مرجع تخصصی آب و فاضلاب

مقاله تأمین اکسیژن خالص توسط جلبک در تصفیه فاضلاب
احمد بادکوبی - استادیار- گروه عمران ، دانشکده مهندسی،دانشگاه تربیت مدرس
علی خردمند - کارشناس ارشد- گروه عمران ، دانشکده مهندسی،دانشگاه تربیت مدرس
چکیده مقاله:
عملیات هوادهی یکی از مهمترین و اصلی ترین مراحل در فرآیند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب به شمار می رود. تاکنون رو ش های متفاوتی برای هوادهی توده بیولوژیکی فاضلاب بکار رفت ه است. هوادهی مکانیکی بوسیله همزن های موتوری . در این تحقیق سعی شده است تا از فعالیت جلبک ها به منظور تأمین اکسیژن مورد نیاز میکروارگانی سمهای دیگری (باکتری ها) بهره گیری شود . در این حالت CO 2 تولیدی باکتری ها منبع کربن مصرفی جلبک ها خواهد بود . با انجام این عمل نه تنها نیازی به از بین بردن جلبک ها در سیستم تصفیه به عنوان عامل مزاحم نیست بلکه با اعمال شرایط بهینه ، اکسیژن مور د نیاز سیستم تأمین شده و از صرف هزین ههای گزاف جهت هوادهی پرهیز می گردد.در عملیا ت آزمایشگاهی این پروژه ، سه راکتور راه اندازی گردید . در راکتوراول که شامل دو مخزن است جلبک و فاضلاب به صورت مجزا رشد داده شدند . راکتور دوم نیز حاوی مخلوطی از باکتری و جلبک بو د و در شرایطی مشابه با برکه های هوازی اختیاری راه اندازی گردید . راکتور سوم مشابه راکتور اول با این تفاوت که در مخزن حاوی جلبک ، الکترودهای گرافیتی جهت انجام عمل الکترولیز قرار داده شد
کلیدواژه‌ها:
تُامین اکسیژن خالص ، جلبک ، تصفیه فاضلاب.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جلبكهای دریایی یا Seaweed یا Macroalgae به لحاظ اهمیتی كه در جهان دارند، تخمین زده می شود كه كل تولید محصولات متنوع آنها معادل ۶ ـ ۵/۵ میلیارد دلار آمریكا در سال باشد(FAO)، كه حدود ۵ میلیارد دلار آمریكا به بخش فرآورده های غذایی و خوراك انسانی اختصاص می یابد و مابقی آن را كود و افزودنی های خوراك دام تشكیل می دهند. استفاده های صنعتی آن تقریبا ۸ ـ ۵/۷ میلیون تن (وزن تر) جلبك استحصالی از دریا یا پرورشی در سال است.برداشت تجاری آن در ۳۵ كشور جهان از نیمكره شمالی تا جنوبی، در آبهای سرد، معتدل تا تروپیكال صورت می گیرد. در ایران جلبك های دریایی در سواحل جنوبی كشور بویژه در سواحل سیستان و بلوچستان (چابهار) فراوان یافت می شوند كه بر اساس تقسیم بندی گیاه شناسان از هر سه گروه جلبك های سبز یا كلروفیت، جلبك های قهوه ای یا فیتوفیت و جلبك های قرمز یا رودوفیت در این منطقه وجود دارند. كشور چین یكی از بزرگترین تولید كنندگان جلبكهای خوراكی در دنیا بوده كه سالانه حدود ۵ میلیون تن برداشت می كند، بطوریكه در سال ۱۹۹۹، برداشت لامیناریای آن حدود ۵/۴ میلیون تن بوده و در حال حاضر نه تنها خود كفا بوده، بلكه یكی از بزرگترین صادر كننده لامیناریا بوده است. كشورهایی نظیر ژاپن، تایوان، كره ... نیز مدت طولانی است که در زمینه برداشت از دریا و پرورش فعالیت دارند و هر ساله میلیونها دلار ارز از تولید و صادرات آن بصورت خام یا بصورت عمل آوری شده ، بدست می آورند. بیش از ۱۸۵ گونه از جلبكها مصرف غذایی داشته كه از این مقدار ۲۵ گونه آن به جلبك های سبز، ۷۰ گونه آن به جلبكهای قهوه ای و ۹۰ گونه آن به جلبكهای قرمز اختصاص می یابد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اهمیت اقتصادی و کاربردی جلبکهای دریایی جلبکهای میکروسکوپی ( ریز جلبکها ) از قدیمی ترین ساکنان اقیانوسها و آبهای شیرین می باشند، خلقت آنها نه تنها به میلیارد ها سال قبل از تاریخ حیات بشر بر می گردد.

● مقدمه

جلبکهای میکروسکوپی ( ریز جلبکها ) از قدیمی ترین ساکنان اقیانوسها و آبهای شیرین می باشند، خلقت آنها نه تنها به میلیارد ها سال قبل از تاریخ حیات بشر بر می گردد، بلکه پیش از تمامی گونه های جانوری و گیاهی می زیسته اند و هم اکنون در طبیعت پیرامون ما وجود داشته و نقش بسیار مهم و کلیدی را در اکوسیستم ایفا نموده و در دسترس می باشند ( جلیلی ۱۳۸۶). جلبکها در آبهای سطحی در جاهایی که نور خورشید وجود دارد رشد می کنند. بیشتر آنها توسط قلابهایی به کف اقیانوس یا صخره ها محکم چسبیده اند.

جلبکها متشکل از سه گروه قرمز، قهوه ای و سبز هستند. امروزه جلبک کلرلا ولگاریس به شکل پودر در مواد غذایی خمیری نظیر نان، کیک، بیسکوئیت و ماکارونی و همراه با ماست، شیر، بستنی و غیره کاربرد دارد .کلرلا به شکل قرص و کپسول به میزان ۱۰ تا ۳ گرم در روز در انسان مصرف جهانی داشته و برای دام، طیور و آبزیان به عنوان مکمل غذایی با خواص عدیده مصرف می گردد. دیواره سلولی کلرلا قابلیت جذب و دفع فلزات سنگین، سموم شیمیایی و برخی سموم پایدار را داراست. جلبکهای دریایی یا Seaweed یا Macroalgae به لحاظ اهمیتی که در جهان دارند، تخمین زده می شود که کل تولید محصولات متنوع آنها معادل ۶ ـ ۵/۵ میلیارد دلار آمریکا در سال باشد(FAO)، که حدود ۵ میلیارد دلار آمریکا به بخش فرآورده های غذایی و خوراک انسانی اختصاص می یابد و مابقی آن را کود و افزودنی های خوراک دام تشکیل می دهند.

استفاده های صنعتی آن تقریبا ۸ ـ ۵/۷ میلیون تن (وزن تر جلبک استحصالی از دریا یا پرورشی) در سال است. برداشت تجاری آن در ۳۵ کشور جهان از نیمکره شمالی تا جنوبی، در آبهای سرد، معتدل تا تروپیکال صورت می گیرد. در ایران جلبک های دریایی در سواحل جنوبی کشور بویژه در سواحل سیستان و بلوچستان ( چابهار ) فراوان یافت می شوند که بر اساس تقسیم بندی گیاه شناسان از هر سه گروه جلبک های سبز یا کلروفیت، جلبک های قهوه ای یا فیتوفیت و جلبک های قرمز یا رودوفیت در این منطقه وجود دارند. کشور چین یکی از بزرگترین تولید کنندگان جلبکهای خوراکی در دنیا بوده که سالانه حدود ۵ میلیون تن برداشت می کند، بطوریکه در سال ۱۹۹۹، برداشت لامیناریای آن حدود ۵/۴ میلیون تن بوده و در حال حاضر نه تنها خود کفا بوده، بلکه یکی از بزرگترین صادر کننده لامیناریا بوده است. کشورهایی نظیر ژاپن، تایوان، کره و ... نیز مدت طولانی است که در زمینه برداشت از دریا و پرورش فعالیت دارند و هر ساله میلیونها دلار ارز از تولید و صادرات آن بصورت خام یا بصورت عمل آوری شده، بدست می آورند. امروزه نیز جلبک شناسان در کشورهای مختلف، در کنار تحقیقات زیستی خود دربارۀ جلبکها، به دنبال کشف خواص مفید و روشهای استفاده اقتصادی از آنها هستند . میکروآلگ ها برای مصارف گوناگون بصورت صنعتی تولید می شوند. تعدادی از آنها در مقیاس وسیع تولید و به عنوان غذای سالم منبع ویتامین و مواد معدنی در غذای انسان و خوراک دام، پرورش آبزیان و برای تصفیه بیولوژیک آبهای صنعتی بکار می روند.

استفاده های مفید از جلبکها

۱) جلبکها به عنوان غذای انسان

ژاپن اولین کشوری که روش صنعتی کشت و پرورش جلبک را ابداع کرد. تنها در سال ۱۹۹۵ در ژاپن ۲۲۰۰۰۰ تن جلبک بصورت غذای انسان مصرف شده است. استفاده از جلبک های دریایی بعنوان غذای جایگزین حاوی کمی پروتئین، تمام اسیدآمینه ضروری، ویتامین ها، مواد معدنی، اسیدهای چرب غیراشباع با چند پیوند دوگانه مانند آراشیدونیک اسید، ایکوساپنتئنویک اسید و دوکوسوهگزائینویک اسید هستند. حدود ۶۰% تا ۷۰% وزن خشک اسپیرولینا پروتئین می باشد. امروزه از اسپیرولینا در کلوچه ها، نانها، سالاد و سوپ استفاده می نمایند و در کشورهای اروپایی برای بهبود رژیم غذایی قرصهای اسپیرولینا بصورت روزانه مصرف می شود. مصارف انسانی ترکیباتی همچون لامینارین و فوکوایدان ها متابولیت های ثانویه استخراج شده از جلبک ها (مانند ترکیبات هالوژنه)، عصاره های برگرفته از برخی جلبک های قرمز، آنزیم سوپراکسید دیسموتاز، هالوپرواکسیدازها می باشند. استفاده از جلبکها برای تغذیه انسان سابقۀ طولانی دارد و به سالهای قبل از میلاد می رسد. طی قحطی بزرگی که در اواسط قرن نوزدهم در انگلستان بر اثر آلودگی قارچی سیب زمینی رخ داد، یک نوع جلبک قرمز دریایی جایگزین مهمی برای محصولات سیب زمینی شد. امروزه نیز در بسیاری از کشورهای آسیایی و اروپایی، به ویژه در کشورهایی که دارای سواحل طولانی با دریاهای آزاد هستند، به شکلهای مختلفی از جلبکها به منظور تغذیه استفاده می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تعریف جلبکها : جلبکها(algae)گروه بزرگی از موجودات ساده هستند که حاوی کلروفیل اند و قادرند با فتوسنتز موادغیر ارگانیک را به مواد ارگانیک تبدیل کنند . آنها در آبهای کم عمق می رویند و برای رشد به نور خورشید  دی اکسید کربن ،آب و مواد معدنی نیازمندند . به دو دسته تقسیم می شوند : تک سلولی(میکرو الگها) و پر سلولی(ماکرو الگها) .

جلبکها برای چه می شکفند؟ پدیده ی شکوفایی جلبکی(algal bloom)

زمانی روی می دهد که بر اثر عوامل گوناگون تعداد فیتوپلانگتونها (گیاهان تک سلولی با قابلیت فتوسنتز که زیر بنای تولید در آبند) در آب و معمولا در اوایل پاییز یا بهار و در صورت مناسب بودن درجه حرارت، بیش از حدود یک میلیون عدد در لیتر شود و رنگ آب به رنگیزه ی غالب(قرمز،صورتی،زرد-سبز،قهوه ای ولی بیشتر اوقات قرمز) درآید. مواردی چون : ریختن فاضلاب به دریا،بروز طوفان و گردوخاک حاوی آهن،ال نینو(پدیده بزرگ اقیانوسی)،کاهش شوری در خلال آرام شدن دریا(در تابستان)،جابجایی پلانگتونها توسط آب،باد،  طوفان،امواج وکشتی های دیگر ویا حتی زمین لرزه در یک منطقه و به طور کلی وجود مواد مغذی+دمای مناسب باعث بروز این پدیده می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

شناسایی دریاها موجب شده است که فرآورده های بسیاری برای انسان حاصل شود، یکی از این فرآورده ها جلبک ها هستند که به زندگی روزانه بشر فواید بسیاری می رسانند. بررسي تکنولوژي و جنبه‌هاي اقتصادي توليد جلبک‌ها نشان مي‌دهد که از آن‌ها در جنبه‌هاي مختلف توليد مواد مي‌توان استفاده کرد . از جمله کاربرد جلبک‌ها درصنايع غذايي، تغذيه، توليد دارو، رنگ دانه، مواد شيميايي و سوخت مي‌باشد

(Sano T et al, 1988) .

1- اهمیت جلبک ها به عنوان تولید کننده در اکوسیستم های آبی
جلبكها موجودات فتواتوتروف هستند و توليد كنندگان اصلی مواد آلي در محيطهاي آبي مي باشند. در اكوسيستمهاي آبي جلبكها و فيتو پلانكتونها بخش مهمي از زنجيره غذايي موجودات آبزي و ماهيها را تشكيل مي دهند و لذا بخش عمده اي ا زتوليدات آبزيان مستقيماً‌ وابسته به وجود آنها است همچنین جلبکها به واسطه عمل فتوسنتز و متصاعد نمودن اكسيژن، محيط اطراف خود را اكسيژنه نموده و براي حيات آبزيان مساعد مي نمايند جلبک هایی نظیر Chlorella نیز به هوادهی آب در گرفتن دی اکسید کربن کمک کرده که در نتیجه سبب ذخیره سازی اکسیژن و انجام پروسه فتوسنتز می گردد و این پدیده برای ماهیان بسیار با ارزش و سودمند خواهد بود ( Tanaka K et al,1997)
2- اهمیت جلبک ها به عنوان غذای انسان
در بخشهای مختلف دنیا بيش از صد گونه از جلبكها و عمدتاً‌ جلبكهاي قهوه اي و قرمز و تعدادي از جلبكهاي سبز مورد استفاده غذايي قرار مي گيرند. جلبکها به علت سرشار بودن از مواد معدنی،‌ويتامينها،‌هيدراتهاي کربن، و پروتئین ها كه د ردرون سلولها و يا در ديواره سلولها وجود دارند،‌مورد استفاده غذايي انسانها قرار مي گیرند. در ذیل به برخی از آنها كه مورد استفاده غذايي دارند به طور اختصار اشاره مي شود:
الف) از جلبكهاي قهوه اي بيشتر: Laminaria, Pelvetia, Sargassun, DAURVILLEA, Alaria. بر طبق گفته پرسكات جلبكهاي قهوه اي از نظر ارزش غذايي حاوي 15/6 درصد پروتئين (شامل 15 نوع اسيد آمينه )،‌56/1 درصد چربي و 04/57 درصد هيدرات كربن مي باشند. همچنين آنها داراي انواع مواد معدني همراه با كاروتن،‌ ويتامين و فلاوين مي باشند.
ب)از جلبكهاي قرمز: Palmaria , Rhodymenia, Chonfrus, Gigartina, Porphyra
(پ) بين جلبكهاي سبز (كلروفيسه): Codium, Chlorella, Monostroma, Ulva.
(ت) بين جلبكهاي سبز متمايل به آبي گونه Nostoc commune به نام «Yuyucho» در چين جاوا و بعضي كشورهاي ديگر مورد استفاده غذايي قرار مي گيرد.Barsanti.L, 2006)

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جلبکها، میکروارگانیسم های یوکاریوتند و قادرند عمل فتوسنتز انجام دهند و قادر به رشد در هرجایی که نور خورشید و مقداری رطوبت وجود دارد، می باشند.

جلبک ها به خانواده گیاهان تعلق دارند و فاقد ریشه و برگ و ساقه اند و به صورت تک سلولی، چند سلولی و کلنی یافت می شوند. اندازه جلبکها بسیار متنوع است و از چند میکرون تا چند متر هستند.

حضور جلبک ها در برکه های تثبیت تصفیه فاضلاب بسیار مهم است. جلبک ها با تولید اکسیژن رشد و فعالیت باکتری ها را میسر میسازند و باعث تسریع عمل تصفیه می شوند.

انواع جلبک بر اساس محیط زندگی

جلبک های اپی زوئیک: قادر به رشد روی سطح بدن جانوران

جلبک های اپی فیتیک: قادر به رشد روی گیاهان

جلبک های اپی پلیک: قادر به رشد روی شن و ماسه

جلبک های اپی لیتیک: قادر به رشد روی تخته سنگها

جلبک های کرایوفلورا: قادر به رشد روی یخ و برف

جلبک های بنتوس یا کف زی: قادر به رشد در کف رودخانه های کم عمق

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جلبکها و سیانو باکتریا با فراهم نمودن ذرات اسکلتی کربناته ، به تله انداختن دانه‌ها برای تشکیل رسوبات لامینه‌ای و با حمله به ذرات و بسترهای زیستی از طریق فعّالیت موجودات حفّار ، در تشکیل سنگهای آهکی سهم بسزایی دارند. بیشتر سنگهای آهکی پرکامبرین تا حدودی توسط سیانو باکتریا تشکیل شده‌اند و سنگهای آهکی حاصل از موجودات میکروسکوپی بطور گسترده‌ای در طول فانروزئیک گسترش داشته‌اند. چهار گروه حائز اهمیت هستند. جلبک قرمز (رودوفیت). جلبک سبز (کلروفیت) ، جلبک سبز – زرد (کریزوفیتا) و سیانو باکتریا (جلبک سبز - آبی).
رودوفیتا Rhodophyta
جلبکهای آهکی رودوفیتا ، نظیر کوارلیناسه corainacae (کربونیفر تا عهد حاضر) و سولفورپوراسی salenoporaceae (کامبرین تامیوسن) دارای اسکلتهایی از کلسیت کریپتو کریستالینی هستند که در داخل یا بین دیواره‌های سلول ته‌نشین شده‌اند. کلسیت موجود در جلبکهای کورالین عهد حاضر دارای مقادیر زیادی Mg ، است که در ارتباط با درجه حرارت آب می‌باشد. بیشتر جلبکهای کورالین بسترهای زیستی را می‌پوشاند و چنانچه یک پپل یا پوسته داشته باشد نرونهایی که تحت عنوان رودولیت rhoodolith خوانده می‌شود تشکیل می‌شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جلبکها ساده‌ترین موجودات واجد کلروفیل هستند. سه تفاوت عمده بین جلبکها و گیاهان عالی وجود دارد. اولا جلبکها فاقد ریشه ، ساقه و برگ‌ هستند، ثانیا در اطراف اندامها یا ساختارهای زایشی جلبکها یاخته‌های محافظ وجود ندارد، ثالثا جنین در جلبکها دیده نمی‌شود. در طبیعت جلبکها در محیطهای گوناگون یافت می‌شوند. آب محیطی است که بیشترین جلبکها را در خود جای داده است.

در سطح خاکهای مرطوب نیز تعداد بسیار زیادی جلبک یافت می‌شود. بخشهای هوایی درختان و همچنین سنگها و صخره‌ها محلهای دیگری هستند که جلبکها می‌توانند بر روی آنها رشد کنند. بعضی از جلبکها می‌توانند در محیطهای غیر معمولی ، مثل دریاچه‌های نمک ، چشمه‌های آب گرم و یخچالهای طبیعی و حتی در درون بدن و بافتهای موجودات زنده زیست کنند.

مشخصات تال در جلبکها
اندازه تال در جلبکها از چند میکرون تا چندین متر می‌رسد. همچنین تال به اشکال مختلف از قبیل تک یاخته‌ای (متحرک و غیر متحرک) ، کلونی ، ریسه‌ای ، پارانشیمی و سیفونی دیده می‌شود. ساختار یاخته‌ای جلبکها نیز به دو صورت پروکاریوتی و یوکاریوتی است. ساختار پروکاریوتی مربوط به جلبکهای سبز - آبی و ساختار یوکاریوتی مربوط به بقیه جلبکهاست.
دیواره یاخته‌ای
دیواره یاخته‌ای در جلبکها بسیار حائز اهمیت است. علت آن وجود مواد مختلفی است که بعضی از آنها کاربرد صنعتی ، دارویی و پزشکی دارند. یاخته‌های زایشی از قبیل گامتها و زئوسپورها فاقد دیواره یاخته‌ای هستند. دیواره یاخته‌ای در جلبکها معمولا از 2 لایه تشکیل شده است لایه بیرونی لایه‌ای است ژلاتینی از مواد پکتینی ساخته شده و در آب گرم حل می‌شود. لزج بودن جلبکها بدلیل وجود این لایه بیرونی است. لایه درونی از جنس سلولز است که در آب گرم نامحلول است. هر دو این مواد نوعی پلی ساکارید هستند در اکثر موارد ترکیبات دیگر از قبیل پروتئین ، کربنات کلسیم ، آهن ، سیلیس ، کتین و غیره در ساختار دیواره یاخته‌ای جلبکها دیده می‌شود.

کلروپلاست یا کروماتوفور
یکی از مهمترین اجزای یاخته‌ای در جلبکها کلروپلاست یا کروماتوفور است در داخل کلروپلاست اغلب جلبکهای سبز ، اجسام کروی شکل حاوی نشاسته وجود دارد که آن را پیرنوئید می‌گویند. پیرنوئید در جلبکهای سبز وجود دارد که ممکن است در داخل یا خارج کلروپلاست قرار گیرد. به علاوه کلروپلاست جلبکهای سبز متحرک حاوی لکه نارنجی رنگی به نام استیگما (لکه چشمی) است که جهت یاخته را به سمت نور متمایل می‌سازد. در بعضی از جلبکها ممکن است لکه چشمی خارج از کلروپلاست باشد. در داخل کلروپلاست ، رنگیزه‌هایی از انواع کلروفیل ، کاروتنوئید و بیلی پروتئینها وجود دارند که باعث می‌شوند تا کلروپلاست و در نتیجه یاخته جلبکها به انواع رنگهای مختلف دیده شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب