی گوشت، دامپروری و فاضلاب شهری را تأیید می نمایند (18). نتایج مطالعات (1981) Wenke و Vogt نشان دهنده حضور غالب گونه Thiopedia rosea  در برکه تصفیه فاضلاب صنایع تولید خوراک دام می باشد (30).

حضور باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه های بی هوازی به دو دلیل حائز اهمیت است. از سویی این باکتریها با تجزیه سولفید هیدروژن به عنوان دهنده الکترون جهت انجام فرآیند فتوسنتز، موجب حذف عامل اصلی تولید بو در برکه ها می شوند و از سوی دیگر در فرآیند حذف BOD در برکه ها نقش اساسی ایفاء می کنند. همچنین دارای قابلیت تجزیه ترکیبات سمی آمین دار و تولید مواد ویروس کش هستند (10).

با این حال باید توجه داشت که فرآیند عبور نور مورد نیاز جلبکها در برکه های اختیاری به دلیل حضور اجتماع باکتریهای سولفوره ارغوانی در پساب خروجی برکه های بی هوازی با مشکل مواجه می گردد. در مطالعاتی که در بالا به آنها اشاره شد، کانال ابتدایی جریان خروجی از برکه بی هوازی، به عنوان حوضچه ته نشینی جهت حذف گونه Thiopedia rosea در نظر گرفته شد. آزمایشهای میکروسکوپی لجن ته نشین شده در این کانال نشان داد که فلوکهایی مشاهده می شوند و این نظریه را که گونه Thiopedia rosea در اثر تغییر شرایط محیطی موجب تشکیل فلوک شده است را تقویت نمود (24).

در این مطالعه، پارامترهای شیمیایی و بیولوژیکی در حین رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی پایش شده و ارتباط بین آنها و رشد این باکتریها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین عملکرد برکه های تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی بررسی شده و راهکارهای ارتقای راندمان و رفع معضلات مربوط به رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در این تصفیه خانه، مورد بررسی قرار گرفته است.

 

 

شکل 1- شمای کلی تصفیه خانه فاضلاب هویزه جنوبی


مواد و روشها

مشخصات محلی و اقلیمی منطقه هویزه: شهر هویزه در 15 کیلومتری جنوب شهر سوسنگرد، در عرض جغرافیایی 48 درجه شمالی و طول جغرافیایی 31 درجه شرقی و با ارتفاع 20-17 متر بالاتر از سطح دریا واقع شده است. رودخانه نیسان که شاخه ای از رودخانه کرخه می باشد، شهر هویزه را به دو بخش شمالی و جنوبی تقسیم نموده که در هریک از این بخشها یک تصفیه خانه فاضلاب از نوع برکه تثبیت اجرا شده است. عملیات ساخت تصفیه خانه هویزه جنوبی در سال 1364 آغاز شد که جمعیت معادل و نهایی (25 سال بعد) تحت پوشش آن به ترتیب برابر 9000 و 21000 نفر برآورد گردید. این تصفیه خانه از دو برکه بی هوازی موازی و برکه های اختیاری اول، دوم و سوم پس از آنها تشکیل شده است و پساب خروجی آن برای مصارف کشاورزی مورد استفاده قرار می گیرد. شمای کلی تصفیه خانه در شکل 1 نشان داده شده است.

شهر هویزه دارای آب و هوای گرم و شرجی می باشد. حداکثر دمای هوا در این شهر (در دوره مطالعه) 51 درجه سانتی گراد و حداقل آن 3- درجه سانتی گراد بوده و متوسط دما در سردترین ماه سال برابر 6/7 درجه سانتی گراد می باشد. میانگین بارندگی در این شهر 7 میلی متر و میانگین رطوبت نسبی سالانه برابر 31/59 درصد می باشد.

با توجه به شکل 1، تصفیه خانه هویزه جنوبی مطابق با مدلهای متداول تصفیه خانه های فاضلاب به روش برکه تثبیت بوده که متشکل از برکه های بی هوازی و اختیاری می باشند. جدول 1، خصوصیات فیزیکی و عملیاتی تصفیه خانه را نشان می دهد.

 

 

جدول 1- خصوصیات فیزیکی و عملیاتی تصفیه خانه فاضلاب هویزه جنوبی

اجزاء

مساحت (m2)

عمق (m)

حجم (m3)

برکه        بی هوازی 1

5/1102

5/2

2756

برکه        بی هوازی 2

5/1102

5/2

2756

مجموع     بی هوازی

2206

-

5152

برکه اختیاری اول

4225

5/2

5/10562

برکه اختیاری دوم

4225

5/2

5/10562

برکه اختیاری سوم

4225

5/2

5/10562

مجموع اختیاری

12675

-

5/31687

مجموع کل

14880

-

5/36839

m3 2250 = فاضلاب تصفیه شده روزانه

 

 

شکل 2- میزان حذف بار آلی (BOD) در تصفیه خانه هویزه جنوبی در ماههای مختلف

 

 

شکل 3- ارتباط بین غلظت H2S و DO در برکه تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی

 

شکل 4- ارتباط بین غلظت H2S و BOD در برکه تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی


نمونه برداری: نمونه های فاضلاب از ورودی و خروجی هر برکه و به طور ماهانه برداشت شد. نمونه های فاضلاب، از نوع مرکب بوده که در بازه زمانی 48 ساعته برداشت شده بود. نمونه مرکب می‏تواند از جمع آوری مقادیر آب از مکانهای مختلف یک منبع و یا مجموعه‏ای از آب گردآوری شده از محلهای مختلف در زمانهای مختلف تشکیل گردد. نمونه ها توسط ظروف 2 لیتری شیشه ای و از عمق 1 متری برداشت شده، سپس به یک ظرف 30 لیتری منتقل شده و برای انجام آزمایشهای فیزیکوشیمیایی آماده شد (31). نمونه برداری در دوره زمانی تیرماه تا دی ماه سال 1378 انجام شد.

پارامترهای آنالیز شده: این پارامترها شامل BOD، اکسیژن موردنیاز شیمیایی (COD)، اکسیژن محلول (DO)، دما، pH، سولفید (S-2)، سولفات (SO4-2) و سولفید هیدروژن (H2S) می باشد. همچنین جهت اندازه گیری جمعیت میکروبی مخلوط باکتریهای سولفوره ارغوانی، کلروفیل a و b به روش اسپکتروفتومتری اندازه گیری شد. سوسپانسیون حاوی سلولهای زنده باکتریهای سولفوره ارغوانی به دلیل دارا بودن کلروفیل باکتریایی a، دارای قابلیت جذب نور در طول موج nm 890-830-590-380 می باشند. این سوسپانسیون در شرایطی که گلبولهای سولفور عنصری تشکیل می شوند، صورتی مایل به سفید و در زمان مصرف گلبولها به رنگ صورتی ارغوانی تبدیل می شوند. به همین جهت، طول موج nm 520 که حداکثر جذب نور سوسپانسیون می باشد در این مطالعه انتخاب گردید (17).

برای سنجش میزان جریان ورودی و خروجی به برکه ها، از پارشال فلوم استفاده شد که در ابتدای کانالهای ورودی به برکه ها قرار داشت. تمامی آزمایشهای انجام شده در این مطالعه مطابق کتاب روشهای استاندارد آب و فاضلاب می باشد (7).

نتیجه گیری و بحث

نتایج به دست آمده در این مطالعه بر حسب هر مرحله و همچنین تمام تصفیه خانه در دوره مورد مطالعه در جدول 2 آورده شده است. میانگین غلظت متوسط BOD و COD فاضلاب ورودی به ترتیب برابر mg/L 17/591 و 33/1520 بوده که بسیار فراتر از مقادیر طراحی آن که mg/L 216 و 550 بودند، می باشد. بنابراین فاضلاب خام هویزه را می توان به عنوان فاضلاب با خصوصیات قوی (از لحاظ BOD و COD) طبقه بندی نمود (26). راندمان حذف BOD و COD در برکه های بی هوازی تصفیه خانه با زمان ماند هیدرولیکی (HRT) 22/1 روز، به ترتیب برابر 78/43 و 07/58 درصد بودند. این مقادیر در برکه های اختیاری اول، دوم و سوم با 7/4=HRT، به ترتیب برابر با 79/30 و 05/0- ، 01/26 و 01/21، 37/1 و 84/3- بود.

میزان حذف بار آلی در تصفیه خانه هویزه جنوبی در ماههای مختلف در شکل 2 نشان داده شده است. تأثیر تغییرات دما بر روی میزان حذف بار آلی ناشی از BOD کاملا مشخص می باشد؛ بنابراین از میانگین ماهانه حذف بار آلی استفاده شد.

با وجود اینکه در این مطالعات افزایش قابل توجه غلظت اکسیژن خواهی بیوشیمیایی فاضلاب خام ورودی (BOD) در فصل تابستان مشاهده نگردید، اما بار سطحی و بار حجمی آلی ورودی به برکه های تثبیت به دلیل انجام امور مربوط به تخلیه لجن و تعمیرات و عدم استفاده از برکه های بی هوازی حدودا به دو برابر میزان معمول افزایش یافت (در ابتدای فصل تابستان به نوبت یکی از برکه های بی هوازی از مدار بهره برداری خارج می شود).

رشد و تکثیر جلبکهای سبز وابستگی زیادی به غلظت H2S دارد. شکل 3 نشان دهنده وجود همبستگی بین غلظت H2S و غلظت DO می باشد (63/0= R2)، در همین حال، غلظتهای BOD و COD دارای همبستگی قوی با غلظت H2S هستند (76/0=R2) برای BOD و 77/0=R2 برای COD). بنابراین می توان بیان نمود که H2S به عنوان یک عامل بازدارنده رشد جلبکهای سبز می باشد (شکل 4 و 5). در گستره دمایی 35 – 20 درجه سانتی گراد با وجود شرایط مناسب رشد و تکثیر جلبکها در برکه های اختیاری و تأثیر آن بر افزایش غلظت اکسیژن محلول، افزایش مصرف اکسیژن محلول مشاهده می گردد که به دلیل فعالیت زیستی بیشتر باکتریها و غالب شدن باکتریهای سولفوره ارغوانی می باشد. لذا همبستگی بین افزایش دما و غلظت اکسیژن محلول وجود ندارد (21/0=R2) (شکل 6).

 

 

 

 

شکل 5- ارتباط بین غلظت H2S و COD در برکه تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی

 

 

شکل 6- ارتباط بین غلظت DO  و دمای هوا در برکه تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی

 

در نتیجه پردازش نتایج بررسیهای کیفی آزمایشگاهی حاصل با استفاده از نرم افزارهای Excel و SPSS ]4[ به ویژه در رابطه با تولید اکسیژن که نشانه حضور و فعالیت جلبکها می باشد، رابطه زیر حاصل گردید:

(رابطه 1)    DO (mg/L) = -0.355 H2S + 0.165 ◦C

رابطه 1 که حاصل این مطالعات می باشد، نشان می دهد که تولید اکسیژن محلول رابطه معکوس و نسبتاً ضعیف با میزان سولفید هیدروژن دارد و سولفید هیدروژن تولیدی در حقیقت به عنوان مانعی در راه رشد و تکثیر جلبکهای سبز عمل می کند و با دما رابطه مستقیم ولی ضعیف دارد.

T = 22.31 + 0.733 (DO)    R2=0.219         (رابطه 2)

H2S = 0.0001 (DO) 6 - 0.013 (DO) 5 + 0.215 (DO) 4 - 1.648 (DO) 3 + 6.359 (DO) 2 - 11.20 (DO) + 6.390           R2=0.631                                               (رابطه 3)

بالا بودن ضریب همبستگی بین DO و H2S نشان دهنده این است با افزایش غظت H2S، غلظت DO کاهش یافته و در نتیجه H2S مانع از رشد جلبکها به عنوان تولیدکنندگان اکسیژن در برکه های تثبیت می شود. همچنین به علت اینکه DO و H2S  به صورت گاز در فاضلاب حضور داشته و با توجه به محدودیت حلالیت گازها در مایعات، حضور H2S موجب می شود که قسمتی از DO از محیط خارج شود. روابط رگرسیون مربوط به H2S و BOD، همچنین H2S و COD به ترتیب زیر حاصل شده است:

H2S = 0.017 (BOD) – 2.310      R2=0.765     (رابطه 4)

H2S = 0.007 (COD) – 2.771       R2=0.772    (رابطه 5)

بزرگی و مثبت بودن ضریب همبستگی در روابط 4 و 5، نشان می دهد که بین غلظت H2S با BOD و COD رابطه قوی وجود داشته که با افزایش BOD و COD فاضلاب ورودی، غلظت H2S افزایش خواهد یافت. همچنین کاهش غلظت سولفید و اسیدهای چرب فرار در برکه های تثبیت بر افزایش رشد و تکثیر باکتریهای سولفوره ارغوانی تأثیر به سزایی دارد (3، 6، 23، 24 و 28).

جدول 2- میانگین و درصد حذف BOD و COD فاضلاب ورودی در قسمتهای مختلف تصفیه خانه فاضلاب هویزه جنوبی

COD (mg/L)

BOD (mg/L)

 

نوع برکه

33/1520

17/591

ورودی

بی هوازی

50/637

33/332

خروجی

07/58

78/43

راندمان حذف (%)

50/637

33/332

ورودی

اختیاری اول

83/637

00/230

خروجی

05/0-

79/30

راندمان حذف (%)

83/637

00/230

ورودی

اختیاری دوم

83/503

17/170

خروجی

01/21

01/26

راندمان حذف (%)

83/503

17/170

ورودی

اختیاری سوم

17/523

83/167

خروجی

84/3-

37/1

راندمان حذف (%)

59/65

61/71

راندمان حذف (%)

مجموع

جدول 3- نرخ بار آلی سطحی و متوسط دمای هوا در قسمتهای مختلف تصفیه خانه فاضلاب هویزه جنوبی

متوسط دمای هوا (oC)

نرخ بار آلی سطحی

نرخ بار آلی سطحی

ماه

شرایط واقعی  kgBOD5/ha.d

مبانی طراحی kgBOD5/ha.d

برکه اختیاری اول

31

362

455

مرداد

3/32

714

474

شهریور

3/27

748

394

مهر

5/24

715

340

آبان

7/21

799

285

آذر

75/17

1369

212

دی

برکه اختیاری دوم

32

250

470

مرداد

9/32

382

481

شهریور

27

387

388

مهر

5/22

634

301

آبان

95/19

5/524

252

آذر

16

1092

182

دی

برکه اختیاری سوم

8/30

5/287

453

مرداد

32

214

470

شهریور

45/26

326

378

مهر

14/26

502

372

آبان

95/17

407

216

آذر

2/15

684

170

دی

نتایج این مطالعه در دو فصل از سال نشان دهنده رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در گستره زمانی ماههای مرداد تا دی می باشد. در این گستره زمانی مطالعات، میانگین دمای هوا 4/25 درجه سانتی گراد و حداکثر دمای هوا برابر 50 درجه سانتی گراد بود. در نتیجه، میزان تبخیر بیشتر و مصرف بیشتر اکسیژن محلول به دلیل افزایش فعالیت میکروارگانیسمها مشاهده می گردد. به دلیل افزایش رشد و تکثیر باکتریهای سولفوره ارغوانی (افزایش غلظت H2S)، میزان فعالیت جلبکها کاهش یافته (کاهش غلظت DO) و در نتیجه مشکلات مربوط به رشد این باکتریها را تشدید می نماید. بنابراین می توان نتیجه گیری کرد که همزمان با کاهش فعالیت جلبکهای سبز، افزایش میزان رشد و تکثیر باکتریهای سولفوره ارغوانی مشاهده می گردد.

نتایج نشان دهنده رشد بحرانی باکتریهای سولفوره ارغوانی در دو دوره زمانی یعنی در ماههای مرداد تا شهریور و آبان تا دی می باشد که در دوره اول برکه های اختیاری اول و دوم و در دوره دوم، برکه های اختیاری سوم درگیر شده بودند. لازم به ذکر است که با افزایش رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی، فرآیندهای متان سازی در برکه های اختیاری نیز شدت بیشتری می یابد که سبب تبدیل آنها به برکه های بی هوازی می گردد (24).

بررسی نتایج برای برکه های بی هوازی حکایت از ورود بار بیش از اندازه در ماههای مرداد و شهریور دارد و در ماههای بعد، علی رغم افزایش بار سطحی ورودی نسبت به بار مجاز، با توجه به کاهش دما حتی برکه های اختیاری نیز به سمت بی هوازی شدن میل می کنند و  در ماههای دی و بهمن، بوی H2S در برکه های اختیاری اول و دوم و تا حدودی نیز سوم احساس شد. به همین دلیل هم در دی ماه، پدیده ظهور باکتریهای سولفوره ارغوانی و این بار در برکه اختیاری سوم، مجدداً بروز می نماید. با توجه به میزان سولفید ناشی از عملکرد بی هوازی در برکه های اختیاری اول و دوم همراه با افزایش فعالیت متان سازی، تشکیل سولفید و انتقال آن به برکه اختیاری سوم، پدیده بروز باکتریهای سولفوره ارغوانی را توجیه می نماید. لذا با توجه به اینکه اکسیداسیون سولفیدها به طور عام، وظیفه اصلی باکتریهای سولفوره ارغوانی است، با کاهش سولفیدها بر اثر عملکرد این باکتریها، علی رغم وجود بار آلی بالا، جمعیت آنها رو به کاهش می گذارد.

بررسیهای میکروسکوپی انجام شده در خصوص گونه های مختلف جلبک در زمان بروز پدیده رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در برکه های تثبیت تصفیه خانه هویزه جنوبی نشان داد که گونه کلامیدوموناس در برکه ها حضور داشته و در نتیجه می توان بیان نمود که این گونه از جلبکها در مقابل سولفید موجود در برکه ها از مقاومت زیادی برخوردار است. البته لازم به ذکر است که جمعیت آن نسبت به باکتریهای سولفوره ارغوانی بسیار کاهش یافته بود. مطالعات انجام شده در خصوص برکه بیرشیوا نیز نتایج مشابهی را نشان داده بود (13). در این مطالعه، گونه شاخصی از باکتریهای سولفوره ارغوانی مشاهده نگردید.

همانطور که در بالا اشاره شد، رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی به غلظت H2S و آن هم به غلظت BOD و COD فاضلاب وابستگی زیادی دارد. یکی از دلایل اصلی رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی در این مطالعه، بار آلی سطحی بود که معمولاً بالاتر از مقادیر طراحی برکه ها بود (جدول 3). نتایج نشان داد که میزان بار آلی ورودی به برکه ها در ماههای شهریور تا دی، افزایش قابل ملاحظه ای یافته بود. با این حال، به دلیل کاهش غلظت H2S (به دلیل ادامه بالا بودن بار آلی ورودی) میزان رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی کاهش یافته بود. بر اساس تجربیات (1992) Houghton و Mara در صورت افزایش بار آلی در برکه های اختیاری اول، تعداد جلبکها کاهش و تعداد باکتریهای سولفوره ارغوانی افزایش می یابد (13). همچنین بر اثر مرگ جلبکها، غلظت H2S افزایش می یابد که در نتیجه افزایش رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی حاصل می گردد (11، 23، 24 و 29).

کلروفیل a و b را می توان به عناوین شاخصی از رشد جمعیت میکروبی مخلوط باکتریهای سولفوره ارغوانی دانست (17). با توجه به نتایج مربوط به سنجش میزان کلروفیل a و b، رابطه بین غلظت H2S و کلروفیل a و b، در شکل 7 ارائه شده است. می توان دریافت که با تغییرات غلظت H2S، میزان کلروفیل a و b، به میزان زیادی تغییر می یابد که البته این تغییرات در مورد کلروفیل b بیشتر می باشد. با این حال نمی توان روند خاصی را بین افزایش غلظت H2S و کلروفیل a و b یافت که این نشان می دهد برای رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی، شرایط نسبتاً پایداری از نظر غلظت H2S باید موجود باشد.

 

 

 

شکل 7- ارتباط بین غلظت H2S  و مقدار کلروفیل a و b در برکه تثبیت فاضلاب هویزه جنوبی


نتیجه گیری

رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی وابستگی زیادی به تأمین شرایط بی هوازی و تشکیل نواحی حاوی سولفید داشته که این شرایط در برکه های تثبیت فاضلاب امکان پذیر می باشد. نتایج این مطالعه نشان داد که باکتریهای سولفوره ارغوانی دارای ظرفیت آنزیمی برای تجزیه مواد آلی را دارا بوده که این شرایط در برکه های تثبیت مهیا می باشد. باکتریهای سولفوره ارغوانی در دو دوره زمانی بروز نمودند که اولی در اواسط تابستان (در برکه اختیاری اول) و دومی در اوایل زمستان (در برکه اختیاری سوم) بود. این رشد به دلیل غلظت کم اکسیژن محلول در برکه های اختیاری که به دلیل بالا بودن بار آلی ورودی و سولفید هیدروژن می باشد، باکتریهای سولفوره ارغوانی بر جلبکها غلبه نمودند. غلظت اکسیژن محلول به پارامترهای متعددی نظیر بار آلی ورودی، شرایط آب و هوایی، فعالیت جلبکها و غیره بستگی دارد. در این مطالعه بار آلی ورودی به عنوان مؤثرترین عامل در رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی شناخته شد. یکی از راههای کاهش اثرات مربوط به رشد باکتریهای سولفوره ارغوانی، کاهش بار آلی ورودی به برکه های تثبیت می باشد. به همین جهت می توان غلظت BOD ورودی را با رقیق سازی فاضلاب ورودی با پساب خروجی از تصفیه خانه کاهش داد. البته در این صورت، بار سطحی ورودی به برکه ها افزایش یافته و در نتیجه مشکل همچنان پابرجا می ماند که می توان با ساخت برکه های موازی، نسبت به کاهش بار سطحی اقدام نمود. راهکار دیگر افزایش غلظت اکسیژن محلول در برکه های اختیاری می باشد که با عمل هوادهی مصنوعی قابل دستیابی است. همچنین با توجه به اینکه برکه اختیاری سوم دارای کارآمدی حذف بسیار کم و حتی منفی در حذف BOD و COD می باشد، می توان از این برکه ها به عنوان برکه های موازی استفاده نمود.

1. بدلیانس قلی کندی، گ. 1388. طراحی تصفیه خانه فاضلاب. چاپ اول، انتشارات آییژ، تهران.
2. بدلیانس قلی کندی، گ. 1385. میکروبیولوژی کاربردی آب و فاضلاب. چاپ سوم، نشرنوپردازان، تهران. 
3. بدلیانس قلی کندی، گ، ریاحی، ر، صالحی،س. تابستان 1387. بهینه سازی راهبری تصفیه خانه های فاضلاب به روش لجن فعال از طریق جلوگیری از رشد و تکثیر بحرانی باکتری مایکروتریکس پارویسلا، مجله زیست شناسی ایران، جلد 21، شماره 3، 456-466.
4. پیکران مانا، ن.، وهابزاده رودسری، ح.، اسدپور، ی.، آق، ن.، حسینی، ه.ش. اسفند 1389. مقایسه بیومتریک سیست، ضخامت لایه کوریون و ناپلی آرتمیا در سه زیستگاه مختلف ایران، مجله زیست شناسی ایران، دوره 23، شماره 6، 850-857. 
 
5. Agunwamba J.C. (2001). Effect of tapering on the performance of waste stabilization ponds, Water Research, 35, 1191-1200.
6. Angelica P.S., Tommy H., J. Overmann J. (1993). Physiology of purple sulfur bacteria forming macroscopic aggregates in great sippewissett salt marsh, Massachusetts, FEMS Microbiology Ecology, 12, 225-235.
7. APHA (2005). Standard Methods for the Examination of water and wastewater, 24th ed., American Public Health Association, Washington, D. C.
8. Cho J.C., Stapels M.D., M. R.M, et al. (2007). Polyphyletic photosynthetic reaction center gens in oligotrophic marine Gammaproteobacteria, Environmental Microbilogy,9.1456-1463.
9. Cooper D., M. Rands M., Woo C. (1975). Sulfide reduction in fellmongery effluent by red sulfur bacteria, Journal of Water Pollution Control Federation, 47, 2088-2100.
10. Freedman D., Koopman B., Lincoln E.P. (1983). Chemical and biological flocculation of purple sulphur bacteria in anaerobic lagoon effluent, Journal of Agricultural Engineering Research, 28, 115-125.
11. Guyoneaud R., Wit R.D., Matheron R., Caumette P. (1998). Impact of macroalgal dredging on dystrophic crises and phototrophic bacterial blooms (red waters) in a brackish coastal lagoon, Oceanologica Acta, 21, 551–561.
12. Hamdy A., Rabia N., Hamdy S. (2006). Study of waste stabilization pond geometry for wastewater treatment efficiency, Ecological Engineering, 28, 25-34.
13. Houghton S.R., Mara D.D. (1992). The effects of sulfide generation in waste stabilization ponds on photosynthetic populations and effluent quality, Water Science and Technology, 26.1759-1768.
14. Imhoff J.F. (2005). Order I.Chromatiales ord. nov., in:  Bergey's manual of systematic bacteriology, Springer, New York, 2005.
15. Kaya D., F. Dilek F., Gokcay C.F. (2007). Reuse of lagoon effluents in agriculture by post-treatment in a step feed dual treatment process, Desalination, 215, 29-36.
16. Kayombo S., Mbwette T.S.A., Mayo A.W., Katima J.H.Y., Jorgrnsen S.E. (2002). Diurnal cycles of variation of physical–chemical parameters in waste stabilization ponds, Ecological Engineering, 18.
17. Matsuyama M. (2004). Phylogenic status of a purple sulfur bacterium and its bloom in Lake Kaiike, The Japanese Society of Limnology, 5, 95-101.
18. McFarlane P., Melter H. (1977). The occurrence of purple sulfur bacteria in anaerobic  lagoons-theory and application, in:  32nd Industrial Waste Conference, Purdue University,497-506.
19. Meredith J., Pohland F. (1970). Some observatid& of purple sulfur bacteria associated with waste stabilization ponds, Purdue Engng Extension Series, 137, 699-707.
20. Murakani K., Inomari Y., Sudo R., Kurihara Y. (1992). Effect of temperature on prosperity and decay of genetically engineered micro-organisms in a microcosm system, Water Science and Technology, 26, 2165.
21. Nair C. (1992). Pollution control through water conservation and wastewater reuse in the fish processing industry, Water Science and Technology, 22, 113-121.
22. Nelson K.L., Cisneros B.J. (2004). Tchobanoglous G., Darby J., Sludge accumulation, characteristics, and pathogen inactivation in four primary waste stabilization ponds in central Mexico, Water Research, 38, 111-127.
23. Sinha S.N., Banerjee R.D. (1997). Ecological role of thiosulfate and sulfide utilizing purple non-sulfur bacterial of a riverrine ecosystem, FEMS Microbiology Ecology, 24, 211-220.
24. Sirianuntapiboon S., Srikul M. (2006). Reducing red color intensity of seafood wastewater in facultative pond, Bioresource Technology, 97, 1612-1617.
25. Tank M., V. Thiel V., Imhoff J.F. (2009). Phylogenetic relationship of phototrophic purple sulfur bacteria according to pufL and pufM gens, International Microbiology, 12, 175-185.
26. Tchobanoglous G., Burton F.L. (2003). Wastewater Engineering: Treatment, Disposal and Reuse, McGraw Hill, New York.
27. USEPA (1983). Design manual for municipal wastewater stabilization ponds, in, NSCEP.
28. Veenstra S., Al-Nozaily F.A., Alaerts G.J. (1995). Purple non-sulfur bacteria and their influence on waste stabilisation pond performance in the Yemen Republic, Water Science and Technology, 31, 141-149.  
29. Villanueva J., Grimalt J.O., Wit R.D., Brendan J.K., Maxwell J.R. (1994). Sources and   transformations of chlorophylls and carotenoids in a monomictic sulphate-rich karstic lake environment, Organic Geochemistry, 22, 739-757.
30. Wenke T., Vogt J. (1981). Temporal changes in a pink feedlot lagoon, Applied Environmental Microbial, 41, 381-385.
31. Yaghoubi M., Echihabi L., Foutlane A., Bourchich L., Jellal J.,Wittland C.,Yachioui M. (2000). The performance of the waste stabilization pond system at Boujaad, Morocco, Water Science and Technology, 42, 9-11.
 
پژوهش‌های سلولی و مولکولی (مجله زیست شناسی ایران)
دوره 26، شماره 3 - شماره پیاپی 3
آذر 1392
صفحه 266-277
  • تاریخ دریافت: 05 مهر 1389
  • تاریخ بازنگری: 09 اسفند 1390
  • تاریخ پذیرش: 22 فروردین 1391