نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی محیط زیست، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

2 دانشکده مهندسی عمران و معماری، گروه مهندسی عمران، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران.

3 دانشجوی کارشناس ارشد مهندسی عمران- مهندسی محیط زیست، دانشجوی مهمان دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران.

چکیده

استرازول رد جی‌تی‌ال یکی از مواد رنگزای شیمیایی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به اثرات این ماده، تصفیه فاضلاب حاوی این ماده امری حیاتی است. بر اساس مطالعات پیشین، راکتور با میکروارگانیسم‌های بیوفیلمی معلق یکی از روش‌های کارآمد از نظر اقتصادی است و در زمان ماند کمتری به راندمان حذف مطلوب می‌رسد. در این تحقیق، از دو راکتور استفاده شد که هر یک، استوانه‌ای به حجم 75/2 لیتر بود که قطر قاعده‌ی آن cm 10 و ارتفاع آن نیز cm 35 بود. دو راکتور به یکدیگر متصل شدند به طوری که در مسیرهای اتصال دو راکتور، دبی در جریان بود و در طی زمان ماند فرآیند، 50 درصد از حجم راکتور‌ها به یکدیگر منتقل می‌شد و برای اولین بار راکتور جدیدی با نام راکتور بیوفیلمی با تغذیه گردشی طراحی و برای رشد میکروارگانیسم‌های کشت ترکیبی شاملBacillus و Aeromonas و تصفیه فاضلاب حاوی استرازول رد جی‌تی‌ال استفاده شد. در این سیستم، اثر دو متغیر مستقل زمان ماند و غلظت ورودی اولیه آلاینده بر توانایی حذف بررسی شد و تاثیر پارامترهای محیطی در بهینه‌سازی راندمان حذف رنگزای مذکور توسط گونه‌های میکروبی مطالعه گردید. در این تحقیق، مدل‌سازی نتایج بر اساس روش سطح پاسخ انجام گرفت. بر اساس نتایج حاصل، شرایط بهینه بهره‌برداری در زمان ماند 6 ساعت و 13 دقیقه و غلظت ورودی 77/74 میلی گرم بر لیتر اتفاق می‌افتاد و راندمان حاصل برابر با 75/73 درصد بدست آمد. بر اساس مدل این تحقیق زمان ماند بیشترین تاثیر را بر راندمان حذف این سیستم بیولوژیکی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Optimization of effective environmental parameters on Astrazon Red GTL removal by dominant species Bacillus and Aeromonas: in a concurrent culture study

نویسندگان [English]

  • Farhad Qaderi 1
  • Amir Hossein Sayahzadeh 2
  • masoud ebrahimi ghadi 3

1 Faculty of Civil Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran

2 Faculty of Civil & Architecture Engineering, Malayer University, Malayer, Iran

3 MSc student of Civil and Environmental Engineering, Faculty of Civil Engineering, Guest student in Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.

چکیده [English]

Astrazon Red GTL is one of chemical dyes that vastly used in various industries. According to effects of this dye, degradation of wastewater containing Astrazon Red GTL is vital. According to previous researches, suspended microorganisms reactor is one of economically methods. suspended biofilm microorganisms reactor can reach to optimal efficiency in suitable retention time. In this research, for the first time, two cylindrical reactor was used and a new reactor was designed and called as “circulating feed biofilm reactor”. Every of these cylindrical reactors had 2.75 litter volume, 10 cm area and 35 cm height. In this research “circulating feed biofilm reactor” was used for growing of mixed culture microorganism containing Bacillus and Aeromonas. This reactor was used for treatment of Astrazon Red GTL wastewater. In “circulating feed reactor”, two independent variables including retention time and input concentration of pollutant were measured and the effect of each variable were studied on the removal percentage of dye. Following that, modeling and determining the optimum conditions for operating the FB/FFMBBR was carried out based on Response Surface Methodology (RSM). The results showed that the optimum condition occurred at retention time of 6.21 h and input dye concentration of 74.77 mg/l. Based on this research, retention time has the greatest impact on the removal efficacy of this biological system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Optimization
  • Bacillus
  • Aeromonas
  • removal

بهینه سازی پارامترهای تاثیرگذار محیط روی توانایی حذف استرازول رد جی­تی­ال  توسط گونه های غالب Bacillus وAeromonasدر یک مطالعه کشت همزمان

فرهاد قادری1*،  امیرحسین سیاح زاده2 و مسعود ابراهیمی قادی1,۳

1 ایران، بابل‌، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسی عمران،‌ گروه مهندسی محیط زیست

2 ایران، ملایر،دانشگاه ملایر، دانشکده مهندسی عمران و معماری، ‌ گروه مهندسی عمران

۳ایران، سیرجان،دانشگاه صنعتی سیرجان،دانشکده مهندسی عمران،

تاریخ دریافت: 9/2/97                    تاریخ پذیرش: 23/3/97

چکیده

استرازول رد جی­تی­ال یکی از مواد رنگزای شیمیایی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می­گیرد. با توجه به اثرات این ماده، تصفیه فاضلاب حاوی این ماده امری حیاتی است. بر اساس مطالعات پیشین، راکتور با میکروارگانیسم­های بیوفیلمی معلق یکی از روش­های کارآمد از نظر اقتصادی است و در زمان ماند کمتری به راندمان حذف مطلوب می­رسد. در این تحقیق، از دو راکتور استفاده شد که هر یک، استوانه­ای به حجم 75/2 لیتر بود که قطر قاعده­ی آن cm 10 و ارتفاع آن نیز cm 35 بود. دو راکتور به یکدیگر متصل شدند به طوری که در مسیرهای اتصال دو راکتور، دبی در جریان بود و در طی زمان ماند فرآیند، 50 درصد از حجم راکتور­ها به یکدیگر منتقل می­شد و برای اولین بار راکتور جدیدی با نام راکتور بیوفیلمی با تغذیه گردشی طراحی و برای رشد میکروارگانیسم­های کشت ترکیبی شاملBacillus  و Aeromonas و تصفیه فاضلاب حاوی استرازول رد جی­تی­ال استفاده شد. در این سیستم، اثر دو متغیر مستقل زمان ماند و غلظت ورودی اولیه آلاینده بر توانایی حذف بررسی شد و تاثیر پارامترهای محیطی در بهینه­سازی راندمان حذف رنگزای مذکور توسط گونه­های میکروبی مطالعه گردید. در این تحقیق، مدل­سازی نتایج بر اساس روش سطح پاسخ انجام گرفت. بر اساس نتایج حاصل، شرایط بهینه بهره­برداری در زمان ماند 6 ساعت و 13 دقیقه و غلظت ورودی 77/74 میلی گرم بر لیتر اتفاق می­افتاد و راندمان حاصل برابر با 75/73 درصد بدست آمد. بر اساس مدل این تحقیق زمان ماند بیشترین تاثیر را بر راندمان حذف این سیستم بیولوژیکی دارد.

واژه های کلیدی:  بهینه سازی،Bacillus  ، Aeromonas، تجزیه.

* نویسنده مسئول، تلفن:  09128144609 ،  پست الکترونیکی: F.Qaderi@ nit.ac.ir

مقدمه

 

فاضلاب­های صنعتی دارای مواد آلاینده سمی و شیمیایی هستند و تصفیه این نوع فاضلاب­ها به منظور کاهش انتشار این نوع آلاینده­ها در آب­ها امری ضروری است (11). از میان صنایع مختلف فاضلاب صنایع نساجی، یکی از آلوده­ترین پساب­های صنعتی است (15).  به طور کلی تولید یک کیلوگرم پارچه بین 100 تا 200 لیتر آب نیاز دارد (11). طبق آمار­های جهانی سالانه حدود 40 تا 50 میلیون تن محصول در صنایع نساجی در جهان تولید می­شود که با یک تحلیل بسیار ساده می­توان پی برد که سالانه بین 4 تا 10 میلیارد متر مکعب آب در دنیا توسط این صنعت آلوده می­شود­ (12). تخلیه فاضلاب صنعت نساجی بدون تصفیه و به صورت مستقیم به محیط زیست می­تواند اثرات مخربی روی حوضچه­های آب طبیعی و زمین­های اطراف آن ایجاد کند­ (16). کاهش و یا حذف مواد رنگی از پساب­های صنایع نساجی هدف اصلی تصفیه این نوع فاضلاب­ها است­ (13). از آنجایی که حضور رنگ­های مصنوعی و آلی پیچیده در پساب خروجی صنایع نساجی بسیار شایع است استاندارد­های سخت گیرانه­ای توسط نهاد­های نظارتی اتخاذ شده که کار تصفیه فاضلاب صنایع نساجی را پرهزینه و پیچیده می­کند (17)­. یکی از شایع­ترین رنگ­هایی که در این فاضلاب­ها به مقیاس زیاد مورد استفاده قرار می­گیرد رنگ استرازول رد جی­تی­ال(Astrazon Red GTL) است. این ماده وزن ملکولی 34/426 گرم بر مول دارد و فرمول شیمیایی آن  C19H25Cl2N5O2است.

در روش­های فیزیکی به دلیل اینکه آلاینده از بین نرفته و فقط از محیطی به محیط دیگر انتقال می­یابد از نظر محیط زیستی قابل توجیه نیست (7) و ایراد روش­های شیمیایی؛ هزینه زیاد مواد تصفیه کننده شیمیایی و در برخی موارد، تجزیه ماده اولیه به مواد سمی دیگر است (17). از این رو در این تحقیق از روش بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب رنگی استفاده شد. در روش بیولوژیکی نه تنها رنگ­های شیمیایی درون پساب از بین می­رود بلکه از نظر اقتصادی نیز کم هزینه است (23). تصفیه بیولوژیکی به دو صورت هوازی و بی­هوازی تقسیم می شود که در فرایند بی­هوازی باکتری­های بی هوازی را درون راکتور­های بی هوازی قرار داده تا فاضلاب را تصفیه کنند که این روش به دلیل هزینه­ی بالای ساخت راکتور و اجرای سخت آن، قابلیت و منفعت اجرایی ندارد (19).

یکی از انواع راکتور­های سیستم هوازی، راکتور میکروارگانیسم­های با بستر متحرک است. این راکتور دارای آکنه­های حاوی میکروارگانیسم­هایی می­باشد که داخل راکتور شناور هستند. این آکنه­ها بستری مناسب برای رشد و تکثیر میکروارگانیزم­ها است. در سال­های اخیر استفاده از این سیستم تصفیه برای فاضلاب­ها بطور موفقیت آمیزی گسترش یافته است و امروزه این سیستم یک موفقیت بزرگ در تصفیه صنایع کاغذ (9)، کشتارگاه­های صنعتی (10)، کارخانه­های لبنی (2) به حساب می­آید.

با توجه به پژوهش­های پیشین؛ در این تحقیق برای اولین بار از ترکیب و اصلاح راکتورهای حاوی میکروارگانیسم­های معلق و بیوفیلمی به صورت راکتور با تغذیه گردشی برای تصفیه فاضلاب رنگی حاوی ماده رنگزای استرازول رد جی­تی­ال استفاده شده است و همچنین گونه­های میکروبی موثر در این تصفیه مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق تاثیر پارامترهای محیطی در بهینه­سازی راندمان حذف رنگزای مذکور توسط گونه­های میکروبی مطالعه گردید. مدل سازی نتایج آزمایشگاهی و بهینه­سازی شرایط بهره برداری از این راکتور مذکور برای رسیدن به بالاترین راندمان، بر اساس روش سطح پاسخ (RSM= Astrazon Red GTL) برای نخستین بار انجام گرفت و با بررسی آماری نتایج و مقایسه آن با پژوهش­های گذشته، کارایی این سیستم بررسی گردید.

مواد و روشها

راکتور با تغذیه گردشی: راکتور با تغذیه گردشی از دو راکتور حاوی میکروارگانیسم­های معلق و بیوفیلمی که به طور نوآورانه­ای به یکدیگر متصل شده­اند ساخته شد. هر راکتور حاوی میکروارگانیسم­های معلق و بیوفیلمی، یک استوانه­ای به حجم 75/2 لیتر بود که قطر قاعده­ی آن cm 10 و ارتفاع آن نیز cm 35 بود. درون راکتور، در ارتفاع­ cm 10 از کف استوانه، با تعبیه­ی تکیه­گاه­هایی، یک صفحه توری نصب گردیده بود تا فضایی جهت استقرار هواده فراهم گردد. در ارتفاع­ cm 30 از کف استوانه نیز، نشانه­هایی تعبیه شده بود تا مشخصه­ی سطح بالای پساب موجود در راکتور باشد. بنابراین ارتفاع موثر راکتور cm 30 و در نتیجه حجم موثر راکتور نیز L 355/2 بود. از قسمت­های راکتور تحقیق، سیستم هوادهی بود. در این تحقیق هوادهی با نرخ 33/3 لیتر بر دقیقه به ازای هر لیتر مایع انجام گرفت. ابتدا در این تحقیق، مطابق شکل 1 راکتورها به یکدیگر متصل شدند و راکتور با تغذیه گردشی تشکیل شد. لازم به ذکر است که در مسیر بازچرخش فاضلاب و مسیر عبور فاضلاب از راکتور 1 به 2 دبی در جریان بود که در طی زمان ماند فرآیند، 50 درصد از حجم راکتور­ها به یکدیگر منتقل می­شد.

 

   

(الف)

(ب)

شکل 1- راکتور بیولوژیکی با تغذیه گردشی : الف) شکل سه بعدی؛ ب) شکل شماتیک


RSM و متغیرهای مستقل و وابسته: اساس روش RSM، استفاده از روش­های محاسباتی روی داده­های آزمایشگاهی است. در این روش برای بهینه­سازی مدل و توصیف کارکرد سیستم از توابع مختلفی استفاده می­شود. در این تحقیق، جهت طراحی آزمایشات و نیز تجزیه و تحلیل نتایج حاصله، از نرم­افزار Design-Expert 7.0.0 استفاده شد. در این تحقیق، دو متغیر مستقل زمان ماند و غلظت اولیه رنگزا مورد بررسی قرار گرفته است و با استفاده از طراحی آزمایش، مقدار بهینه درصد حذف با استفاده از مدل مرتبه دو (Quadratic) تعیین ­گردید.

تهیه و سازگار کردن میکروارگانیسم­ها؛ غلظت و ترکیب فاضلاب ورودی: به منظور راه‌اندازی پایلوت­ها از لجن برگشتی حوضچه لجن­فعال تصفیه‌خانه­ی فاضلاب شهری استفاده شد. حدود 40 درصد از حجم بیوراکتورها توسط لجن غلیظ و مابقی با آب شهری تا حجم موثر پر شد.

بیوراکتورها خوراک با نسبت کربن/ نیتروژن/ فسفر (P:N:C) برابر 1:5:100 تزریق می­شد که کربن آن در دوره سازگاری از گلوکز و استرازول رد جی­تی­ال (تهیه شده از شرکت الوان ثابت ایران) و در آزمایشات اصلی از استرازول رد جی­تی­ال تامین می­­گردید (5). در شکل 2 غلظت و ترکیب فاضلاب ورودی در دوره سازگاری و در جدول 1 غلظت فاضلاب ورودی در آزمایشات اصلی ارائه شده است.

در این تحقیق در مرحله سازگارسازی ترتیب ترکیبات مواد مغذی ورودی به سیستم از گلوکز و استرازول رد جی­تی­ال برای خوراک­دهی استفاده شد و در این دوره زمان ماند برای هر بار غذا دهی برابر با 7 ساعت و 48 دقیقه بود و هر ترکیب ورودی آنقدر تکرار گردید تا راندمان به حالت پایا برسد . در ابتدای هر دوره به میزان pH به صورت دوره­ای اندازه‌گیری و در تمام مراحل تحقیق در محدوده 2/7-8/6 ثابت نگه داشته شد. در این محدوده کارکرد میکروارگانیسم­ها امکان­پذیر است (1). همچنین در طی دوره بهره­برداری میزان دمای بیوراکتورها در حدود 25-21 درجه سلسیوس قرار داشت. پس از سازگارسازی میکروارگانیسم­ها، در آزمایشات اصلی حاصل از RSM (جدول 1) از استرازول رد جی­تی­ال به عنوان خوراک اصلی تمامی راکتورها استفاده گردید. در کل دوره تحقیق اوره به عنوان منبع اصلی نیتروژن و ترکیب نمک­های بافر فسفات K2HPO4 و KH2PO4 به عنوان منبع فسفر جهت تامین  نسبت  کربن /  نیتروژن /  فسفر  به  سیستم  تزریق

می­شدند.

 

 

شکل 2- غلظت و ترکیب فاضلاب ورودی در هر بار غذا دهی به راکتور در طول دوره سازگارسازی


بررسی مکانیسم­های حذف آلاینده و پارامترهای کنترلی: به منظور بررسی تاثیر مکانیسم عریان­سازی بطور مجزا، در مراحل نخست تحقیق، راکتور تحقیق حاوی فاضلاب استرازول رد جی­تی­ال بدون حضور آکنه و بیومس، هوادهی گردید و میزان غلظت استرازول رد جی­تی­ال در این حالت اندازه­گیری شد که نتایج حاکی از عدم تغییر غلظت آلاینده بود.

بطور کلی جذب هر آلاینده یا ماده توسط توده بیولوژیکی زمانی می­تواند به عنوان یک مکانیسم مورد توجه قرار گیرد که لگاریتم ضریب تفکیک اکتانول– آب (log KOW) آن ماده کمتر از 4 نباشد  (6). از آنجا که لگاریتم ضریب تفکیک اکتانول– آب استرازول رد جی­تی­ال بزرگتر از 4 است (6) اثر این مکانیسم مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی تاثیر انفرادی مکانیسم جذب توسط توده زیستی نیز فاضلاب نفتی با غلظت معینی از بیومس در بشرهای 1 لیتری تماس داده شد و با اندازه­گیری میزان حذف آلاینده پس از رسیدن به حالت تعادل، میزان جذب آلاینده بر روی توده بیولوژیکی بررسی گردید. برای ممانعت از تاثیر و تداخل مکانیسم تجزیه بیولوژیکی در حذف ترکیبات نفتی، بشرهای 1 لیتری حاوی بیومس و فاضلاب، درون لگن­های حاوی مخلوط آب و یخ قرار داده شد تا دمای فاضلاب به کمتر از 0C 4 برسد (1). زیرا در محدوده دمایی کمتر از 0C 4، حتی میکروارگانیسم­های سایکروفیلیک، نیز علی­رغم زنده بودن فعالیت میکروبی خود را از دست داده و قادر به انجام فرایندهای تجزیه بیولوژیکی نمی­باشند (3) و می­توان این اطمینان را حاصل نمود که با کاهش دمای محیط به کمتر از 0C 4، میکروارگانیسم­ها از نظر بیولوژیکی غیرفعال شده­اند. برای تماس و اختلاط کافی بیومس و فاضلاب، از همزن­های دستگاه جارتست با دور rpm 15 استفاده شد (1).

لازم به ذکر است که در تمام دوره آزمایشات، مقادیر MLSS و MLVSS ثابت نگه داشته شد.

بررسی میکروسکوپی: به منظور بررسی میکروارگانیسم­های موجود در بیوراکتورها نمونه­های میکروبی تحت بررسی میکروسکوپی قرار گرفت، همچنین کشت میکروبی از میکروارگانیسم­های موجود در راکتورها انجام گرفت تا گونه­های مقاوم مشخص گردند. جهت بررسی نوع میکروارگانیسم­هایی که امکان حضور در راکتور حاوی آلاینده را دارند، پس از مطالعه و مشاوره با متخصصان باکتری­شناسی، محیط­کشت نوترینت آگار تهیه گردید. در مرحله کشت بعد از آماده­سازی و استریل کردن محیط­کشت، محیط­کشت مذکور در پلیت­های استریل تقسیم­بندی شده و پلیت­ها در شرایط کاملاً استریل برای مدت 4 الی 5 ساعت در دمای 0C 4- یخچال نگهداری گردید تا برای انجام کشت میکروبی آماده گردد. در مرحله بعد بذر میکروبی تکثیر یافته  از بیوراکتورها با رقت 100/1­، 200/1، 300/1، 400/1، 500/1 رقیق سازی شد. نمونه­های تکثیر یافته در مرحله اول بعد از رقیق­سازی، در مقادیر­(­Lµ 20، 10، 5، 1) بر روی پلیت­ها به صورت کشت چمنی گسترش داده شده و در دمای 0C 37 در انکوباتور به مدت 48-24 ساعت قرار گرفتند. هدف از این مرحله رشد و تکثیر انواعی از میکروارگانیسم­های موجود در بیوراکتورها بود. بعد از پایان انجام دو مرحله کشت میکروبی و خالص­سازی باکتری­ها، کلنی­های رشد یافته بر روی محیط­کشت علامت­گذاری گردید و رنگ­آمیزی با رنگ­های گرم انجام گرفت.

مرجع انجام آزمایشات: تعیین غلظت استرازول رد جی­تی­ال توسط رسم منحنی کالیبراسیون با دستگاه اسپکتروفتومتر در طول موج 530 نانومتر صورت گرفت. کلیه آزمایشات انجام شده در این تحقیق، بر اساس دستورالعمل­های ارائه شده در کتاب روش­های استاندارد آزمایشات آب و فاضلاب­ (8) انجام گردید.

نتایج و بحث

در این تحقیق اثر دو عامل اصلی  بر  هر  نمونه  به  عنوان

متغیر­های مستقل بررسی گردید که اولین متغیر زمان ماند (در بازه 2 ساعت و 10 دقیقه تا 7 ساعت و 50 دقیقه) و دیگری غلظت ورودی اولیه آلاینده (در بازه 22/47 تا 78/202 میلی گرم بر لیتر) است. جدول 1 بیانگر نتایج  آزمایشات است. در جدول 1، ستون اول، زمان ماند و ستون دوم، میزان غلظت آلاینده را در آزمایشات مختلف نشان می­دهد و در ستون سوم درصد حذف مربوط به هر آزمایش ارائه شده است.

جدول 1- تغییرات درصد حذف الاینده در زمان ماند و غلظت­های مختلف

درصد حذف (%)

   غلظت اولیه (mg/L)

زمان ماند (hr)

شماره آزمایش

62

125

5

1

62

125

5

2

80

70

7

3

80

22/47

5

4

62

125

5

5

57

70

3

6

62

125

5

7

49

125

17/2

8

62

125

5

9

54

78/202

5

10

59

180

7

11

45

180

3

12

71

125

83/7

13

جدول 1 بیانگر این است که در زمان ماند 5 ساعت و غلظت ورودی 22/47 میلی گرم بر لیتر، راندمان حذف برابر 80% است. برای مدل سازی نتایج، با استفاده از نرم افزار و از روش سطح پاسخ، مدل بهینه استخراج شد.

اثر زمان ماند و غلظت رنگزای اولیه:  در شکل 3، اثر همزمان زمان ماند و غلظت زمان ماند اولیه بر درصد حذف ارائه شده است. همانطور که در شکل 3 مشخص است  در زمان ماند 7 ساعت و غلظت ورودی 70 میلی گرم بر لیتر راندمان حذف 80% بدست آمده است و راندمان حذف در این راکتور در زمان ماند 2 ساعت و 17 دقیقه و در غلظت ورودی 125 میلیگرم بر لیتر 62% است. همانطور که در این شکل مشخص است راندمان حذف آلاینده با میکروارگانیسم­های این تحقیق، با زمان ماند نسبت مستقیم و با غلظت آلاینده ورودی نسبت عکس دارد.

پژوهش­های قبلی انجام شده در خصوص حذف آلاینده­ها به روش بیولوژیکی با استفاده از سنگ پامیس به عنوان بستر بیوفیلم نشان داده است که هرچه غلظت ورودی آلاینده به راکتور بیشتر شود، کارایی سیستم کاهش پیدا می­کند (20). همچنین در مطالعات دیگری روی سیستم تصفیه بیولوژیکی بیوفیلمی با بستر متحرک در تصفیه صنایع نساجی، نتایج حاکی از آن بوده که با افزایش غلظت ورودی آلاینده راندمان حذف به شدت پایین می­آید (4).

 

 

شکل 3- اثر زمان ماند و غلظت رنگزای اولیه بر راندمان حذف رنگزا

(زمان ماند در محدوده 3 تا 7 ساعت و غلظت اولیه رنگزا در محدوده 70 تا 180 میلی­گرم بر لیتر)


اثر مجزای هر یک از متغیرهای مستقل: در نمودار­های تک بعدی حاصل از مدل­سازی، اثرات جداگانه هر یک از دو متغیر مستقل روی درصد حذف بررسی شده است. در شکل 4-(الف)، اثر پارامتر زمان ماند بر درصد حذف آلاینده بر غلظت رنگزای اولیه 25 میلی گرم بر لیتر ارائه شده است. بطوری که هرچه زمان ماند بیشتر می­شود درصد حذف به طور چشم­گیری افزایش می­یابد. بر اساس این شکل، مقدار درصد حذف در زمان 7 ساعت برابر 71% است. به طور کلی در تصفیه به روش بیولوژیکی برای تبدیل مواد آلی و محلول به سلول زنده، نیاز به زمان است، هرچه این زمان بیشتر باشد مدت زمان تماس بین باکتری­ها و آلاینده و راندمان حذف بیشتر می­شود در نتیجه ظرفیت جذب بیولوژیکی رابطه مستقیم با زمان ماند دارد. در مطالعات پیشین که در خصوص عملکرد راکتور بیوفیلمی بستر متحرک در تصفیه مخلوط فاضلاب­های شهری و صنعتی انجام گرفت نشان داده شد که با افزایش زمان ماند، راندمان حذف افزایش یافته است (14).

در شکل 4-(ب)، تغییرات غلظت ورودی با درصد حذف آلاینده در مدت زمان 5 ساعت بررسی شده است. در این نمودار به طور کامل مشخص است که با 5/2 برابر شدن غلظت آلاینده درصد کاهش راندمان حدود 3/1 برابر کاهش می­آید با توجه به این که فرایند رنگ­زدایی با استفاده از تصفیه بیولوژیکی وابسته به باکتری­ها است معمولا کارایی آن­ها برای حذف مواد آلی بستگی به میزان سمیت مواد مغذی موجود در سیستم دارد. طبق مطالعات انجام شده گذشته در واقع درصد حذف با غلظت آلاینده ورودی رابطه­ی معکوس دارد در بازه­ی زمانی 5 ساعت در غلظت ورودی 180 میلی­گرم بر لیتر به کمتر از 60% می­رسد و در غلظت ورودی 70 میلی­گرم بر لیتر درصد حذف به  بیش از 71% می­رسد؛ می­توان به این نتیجه رسید که راندمان حذف وابستگی زیادی به غلظت اولیه رنگ دارد  (22).

 

   

(الف)

(ب)

 

       

شکل 4- اثر مجزای هر یک از متغیرهای مستقل بر راندمان حذف رنگزا: الف) اثر زمان ماند (در غلظت رنگزای mg/L 25) ؛ ب) اثر غلظت رنگزای اولیه (در زمان ماند 5 ساعت)

 


اثر متقابل غلظت ورودی آلاینده و زمان ماند: در این بخش نمودار­های اثر متقابل متغیر­های مستقل روی تغییرات درصد حذف، ارائه شده است. این تغییرات به صورت هم­افزایی و یا به صورت اثر معکوس نشان داده می­شود. در شکل 5، اثر متقابل غلظت ورودی آلاینده و زمان ماند روی درصد حذف ارائه شده است. طبق شکل 5 در زمان ماند 3 ساعت با افزایش مقدار غلظت ورودی، راندمان حذف به شدت کاهش می­یابد و در زمان ماند 7 ساعت با افزایش غلظت ورودی به راکتور، درصد حذف کاهش پیدا می­کند ولی شیب نمودار زمان ماند 7 ساعت  بیشتر از 3 ساعت است بنابراین این دو متغیر اثر هم افزایی دارند.

ارائه مدل ریاضی: طبق بررسی­های انجام شده، مدل ریاضی این راکتور به صورت زیر است:

Removal percent = +45.13989 + 11.34511 × Retention Time – 0.19576 × Initial dye concentration – 0.020455 × Retention Time × Initial dye concentration – 0.45312 × Retention Time2 + 5.57851E-004 × Initial dye concentration2

که در رابطه فوق متغیرها عبارتند از:

 Removal percent= درصد حذف؛

 Retention Time= زمان ماند بر حسب ساعت؛

Initial dye concentration= غلظت اولیه استرازول رد جی­تی­ال.

همانطور که از این رابطه مشخص است میزان زمان ماند در راندمان حذف آلاینده بیشترین اثر را دارد.

 

 

شکل 5- اثر متقابل زمان ماند و غلظت رنگزای اولیه بر راندمان حذف رنگزا

(غلظت اولیه در محدوده 70 تا 180 میلی گرم بر لیتر؛ زمان ماند در دو حالت 3 و 7 ساعت)


آنالیز واریانس: در تحلیل واریانس، مجموع مربعات هر پارامتر و درجات آزادی و مجموع کل در نظر گرفته می­شود. خروجی تحلیل واریانس، آماره­ی فیشر می­باشد. بر اساس محاسبات این تحقیق مقدار ارزش p (p-Value) محاسبه شده از آماره فیشر برای مدل، کمتر از 0001/0 بدست آمد و طبق این  داده، مدل ریاضی ارائه شده از نظر آماری معنی­دار است و دو متغیر زمان ماند و غلظت اولیه رنگزا نیز از نظر آماری اثر معنی­داری بر راندمان حذف دارند.

بهینه سازی و اعتبار سنجی: شکل 6 بیانگر دقت زیاد این پژوهش است. همانطور که مشخص است تمامی نتایج حاصل از آزمایش با مدل­سازی انجام شده، همخوانی دارد.

 

   

(الف)

(ب)

شکل 6- مقادیر پیش­بینی بر حسب مقادیر واقعی راندمان حذف با تغییر، الف) زمان ماند؛ ب) غلظت رنگزای اولیه

 

در این مطالعه، مقدار بهینه در زمان ماند 6 ساعت و 13 دقیقه ساعت و غلظت ورودی 77/74 میلی گرم بر لیتر بدست آمد و طبق مدل­سازی ریاضی انجام شده، مقدار بهینه راندمان حذف برابر 75/73 درصد بدست آمد. مقایسه این مدل­سازی با نتایج آزمایشگاهی نشان دهنده خطای کمتر از 5 درصد است که این عدد میزان بالای دقت در این مدل­سازی را نشان می دهد.

بررسی گونه­های میکروبی: بر اساس کشت میکروبی در محیط کشت جامد، رنگ آمیزی گرام و تصاویر تهیه شده، گونه های کوکسی و باسیل گرام مثبت و گرام منفی در یک کشت همزمان در محیط وجود داشته و آلاینده رنگی را حذف کرده­اند. بر اساس آزمایشات انجام شده، نوع غالب میکروارگانیسم­های موجود شاملBacillus  و Aeromonas بودند. در شکل7-(الف) نمونه­ای از تصاویر زیر میکروسکوپ که با عدسی 100X، بزرگ‌نمایی شده و با دوربین 5 مگاپیکسل تصویر برداری شده و در شکل 7-(ب) نمونه­ای از کلنی­های رشد یافته در کشت ارائه شده است.

 

   

(الف)

(ب)

شکل 7- بررسی میکروارگانیسم های موجود در راکتور تحقیق

 (الف) تصاویر زیر میکروسکوپ عدسی 100X و با دوربین 5 مگاپیکسل، (ب) نمونه­ای از کلنی­های رشد یافته در کشت


جمع بندی

در این پژوهش تصفیه رنگ استرازول رد جی­تی­ال که در پساب صنایع نساجی به طور قابل ملاحظه­ای وجود دارد مورد بررسی قرار گرفت. در سیستم جدید این تحقیق با نام "راکتور با تغذیه گردشی"، میکروارگانیسم­های Bacillus  و Aeromonas، میکروارگانیسم­های غالب بودند و بهترین راندمان حذف 80 درصد، در زمان ماند 5 ساعت و غلظت 22/47 میلیگرم بر لیتر از آلاینده بدست آمد. نتایج مدل­سازی بیولوژیکی این  ترکیب نشان می­دهد که حذف این رنگ به زمان ماند بسیار وابسته است و با افزایش زمان ماند و کاهش غلظت رنگ، راندمان حذف افزایش می­یابد. در این تحقیق مشخص شد سیستم پیشنهادی "راکتور با تغذیه گردشی"، توانایی بالایی در حذف استرازول رد جی­تی­ال دارد و می تواند برای بقیه آلاینده­ها در محیط آبی نیز مطالعه و استفاده شود.

1- نایبی گاوگانی ر. 1390. حذف رنگ­های اسیدی توسط فرایند تلفیقی نانوذرات TiO2 تثبیت شده بر بستر بتن و فرایند بیولوژیکی. پایان نامه کارشناسی ارشد گروه مهندسی محیط­زیست دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تربیت مدرس.
 
2- Andreottola G., Foladori P., Ragazzi M. 2002. Dairy wastewater treatment in a moving bed biofilm reactor. Journal Of Water Science and Technology, 45(2), 321-328.
3- Bitton, G. 2005. Wastewater microbiology,Third Edition, John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey,746 p. Chapter 3.
4- Borghei M., Hassani A.H., Sharifi R. 2010. Survey of efficiency of biological treatment system with moving bed (MBBR) in textile wastewater treatment. J. of Science and Technology, 13(1),13-26.
5- Borghei S.M., Hosseini S.H. 2004. The treatment of phenolic wastewater using a moving bed biofilm peactor. Journal of Process Biochemistry, Vol.39, pp.1177-1181.
6- Eckenfelder W.W. 1926. Industrial water pollution control, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 400 p.
7- Fakhru’razi A., pendashte A., Abdullah C.L., AwangBiak D.R., Madaeni S.S., Abidin Z. Z. 2009. Review of technologies for oil and gas produced water treatment. Journal of Hazardous Materials, 170, 530-551.
8- Greenberg A.E., Clesceri L.S., Eaton A.D. 2000. Standard methods for the examination of water and wastewater, 20th Edition, American Public Health, Washington.
9- Jahren S.J., Rintala J.A., Odegaard H. 2002. Aerobic moving bed biofilm reactor treating thermomechanical Pulping whitewater under thermophilic conditions. Journal of Water Research, 36(4), 1067-1075.
10- Johnson C,H., Page M. W., Blaha L., 2000. Full scale moving bed biofilm reactor results from refinery and slaughter house treatment facilities. Journal of Water Science and Technology, 41(4-5), 401-407.
11- Kaushik, P., Malik, A., 2009. Fungal dye decolourisation, recent advances and futurepotential. 35, 127–141.
12- Lackey L.W., Mines R.O., McCreanor P.T. 2006. Ozonation of acid yellow 17 dye in a semi-batch bubble column, Journal of Hazardous Materials, 138, 357-362.
13- Maleki A., and Rezaee R. 2009. Toxicity reduction of reactive black 5 and disperse orang 25 by advanced oxidation processes. J. of Color Science and Technology, 3, 17-23.
14- Mohammadyari N., and Balador A. 2008. Performance of MBBR in the treatment of combind municipal and industrial wastewater a case study: Mashhad sewagwe treatment plant of Parkandabad, 19-1 (65), 38-46.
15- Prigione V., Tigini V., Pezzella C., Anastasi A., Sannia G., Varese G.C. 2008. Decolourization and detoxification of textile effluents by fungal biosorption.Water Res. 42, 2911–2920.
16- Ranganathan K., Karunagaran K., Sharma D.C. 2007. Recycling of wastewaters of textile dyeing industries using advanced treatment technology and cost analysis—Case studies. Resources, Conservation and Recycling, 50 , 306–318.
17- Rafatullah M., Sulaiman O., Hashim R., Ahmad A. 2010. Adsorption of methylene blue on low-cost adsorbents: A review, Journal of Hazardous Materials, 177, 70-80.
18- Robinson T., McMullan G., Marchant R., Nigam P. 2001. Remediation of dyes in textile effluent: a critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Bioresource Technology, 77, 247-255.
19- Shaolan Ding., Zhengkun Li., Wangrui k. 2010. Overview of dyeing wastewater treatment technology. Water resources protection, 26, 73-78.
20- Sharbatmalaki M., and Borghei S.M. 2005. Performance of pumice stone as a packing in fixed-bed aerobic bioreactor. J. of Water and Wastewater, 16-4 (56), 62-71.
21- Tehrani-bagha A.R., and Amini F.L., 2010. Decolorization of wastewater containing C.L. reactive red 120 by UV- enhanced ozonation. J. of Color Science and Technology, 4, 151-160.
22- Tchobanoglous G., Burton F.L., Stensel H. D. 2003. Wastewater engineering: Tretment, disposal, reuse, 4th Ed., Tata McGraw-Hill, New Delhi.
23- Zitomer D.H., Tonuk G.U. 2003. Propylene Glycol Deicer Biodegradation Kinetics: Anaerobic Complete-Mix Stirred Tank Reactors, Filter, and Fluidized Bed. Journal of Environmental Engineering, 129, 123-129.