چکیده

از اوایل قرن بیستم هضم بی هوازی، روشی مطلوب برای تثبیت لجن فاضلاب بوده اسـت. در ایـن فرآینـد، مـواد آلـی (ماننـد لجـن فاضلاب و یا دوغاب) در غیاب اکسیژن آزاد شده و توسط باکتریها تخمیر می شود. از مزایای این روش، این است که لجن فاضـلاب به یک ماده بی ضرر تبدیل شده که انرژی آن به شکل بیوگاز آزاد شده و اجزاء اصـلی تشـکیل دهنـده آن، متـان و دی اکسـیدکربن است. عملیات هاضم پایدار مستلزم آن است که تمام گروههای باکتری باید در یک حالت تعادل هماهنگ باشند. تغییرات در شرایط زیستمحیطی، از قبیل تغییرات دما یا وارد شدن شوک به بستر، می تواند بر روی این تعادل و در نتیجه تولید محصولات واسطهای، مانند اسیدهای چرب با زنجیره طولانی و هیدروژن، تأثیر بگذارد. اگر چنین مشکلاتی اصلاح نشود، عملکرد هاضم پـائین مـیآیـد و در نهایت منجر به شکست عملیات می شود. در این مقاله به بررسی عوامل محیطی تأثیرگذار بر روی واکنش های بیولـوژیکی هضـم بی هوازی در تصفیهخانه فاضلاب شهری، از قبیل دما، pH و زمان ماند هیدرولیکی پرداخته می شود تا بتوان از تأثیرات نامطلوب در تولید بیوگاز جلوگیری کرد.

واژههای کلیدی: هضم بیهوازی–زمان ماند هیدرولیکی–بیوگاز تولیدی–غلظت متان-هضم لجن

|

-۱ مقدمه
هضم بی هوازی لجن فاضلاب، یک فرآیند کنترل تخریب منظم مواد آلی است که توسط یک کنسرسـیوم متشـکل از بـاکتریهـای موجود در عدم وجود اکسیژن، آزاد می باشد و در نتیجه موجب تولید گازها کـهعمـدتاًمتـان، دی اکسـیدکربن بـا مقـادیر کمـی از هیدروژن، هیدروژن سولفید و لجن بی ضرر و پایدار می شود. در این فرآیند، مواد آلی (مانند لجـن فاضـلاب و یـا دوغـاب) در غیـاب اکسیژن، آزاد شده و توسط باکتریها تخمیر می شوند. از مزایای این روش، این است که لجن فاضلاب به یک ماده بـیضـرر تبـدیل شده که انرژی آن به شکل بیوگاز، آزاد شده و اجزاء اصلی تشکیلدهنده آن، متان و دی اکسیدکربن است. در طول هضم بی هـوازی، غیرفعالکردن بسیاری از پاتوژن میکروارگانیسمها انجام می شود. محصول نهایی، لجن پایدار است که می تواند به عنوان تهویه خاک و یا کود استفاده شود .(Smith and Mah , 1978)

-۲ مدل چهار مرحلهای هضم بیهوازی
فرآیند هضم بیهوازی، از تعدادی واکنش بیوشیمیایی متوالی پیچیده تشکیل شده اسـت کـه در چهـار مرحلـه اصـلی هیـدرولیز۱، اسیدزایی۲، استات زایی۳ و متان زایی۴ طبقه بندی می شوند. میکروارگانیسمهای مؤثر در این مراحل بـه ترتیـب، هیدرولیزکننـدههـا، اسیدزاها (اسیدوژنها)، استاتزاها (استوژنها) و متانزاها (متانوژنها) میباشند که مواد آلی پیچیـده را بـه ترکیـب هـای سـادهتـر

تجزیه میکنند .(Bouallagui et al., 2005)

-۱-۲ هیدرولیز
مرحلـــه هیـــدرولیز مـــایعســـازی۵ بـــه عنـــوان مرحلـــه کلیـــدی در تجزیـــه بیولـــوژیکی ضـــایعات شـــناخته شـــده است .(Mata -Alvarez 2000, Juanga 2005) در این مرحله، میکروارگانیسمهای بیهوازی اجباری مانند باکتریوسیدها، کلستریدیومها و باکتریهای بیهوازی اختیاری مانند استرپتوکوکها، با ترشح آنزیمهای خارج سلولی۶، مواد آلی نامحلول و با جـرم مولکـولی بـالا مانند لیپیدها، پلی ساکاریدها، پروتئینهـا و اسـیدهای نوکلئیـک کـه قابـل جـذب توسـط سـلول میکروارگانیسـمهـا نمـیباشـند، را بــه مونومرهــا و الیگومرهــای محلــول تجزیــه مــیکننــد. از آنــزیمهــای هیدرولیزکننــده مــی تــوان بــه آنــزیمهــای ســلولاز ۷، ســلوبیاز۸، زایلانــاز۹ و آمــیلاز ۱۰ بــرای تجزیــه کربوهیــدراتهــا بــه قنــدها، آنــزیم پروتئــاز بــرای تجزیــه پــروتئین بــه پپتیــدها و اســیدهای آمینــه، و آنــزیم لیپــاز بــرای تجزیــه لیپیــد بــه گلیســرول و اســیدهای چــرب زنجیــرهبلنــد ۱۱(LCFA) اشــاره

کرد .(Boe, 2006; Chanakya et al., 2006; Yadvika et al., 2004)
نرخ فرآیند هیدرولیز تابعی از ترکیبات، شکل، سطح و اندازه ذرات سوبسترا، غلظت تـودهزیسـتی و محصـولات واسـطه، pH و دمـا میباشد .(Mata-Alvarez et al., 2000; Bouallagui et al., 2005) هیدرولیز به عنوان مرحله محدودکننده سرعت۱۲، هضم سوبستراهای با اجزاء زیاد، مانند فضولات گاوی و لجن فعـال شـناخته مـیشـود، درحـالیکـه متـانزایـی، مرحلـه محدودکننـده سـرعت هضـم سوبستراهای با تجزیهپذیری بالا میباشد .(Boe, 2006) تجمع اسیدهای آمینه و قندها ممکن است باعث توقـف فعالیـت آنـزیمهـا و میکروارگانیسمها در مرحله هیدرولیز گردد .(Juanga, 2005)

Hydrolysis Acidogenesis Acetogenesis Methanogenesis Liquefaction Extra-Cellular Cellulase Cellobiase Xylanase

۱

۲

۳

۴

۵

۶

۷

۸

۹

۱۰ Amylase 11 Long Chain Fatty Acids

۱۲ Rate Limiting×
|

-۲-۲ اسیدزایی
باکتریهای تخمیرکننده، ترکیبات ساده تشکیل شده در مرحله هیدرولیز را به وسیله واکنشهـای اسـیدزایی بـه اسـیدهای چـرب زنجیره بلند تبدیل میکنند .(Kansal et al., 1998; Chanakya et al., 2006) نوع محصولی که در فرآیند اسیدزایی تولید میشـود، بـه عوامل مختلفی از جمله غلظت سوبسترا، pH و فشار جزئی هیدروژن بستگی دارد .(Boe, 2006)

-۳-۲ استاتزایی
بعضی از محصولات حاصل از تخمیر مانند اسیدهای چرب فرار با بیش از دو اتم کـربن، الکـلهـای بـا بـیش از یـک اتـم کـربن، و اسیدهای چرب آروماتیک، نمیتوانند مستقیماً توسط متانزاها مورد استفاده قرار گیرند. باکتریهای استاتزا، با تجزیـه محصـولات مرحله اسیدزایی یعنی اسیدهای چرب زنجیره بلند، اسیدهای آلی ساده مانند استیک اسید تولید میکنند. علاوه بر آن ترکیبات بـا تعداد اتم کربن فرد را به هیدروژن و دیاکسیدکربن تبدیل مینمایند .(Kansal et al., 1998)

-۴-۲ متانزایی
مرحله متانزایی آخرین مرحله هضم بیهوازی به شمار میرود. در این مرحله، تمام مواد واسطهای که در مراحل قبل تولید شدهاند از جمله استات، متانول، هیـدروژن، دیاکسـیدکربن، فرمـات، مونواکسـیدکربن، متیـلآمـین و فلـزات احیاشـده، بـه متـان تبـدیل

میشوند .(Kansal et al., 1998)
به طور کلی متانزاها از نظر سوبسترای مورد استفاده به دو گروه عمده تقسیم مـیشـوند: مصـرفکننـدگان اسـتات کـه بـا تجزیـه مولکول استیکاسید، دیاکسیدکربن و متان تولید میکنند و فرآیند آنها با نـام متـانزایـی استوکلاسـتیک۱۳ شـناخته مـی شـود و مصرفکنندگان هیدروژن و دیاکسیدکربن که فرآیند آنها، متانزایی هیدروژنوتروپیک۱۴ نامیده میشود. به دلیـل کـمبـودن مقـدار گاز هیدروژن در محیط، واکنش مصرف استات، اولین مسیر تولید متـان اسـت، بـه طـوریکـه %۷۰ متـان موجـود در بیوگـاز، بـه وســیله بــاکتریهــای متــانزای استوکلاســتیک و %۳۰ باقیمانــده بــه وســیله بــاکتریهــای متــانزای هیــدروژنوتروپیک تولیــد