روشهاي تصفيه هواي آلوده

فصل اول – روشهاي تصفيه هواي آلوده
۱-۱-مقدمه
در سالهاي اخير با مشخص شدن اثرات زيانبار تركيبات مختلف موجود در هوا تلاشهاي زيادي براي يافتن روشهاي ارزان و مؤثر حذف مواد آلاينده از هوا شروع شده است. بيوفيلتراسيون به عنوان روشي كه مي تواند بدون نياز به مصرف انرژي زياد و در شرايط دما و فشار محيط، مادة آلاينده را به تركيبات بي خطر تبديل كند، بسيار مورد توجه قرار گرفته اند.

هواي آلوده پديده اي است كه از تركيب يا اختلاط هوا و مواد يا ذرات خاصي، در مدت زمان معيني توليد مي شود و در صورت تداوم، بيماري ها يا اختلالاتي براي انسان، حيوانات و گياهان ايجاد مي كند و به ميزان قابل ملاحظه اي، زندگي بشر را به مخاطره مي اندازد.

آلاينده هاي موجود در هوا دو نوعند: اوليه (Primary) و ثانويه (Secondary). آلاينده هاي اوليه موادي هستند كه در اثر منابع آلوده كننده به هواي محيط وارد مي گردند مانند: اكسيدهاي سولفور، اكسيدهاي نيتروژن. سولفور هيدروژن، مونوكسيد كربن، دي اسيد كربن، سرب، ذرات آلوده يا مواد معلق. هيدروكربورها، تركيبات آلي فرار (VOC3).
آلاينده هاي ثانويه به مواد آلوده يا اطلاق مي شود كه در اثر فعل و انفعالات موجود در هواي اطراف زمين تشكيل مي گردند.
در اين پروژه چون به مدل سازي بيوفيلتر مورد استفاده جهت حذف تركيبات آلي فرار (VOC3) پرداخته شده لذا به شرح مختصري در باره اين گروه از آلاينده ها مي پردازيم.
۱-۲-تركيبات آلي فرار (VOC3)

تركيبات آلي مايعات يا جامداتي شامل كربن آلي (كربن متنصل به كربن، هيدروژن، نيتروژن يا سولفور و غير از كربن موجود در كربنات (CaCO3) يا كربيد (CO2C) يا CO يا CO2) هستند كه شدت هاي تبخير بالايي دارند.
به علت فراريت بالا، به ميزان زياد در محيط پخش مي شوند و علاوه به توليد بو، خطراتي براي اكوسيستم و سلامتي انسان دارند. اين تركيبات در ساختمان خود كمتر از ۱۲ اتم كربن دارند و فشار بخار آنها در دماي اتاق بيشتر از Psia01/0 (atm0007/0) و نقطه ئجوش اتمسفريك آنها حدود F 500 (C 260) است.

مواد داراي نقطة جوش بالاتر از اين مقدار خيلي آرام در اتمسفرل تبخير مي شونژد مگر آنكه به آنها حرارات داده شود. البته اگر هم تبخير شدند در اتمسفر كندانس شده و قسمتي از مسئله ذرات ريز را تشكيل مي دهند.
احتمالاً VOC ها به لحاظ گستردگي و تنوع (از نظر انتشار) بعد از ذرات ريز (مواد معلق) قرار مي گيرند.

ستند. بعضي از آنها نظير بنزن سمي و سرطانزا مي باشند.و بنابراين به عنوان آلاينده هاي خطرناك با ويژگيهاغي خود طبقه بندي مي شوند.
VOCها به دليل شركت در واكنش مه دود فتوشيميايي است كه تشكيل آلايندئه هاي ثانويه اي مي دهند.

به عبارتي VOCها در مقابل نور خورشيد با اكسيد ازت تركيب شده و توليد ازن يا اكسيدهاي قوي ديگري را مي كنند و اين آلودگي هاي فتواكسيدان (كه باعث ايجاد مه هاي خرمايي رنگ معروف كاليفرنيا مشهور به Smog است) سه اثر مخرب دارد: براي سلامتي انسان (اختلالات تنفسي، سردرد، تحريك چشمها)، بروي گياهان (به ويژه جنگل ها) و برروي مواد.
بعضي از VOCها جاذب هاي قوي اشعه مادون قرمز (IR) هستند و مانند CO2 اثر گلخانه اي دارند، لذا در مسئله هشدار جهاني نقش دارند.

بيش از %۸۰ انتشار VOCها ناشي از مصرف حلال ها (نظير تينر رنگ و ديگر حلال‌هاي مشابه)، حمل و نقل، ذخيره سازي) VOCها، و وسايل نقليه موتوري (شامل اتومبيل ها، هواپيماها، قايق ها و موتورهاي راه آهن) مي باشد.
نتيجه آنكه مصرف اصلي VOC در سوختهاي موتوري و حلال هاست منابع دثگري كه VOCها را انتشار مي دهند گاهي خيلي بزرگند مانند احتراق ناقص در شومينه ها و آتش سوزي جنگل ها. و گاهي خيلي كوچكند مانند پاك كننده لاك ناخن و قوطي هاي اسپري رنگ.

علاوه بر اين بسياري از VOCخا نقش ماده واسطه را در توليد پلاستيك و ديگر مواد شيميايي نظير كلريد وينيل (ماده اولة اصلي براي پلاستيك هاي PVC) كه به عنوان يك آلاينده خطرناك هوا طبقه بندي مي شوند دارند. حلال ها و سوختهاي موتوري عمدتاً از نفت به دست مي آيند. بنابراين بيشتر انتشارات بر اساس نفت قرار دارند. مقدار كمي بر اساس چوب (نظير ترپنتين و دود چوب) و زغال سنگ (مقدار كمتري از احتراق زغال سنگ ناشي مي شود) قرار دارند. اما بيشتر انتشار VOCها ناشي از محصولات نفتي پالايش شده مي باشد كه به عنوان سوخت ها و حلال ها به كار مي روند [۲۲,۱۷,۱۶,۱۳]

۱-۳-روشهاي فيزيكي تصفيه هواي آلوده
در اين روش مواد آلاينده موجود در هوا بدون تغيير در ساختار مولكولي به فاز ديگر منتقل مي شوند. چگالش، جذب سطحي، جذب و جداسازي توسط غشاء از جمله روشهاي فيزيكي حذف مواد آلاينده هوا هستند [۱۶,۱۰,۷]
۱-۳-۱-چگالش
اين روش براي جريانهايي استفاده مي شود كه غلظت آلاينده در آنها بالا بوده و ماده آلاينده ارزش بازيابي داشته باشد.
در اين روش هواي آلوده به طور همزمان سرد و فشرده مي شود. بنابراين بخش عمده اي از آلاينده موجود در هوا به صورت مايع جدا مي شود. معمولاً هواي خروجي از اين سيستم كاملاً عاري از مواد آلاينده نيست و نياز به روشهاي ديگري براي كاهش غلظت آلاينده به سطح قابل قبول است.
۱-۳-۲-جذب سطحي

دئر روش جذب سطحي از مواد جاذبي نظير كربن فعال و زئوليت براي جداسازي مواد آلاينده از هوا استفاده مي شود. اين روش براي تصفيه هوا با غلظت هاي پايين مواد آلاينده مؤثر است اغلب براي جذب مواد آلي فرار استفاده مي شود. مؤثر بودن اين روش وابسته به عواملي نظير شدن ورود هواي آلوده به برج جذب غلظت آلاينده در هوات و مشخصه هاي مولكولي ماده آلاينده است.

وقتي ماده جاذب از آلاينده اشباع گرديد ماده جاذب بايد بازيابي شده يا به عنوان يك ماده آلاينده با نحو مناسبي دفع گردد. استفاده از جاذب تازه و يا بازيابي ربه هنگام اشباع ، روش جذب سطحي را به روشي نسبتاً پرهزينه تبديل مي كند.

در روش جذب از يك مايع براي جذب ماده آلاينده موجود در هوا استافده مي شود. براي تماس مؤثر گاز و مايع از ستونهاي پر شده يا حبابدار استفاده يم شود. موفقيت اين روش بستگي به حلاليت مادة آلاينده در فاز مايع دارد. براي جذب مواد آلاينده آب درست معمولاً از آب استفاده مي شود.
با تغيير PH آب مي توان حلاليت تركيبات اسيدي يا بازي را افزايش داد. براي تركيبات آب گريز حلالهاي آلي مانند روغن سليكون استفاده مي شود پس از انتقال مادة آلاينده به فاز مايع، اگر فاز مايع آب باشد معمولاً به يك سيستم تصفيه فاضلاب منتقل مي شود. دفع مادة آلاينده از جاذب و سوزاندن جريان هواي حاصل نيز براي بازيابي جاذب امكان پذير است.

۱-۳-۴-جداسازي توسط غشاء
از سيستمهاي غشايي نيز براي جداسازي مواد آلاينده از هوا استفاده مي شود. در اين روش هواي آلوده تحت فشار و به طور مماسي از سطح يك غشاء عبور مي كند. مواد آلاينده از غضاء عبور كرده و جذب محلول در پشت غشاء مي شوند.
همانطور كه ملاحظه مي شود در روشهاي فيزيكي ماده آلاينده بدون تغيير از هوا به يك فاز ديگر منتقل مي شود و تخريب نهايي ماده الاينده نيازمند روشهاي ديگر است. اين يكي از معايب مهم روشهاي فيزيكي است.

۱-۴-روشهاي شيميايي تصفيه هواي آلوده
سوزاندن حرارتي و يا كاتاليستي به طور گسترده اي براي حذف مواد آلاينده آلي از هوا استفاده مي شود. در روش سوزاندن حرارتي، مواد آلاينده در دماي بين ۷۰۰ تا ۱۴۰۰ درجه سانتيگراد سوزانده مي شود. در روش سوزاندن كاتاليستي، مواد آلاينده در دماي بين ۳۰۰ تا ۷۰۰ درجه سانتيگراد سوزانده مي شود. اگر غلظت آلاينده در هوا پايين باشد افزودن سوخت كمي به سيستم ضروري است. بنابراين روش سوزاندن براي جريانهاي با غلظت پايين ماده آلاينده پرهزينه است. روش سوزاندن به طور ويژه براي جريان هواي نسبتاً غليظ از ماده آلاينده مناسب است. يكي از عيبهاي مهم اين روش امكان توليد تركسيبات NOX . بعضي از ديوكسين ها در ضمن فرايند سوختن است. [۵]
۱-۵-روشهاي بيولوژيكي تصفيه هواي آلوده
در روشهاي بيولوژيكي تصفيه هوا از واكنشهاي ميكروبي براي حذف ماده آلاينده استفاده مي شود. در اين روشها ماده آلاينده جذب فاز مايعي مي شود كه حاوي ميكروارگانيسم هاي فعال است. ميكروارگانيسمها ماده آلاينده را مصرف كرده و آن را اكسيد و يا در مواد خاصي احيا نموده و از انرژي حاصل براي فعاليتهاي حياتي استفاده مي كند. محصول واكنش ميكروبي عمدتاً دي اكسيد كربن و آب و بيومتيل است. ماده آلاينده مي تواند آلي يا غيرآلي باشد.

ميكروارگانيسمهاي مورد استفاده براي تصفيه هوا معمولاً از ميكروارگانيسم هايي هستند كه به طور طبيعي در محيط وجود دارند. در يك سيستم بيولوژيكي تصفيه هوا معمولاً يك جمعيت مخلوط ميكروبي – كه يك يا چند گونه در آن غايب هستند – وجود دارد. براي اينكه يك ماده آلاينده با روشهاي ميكروبي قابل حذف باشد بايد قابل تجزيه بيولوژيكي بوده و براي ميكروارگانيسم غيرسمي باشد. معمولاً مولوكولهاي سبك با پيوندهاي ساده به راحتي توسط ميكروبها مصرف مي شوند. تركيباتي نظير الكل ها، آلدئيدها و تركيبات آروماتيك ساده قابليت تجزيه بيولوژيكي خوبي دارند.
تركيباتي نظير فنل ها، تركيبات آروماتيك چند حلقه اي و مولكولهاي آلي با تعداد اتمهاي هالوژن بالا به كندي توسط ميكروبها تخريب شده و يا دست نخورده باقي مي مانند.

روشهاي بيولوژيكي تصفيه هواي آلوده را معمولاً به روشهاي بيواسكرابينگ، بيوتريكينگ فيلتراسيون، بيوفيلتراسيون دسته بندي مي كنند. (شكل ۱-۱)
روش بيوفيلتراسيون در فصل جداگانه اي مورد بررسي قرار مي گيرد.
۱-۵-۱-روش بيواسكرابينگ
در اين روش ماده آلاينده موجود در هواي ورودي به سيستم، در يك برج، جذب محلول مي شود.
محلول خروجي از برج جذب، به يك بيوراكتور وارد مي شود. ماده آلاينده در بيوراكتور كه داراي شرايط بهينه رشد ميكروارگانيسم هاست به مصرف مي رسد. به اين ترتيب در روش بيواسكرابينگ بر خلاف بيوفيلتراسيون، از ميكروارگانيسم هاي غوطه ور در مايع براي جذب ماده آلاينده استفاده مي شود.
براي فعال نگه داشتن ميكروبها افزودن محيط كشت تازه به بيوراكتور ضروري است محلول خروجي از بيوراكتور مجدداً به برج جذب منتقل مي شود. فرايند جذب ماده آلاينده ممكن است در برجهاي پر شده، برجهاي پاششي و يا ستونهاي حباب دار انجام شود.
۱-۵-۲-روش بيوتريكلينگ فيلتراسيون
اين سيستمها عمدتاً شامل يك برج پر شده هستند كه برروي سطح ذرات بستر، ميكروارگانيسم ها تثبيت شده اند. محلولي از محيط كشت به طور مداوم از ميان ذرات بستر عبور مي كند. با عبور هواي آلوده از ميان بستر، مواد آلاينده جذب محلول شده. بخشي از آن توسط ميكروارگانيسم هاي غوطه ور در محلول مصرف شده و بخشي ديگر به سمت بيوفيلتراسيون موجود برروي سطح ذرات نفوذ كرده و توسط ميكروارگانيسم هاي موجود در آن مصرف مي شود. تنها تفاوت بيوتريكليگ فيلتراسيون با بيوفيلتراسيون عدم وجود جريان مايع آزاد در بيوفيلتراسيون است.

وجود مايع آزاد در سيستمهاي بيواسكرانينگ و بيوتريكلينگ امكان كنترل عوامل مختلف نظير PH و غلظت مواد مغذلي مورد نياز ميكروارگانيسمها را در مقايسه با روشس بيوفيلتراسيون راحت تر مي سازد.
اما در هر صورت نياز به تخليه محلول و اضافه كردن محلول تازه به اين سيستمها باعث به وجود آمدن جرياني از فاضلاب مي شود كه خود نياز به تصفيه شدن دارد.
عيب اصلي بيوفيلتراسيون در مقايسه با دو سيستم ديگر نياز به حجم زياد بستر است در سيستمهاي بيواسكرابينگ و بيوتريلينگ به دليل دانسيته بالا ميكروبي، شدت واكنش ميكروبي به ازاي واحد حجم در مقايسه با سيستمهاي بيوفيلتراسيون بيشتر و در نتيجه به حجم كمتري نياز است. [۳]

فصل دوم – تثبيت سلولي

۲-۱-ميكروبيولوژي فيلتر
ارگانيسم هاي مسئول اكسيداسيون و تجزيه تركيبات آلي فرار به دي اكسيد كربن و ساير تركيبات همان باكتري هاي هتروتروفيك و قارچ هايي هستند كه زباله هاي آلي را در طبيعت، در اماكن دفن يا در تصفيه خانه هاي فاضلابل تجزيه مي كنند، باكتري سودو مناس و قارچ NOCARDI گونه هاي فعال در چنين شكستها و تجزيه مواد آلي هستند. گونه هايي همانند FLAVOBACTERIA ميتوانند جهت اكسيده كردن تركيباتي همانند پنتاكلرو فنل، به كار روند.
در يك بستر خاك يا كمپوست حدود يك بيليون باكتري در هر گرم وجود دارد و جمعيت قارچي نيز ۱۰۰۰۰ در هر گرم خاك يا كمپوست ميباشد. قارچ ها به تجزيه مولكول هاي پيچيده تر تمايل دارند و آنزيم هاي برون سلولي كه پليمرها را ميشكنند، از خود دفاع ميكنند. پراكنش گونه ها با نوع سوبستراي مصرفي نوسان دارد. تحقيقات صورت گرفته برروي ميكروبيلوژي بيوفيلتر بيشتر بر شناسايي رده هاي ويژه منحصر به فرد ميكروارگانيسم ها در زمان خاص متمركز شده است. بطور مثال، شمارش كل ارگانيسم هايي كه قادر به متابوليزه كردن اسيدهاي آلي فرار باشند و …
آزمايشات نشان داده اند كه در حذف تركيباتي چون دي متيل سولفيد، دي متيل دي سولفيد و اسديهاي چرب فرار اكتونوميست ها بسيار موثر ميباشند. اكتونوميست ها در دسته باكتري هاي هتروتروفيك هستند و ميتوانند تنوعي از سوبستراهاي آلي را مورد استفاده قرار دهند و حتي قادر به تجزيه تركيباتي پايدار همانند فنل ها و پليمرهايي با زنجيره بلند نيز ميباشند.
گونه ميكروكوكوس در حذف غلظت بالاي مواد گوناگوني همانند سولفيد هيدروژن بسيار موثر است.
۲-۲-تلقيح ميكروارگانيسم ها به داخل بستر:

روش هاي تلقيح در چند آزمايشگاه در مقياس پايلوت به كار گرفته شده اند ميكروارگانيسم هاي درون بستر بيوفيلتر از طريق تغذيه و وارد كردن باكتريهايي همانند NITRIFIERS و باكتريهاي سولفاته فعال شوند. cho و همكارانش در ۱۹۹۱ متوجه شدند كه بسترهاي متشكل از مواد گياهي پيت به تنهايي قادر به حذف دي متيل سولفيد نيستند اما پس از افزودن لجن هضم شده فضولات انساني كه منبع غني از ميكروارانيسم ها ميباشند، درصد زيادتري از اين تركيب آلاينده حذف خواهد شد. در واقع برخي از ميكروارگانيسم هاي شيموليتروتروفيك و باكتريهاي غير اسيد و اكسيدكننده گوگرد موجود در لجن فضولات انساني عمل تجزيه تركيبات آلي گوگردي را در درون پيت انجام ميدهند. به منظور دستيابي به يك حد ثابتي از حذف آمونياك در داخل بسترهاي نوع پيت القيح باكتريهاي موثر در عمل نيتريفيكاسيون ميتواند موثر شود.

امروزه باكتريهاي زيادي به منظور حذف تركيبات آلاينده پرورش يافته اند. باكتري اتوتروف THIOBACILUS THIOPARUS نمونه اي از اين باكتريهاست كه جهت تصفيه گازهاي زائد خروجي از قبيل سولفيد هيدروژن، متان اتيول، ديمتيل سولفيد به درون يك بيوفيلتر نوع پيت در مقياس پايلوت تزريق و تلقيح شد و نهايتاً نتيجه خوبي بدست آمد. و در اين آزمايش پس از تلقيح باكتري، ميانگين بازده حذف، ۹۹٫۸ درصد براي سولفيد هيدرژن، ۹۹ درصد براي متان اتيول، ۸۹٫۵ درصد براي ديمتيل سولفيد بود.
باكتري HYPHOMICROBIUM مثال ديگري از باكتريهاي تلقيحي و از دسته باكتريهاي METHYLOTROPHIC ميباشد كه قادر به حذف تركيباتي همانند دي متيل سولفيد، دي متيل دي سولفيد، دي متيل سولفاكسيد و سولفيد هيدروژن است. بذرافشان بيوفيلترها با جمعيت هاي ميكروبي ويژه مزاييا زيادي دارد و مانيتورينگ چنين جمعيت هاي معرفي شده اي، ميتواند يك ابزار مديريتي باارزش تلقي شود.
عده اي از محققين استفاده از لجن فعال حاصل از واحدهاي تصفيه ثانويه فاضلاب را به عنوان بذر تلقيحي براي بهبود بخشيدن به سرعت حذف آلاينده هاي گازي در بيوفيلترها پيشنهاد ميكنند. البته هنوز امكان كشت بسياري از ميكروارگانيسم هاي داخل اكوسيستم هاي طبيعي در درون بسترها و محيط كشت هاي مصنوعي وجود ندارد. از اين رو رشدهاي تلقيح ميكروبي ممكن است به عنوان يك ضرورت كه اهميت خود را در سالهاي آينده مييابد، باقي بماند. مطابق نظر WILLIAMS و MILLER (1992) تلقيح ميكروبي سبب افزايش سرعت تجزيه بيولوژيكي و كوتاه نمودن دوره سازش ميكروبي در مرحله شروع فرآيند تصفيه ميگردد.
هرگاه مجموعه ميكروبي به شكل سلولهاي منفرد در محيط كشت مايع ظاهر ميشود، رفتار فيزيكيشان تحت تأثير خصوصيات حجم مايع قرار ميگيرد. به عبارت ديگر سلولهاي منفرد به صورت يكي از ذرات سيال ظاهر ميشوند كه در داخل آن معلق هستند. در طي مرحله واكنش، قسمتي از اجتماعات سلولي خارج ميگردند. بمابراين در هنگام استفاده از آنها تعدادشان كاهش مييابد. اين مسئله محدوديت زيادي براي عمليات چنين سيستمهايي ايجاد مينمايد چرا كه بهتر است تا سلولها براي استفاده بهتر محفوظ نگهداشته شوند. جهت حفظ سلولهاي منفرد بايد آنها را از مايعات جدا كرد. اگر سلولها بتوانند طوري منظم شوند كه خصوصيات فيزيكي و شيميايي خود را كه با خصوصيات مايعات متفاوت است نشان دهند به راحتي از محيط مايع جدا ميشوند.
تثبيت سلولي عملي است كه بوسيله آن سلولها در يك ناحيه معين از فضا محدود ميشوند به طوري كه خصوصيات هيدروديناميكي خود را كه با محيط پيرامونش متفاوت است، بروز ميدهند.
اين كار بدين صورت انجام ميشود كه اندازه موثر و يا دانسيته آنها به وسيله به هم پيوستن و يا اتصال به يك سطح مستحكم بيشتر ميشود. بنابراين سلولهاي متراكم شده به صورت توده عظيمي كه سلولها در ان به يكديگر متصل شده اند، ثابت ميشود به طوري كه توده بيولوژيكي به راحتي از مايع توسط الك درشت يا ته نشيني سريع قابل جداشدن ميباشد. نمونه ديگري از تثبيت سلولي به اين صورت است كه سلولها به ذرات جامد متصل گرديده اند و ميتوانند خود را به راحتي از محيط مايع جدا سازند.
توليد سلولهاي ثابت ميتواند يك فرايند طبيعي باشد و يا ممكن است به وسيله عوامل شيميايي و فيزيكي انجام گيرد كه استفاده از موارد فوق داراي مشكلاتي است.

كارايي خوب ابزارهاي مصنوعي كه جهت تشكيل اجتماعات سلولي تثبيت شده بدست مي آيد، باعث بهره برداري گسترده از آنها ميگردد و براي تشكيل اين اجتماعات از راكتورهاي بيولوژيكي استفاده ميشود. در حال حاضر امكاناتي وجود دارد كه هر يك از انواع ميكروارگانيسمها و يا دئر حقيقت هر بافت سلولي را تثبيت نمائيم. با توجه به اشكال گوناگون سلولهاي ثابت، راكتروهاي متعددي با سيستمهاي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرد كه البته داراي خصوصيات كلي و مشابهي هستند.
۱-۳-۱-ويژگي سلولهاي تثبيت شده
به طور كلي ثبات اجتماعي به ذرات بيولوژيكي تشكيل دهنده اجازه ميدهد كه به هر اندازه، شكل و دانسيته كه باشند به صورت پروكاريوت و يوكاريوت عمل نمايند. يكي از خصوصيات فرايند تثبيت اين است كه سلولها به شكل متراكم و غليظ درآيند، درنتيجه اين نوع اجتماعات سلولي به خوبي از شكل سيال آن متمايز شده و به آنها اين امكان را ميدهد تا اصلاحات ساختار هندسي كه عمدتاً به شرح زيرل است، صورت گيرد:

الف) در عمليات مداوم راكتور كه همواره مقداري از مايعات شسته و از راكتور خارج ميشسوند، سلولهاي ثابت ميتوانند در راكتور باقي بماند، درحاليكه سلولهاي متحرك به طور مداوم از بين ميروند. بنابراين عملي تر اين است كه سلولهاي ثابت به طور مداوم در واكنش شركت داشته باشند، درحالي كه با سلولهاي پراكنده متحرك و در حال رشد نميتواند چنين كاري انجام پذيرد.
ب)باروري رو به افزايش و همه جانبه كه نتيجه مستقيم باقي ماندن غلظت بالايي از سلولها در راكتور است.
ج)جدايي ساده از مايع. اين عمل با عبور از الك درشت يا ته نشيني با سرعت زياد انجام ميشود كه باعث خروج مايع از درون راكتور شده بدون اينكه منجر به خارج شدن سلولها گردد.
د) كاربرد سلولهاي مشابه در عمليات غيرپيوسته. بدين صورت كه محلولها در خاتمه عمليات از راكتور خارج شده و مواد تازه مجدداً به محيط وارد ميشود.
ه) افزايش انتقال جرم گاز – مايع. مشكل گرانروي كه اغلب از غلظت زياد سلولهاي پراكنده حاصل ميشود به وسيله تثبيت سلولها از بين ميرود و منجر به انتقال در جهت گاز مايع ميگردد و به همين ترتيب ميتوذان انتقال حرارت از محلول را بهبود بخشيد.
و) عمل نهرگونه. اين امر از طريق ثبات سلو.لها مثلاً در يك محيط بسته و عبور آنها از ميان راكتورها به روش نهرگونه امكانم پذير است.
علاوه بر روش هاي فوق، گونه هاي ديگر از فعاليت هاي سلولي وجود دارد كه منجر به راههاي ديگري ميگردد. به عنوان مثال تغييرات كه درون مايعات صورت ميگيرد بدون اينكه تغييرات قابل

ملاحظه اي در غلظت سلول بوجود آيد. اين وضعيت امكان آلودگي را از طريق شستشو با روشهاي متفاوت امكان پذير ميسازد. همچنين ممكن است در چنين وضعي بيش از يك نوع سلول را ثابت نمود و آنها را در همان راكتور نگهداري كرد. از آنجا كه سلولهاي تثبيت شده ميتوانند به سادگي از سيالات جدا گردند، پس امكان ذخيره و جمع آوري تعداد بيشتري از سلولها وجود دارد، سلولهايي كه به محض نياز ميتوانند به كار گرفته شوند.

از محدوديتهاي موجود در تثبيت سلولي اين است كه به لحاظ وجود تراكم سلولي، اين سيستم قابليت انتشار كمتري دارد و همين موضوع ممكن است در متابوليسم و فيزيولوژي سلولي تغييراتي را ايجاد نمايد.
۲-۳-۲-روش هاي تثبيت سلولي
براي تثبيت سلولي، روش هاي فراواني ايجاد شده است. بسياري ناز آنها مستقيماً از تكنولوژي آنزيم هاي بي حركت استفاده ميكنند. انتخاب روش مناسب بستگي به وضعيت فيزيولوژيكي سلول و اهدافي دارد كه براي آن به كار برده ميشود. شكل (۲-۱) دامنه وضعيت فيزيولوژيكي تثبيت سلولي را در اين خصوص نشان ميدهد.

بديهي است كه برخي از روش ها براي تمامي وضعيت ها مناسب نمي باشد، درحالي كه تكنيك هايي مشاهده مي شود كه بطور يكسان در هر موقعيتي مورد استفاده قرار ميگيرد. روش هاي مختلفي براي ايجاد ثبات سلولي بر اساس موقعيت فيزيولوژيكي سلول مورد استفاده قرار ميگيرد. تكنيك هاي فعال عموماً پذيرفته اند و ميتوانند در هر موقعيت فيزيولوژيكي مورد استفاده قرار گيرند.
۲-۳-۲-۱-روش چسباندن
تماذمي روش هاي تثبيت كه باعث اتصال سلول ها به سطوح جامدات ميشوند در اين زمره به شمار ميروند. اين روش ممكن است به نيروهاي چسبندگي طبيعي متكي باشد و يا توسط مواد شيميايي القا شود. چسبندگي طبيعي سلول به سطوح، پديده اي گسترده است و تا به امروز موضوع بسياري از مطالعات نيز بوده است اگرچه ساختار پيچيده اي دارد. اين روش يكي از آسان ترين تكنيك ها براي تثبيت سلولي است و در قديم نيز از آن استفاده شده است. در اين سيستم تا حد زيادي سطح تماس را در واحد حجم راكتور افزايش ميدهند. ذرات نگهدارنده كه ابعاد آن كمتر از يك ميلي متر ميباشد.

به اساني در راكتور جاي ميگيرند. سلولها طبيعتاً به سطوح جامد ميچسبند و همچنان كه رشد ميكنند، لايه هاي فعال را تشكيل مي دهند.
ضخامت اين لايه ممكن است به كوچكي يك لايه سلول باشد. سلول هايي كه داراي چسبندگي طبيعي نيستند ممكن است از طريق شيميايي مانند پيوستگي تبادل متصل كه با ماده گلوتارآلدئيد كه يك نوع روغن است و يا توسط سيليكون ها به مواد نگهدارنده سيليكاتي متصل ميشوند. سلول هاي چسبيده، به طور مستقيم با محيط احاطه كننده خود برخورد و تماس حاصل ميكنند

بنابراين در معرض نيروي فرسايشي كه از حركت نسبي ذرات و سيال حاصل ميشود، قرار دارند. پس احتمال دارد كه تعدادي از سلولها جدا گردند و وارد فاز سيال شوند. بدين ترتيب اين تكنيك در شرايطي كه مايع با سلول هاي آزاد مورد نياز است، نامناسب به نظر ميرسد. همچنين كنترل و يا حتي لايه بيولوژيكي كه در آنها شكل ميگيرد ممكن اسن مشكلات زيايد را ايجاد نمايد.

۲-۳-۲-۲-روش تله گذاري
در اين روش ميتواند سلول ها را با انواع مواد خلل و فرج دار در محل به دام انداخت. ايجاد تله گذاري از پيش تعيين شده معمولاً نتيجه رشد طبيعي سلول است بنابراين همچون چسبندگي طبيعي، تاثير تثبيت سلولي متناسب با نوع و نحوه مواد نگهدارنده متفاوت است. فضاهاي متخلخلي كه در محل ايجاد ميشوند ميتوانند براي تثبيت انواع سلول ها مورد استفاده قرار گيرند و به اين عمل به صورتي است كه در بعضي وضعيت ها، ذرات كمكي تشكيل شده ممكن است به سلول ها آسيب رسانند تكنيك هايي كه به صورت طبيعي باعث به تله افتادن سلولها ميشوند از بسياري جهات مشابه روشهاي به كار روند در سبندگي طبيعي است. در اين روش به سلول ها اجازه داده ميشود تا وارد منافذ شوند و هنگامي كه رشد كردند، خروج آنها از نمنافذ بسيار مشكل خواهد بود. بنابراين بطور بسيار موثري به دام ميافتند.

اين امر ميتواند روي اجسامي با سطوح ميكحروسكوپي مانند پوكه ذغال سنگ، سراميك، شيشه و بالاخره هر جايي كه اندازه منافذ از نظر ابعاد شبيه سلول هاست، انجام شود و يا روي سطوح ماكروسكوپي كه داراي منافذ بزرگ هستند انجام پذيرد. يك نمونه از چنين منافذ بزرگ، ذرات نگهدارنده توده بيولوژيكي BSP است. اين ذرات داراي ساختمانهاي گسترده بزرگي از مفتول فولادي ضد زنگ هستند كه بصورت كره درمي آيند و يا از اسفنج هاي مشبكي از جنس پلي اورتان هستند كه بصو.رت مكعب ميباشد. تثبيت كردن اين ذرات به اندازه توانايي سلولها براي انعقاد يا چسبيدن

به لبه هاي مواد كمكي ساختمان بستگي دارد و بايد در نظر داشت كه تله قفسه اي نسبت به تله منفذي ارجحيت دارد. طبيعي است كه سلول هاي به دام افتاده از نيروي فرسايش موجود در خارج ذرات در امان هستند اما توسط هر مانعي محدود نميشود. پس اين احتمال وجود ندارد كه واكنش هاي سيال به صورت آزاد – سلولي باشند ولي يك مزيت اين نوع تثبيت رشد سلولي است كه بتواند هرگونه سلول در حال رشد را كنترل نمايد. متداول ترين شكل ثبات سلولي كه در آزمايشگاه ها استفاده ميشود، شامل تله هاي سلولي در داخل و فرجي است كه در اطراف سلول ها

تشكيل ميشود. سلول ها به شكل دوغ آب يا مواد چسبي عموماً با تركيبي مخلوط ميشوند كه بعداً به صورت ژله اي درميآيند و تشكيل يا ماتريس متخلخل را ميدهند. اين عمل بايد تحت وضعيت مناسبي صورت پذيرد تا بر زندگي سلول ها اثر منفي نگذارد. اولين كاربرد تله هاي ژله اي استفاده از پليمريزاسيون مونوآكريل آميد بوده است. امروزه از ژله هاي پلي ساكاريدي است كه شامل آگار، آلژينات كلسيم ميباشد. به دام اندازي سلولها به وسيله آلژينات كلسيم نميتواند ساده باشد. سلولها در محل آلژينات سديم ريخته ميشوند و سپس با محلول از نمك كلسيم مخلوط ميگردد. ايجاد ژل سطحي لحظه اي است اما حداقل ۲۰ دقيقه زمان جهت تشكيل كامل ژلب آلژينات صرف ميشود تا بطور كامل تشكيل گردد. براي محافظت مواد به دس

ت آمده از تركيباتي مانند سوبسترا استفاده ميكنند كه اين مواد را داخل محلول مي ريزند.
جهت اين عمليات هيچ گرمايي مورد نياز نيست و سلول هاي ثابت شده، فعاليت هاي خيلي زيادي را در خود ذخيره مينمايند. نقش آلژينات كلسيم به عنوان يك وسيله ثابتع كننده متوسط، بدين علت است كه ژل ها ميتوانند در هنگام برخورد با فرايندهايي كه محتوي كيلات كننده هاي كلسيم هستند از بين بروند، مانند فسفات ها و اين بدان معني است كه توليد دانه هاي آلژينات كلسيم با ابعاد كمتر از ۵ ميلي متر مشكل به نظر ميرسد.

تله هاي ژله اي روشي كنترل شده براي رسيدن به آن چيزي است كه در طبيعت در مورد ارگانيسم هاي خاصي مثل جلبكي شدن باكتريها مورد قرار ميگيرد. خواص فيزيكي ژله ها بي شباهت به ماده جلبكي مذكور نيست. اما در هر صورت گونه هاي كمي موجودند كه تشكيل ژل ميدهند. تقريباً هر ارگانيسمي را ميتوان به وسيله تك ژله اي، ثابت كرد. اين ژل بصورت قطره (با قطر ۵ ميلي متر) يا بصورت صفحه اي و ديگر اشكال (به ابعاد ۰/۵ ميلي متر به شكل استوانه ريز) ظاهر ميشوندبا

اينكه در صفحاتي قرار ميگيرند و سپس به اندازه و شكل دلخواه بريده ميشوند. ذرات ژل در راكتورها اعم از راكتورهايي با بستر آكنه يا در مخازن همزني مورد استفاده قرار مي گيرند و رشد سلولي در داخل ژل صورت ميپذيرد. چنانچه غلظت به ۰٫۳۰ واحد حجمي برسد ژل خاصيت خود را از دست ميدهد و گازهايي ايجادت شده در ژل ميتواند باعث مشكلاتي در ذرات شود.

۲-۳-۲-۳-روش محدود كردن سلولها
اين نوعت ثبات مستلزم محدود كردن سلولها در پشت يك مانع يا سد است كه ممكن است از پيش ساخته شده باشد و يا در محل تشكيل گردد. اين مانع ممكن است به راحتي توسط مرز بين دو مايع مخلوط نشدني ايجاد گردد. اين در حالتي است كه سلولهاي سوسپانسيون با يك محلول آلي به شكل امولسيون و به صورت قطره هايي در يك فاز آبي سوسپانسيون بروز مينمايد. موانع داز پيش تشكيل شده شامل غشاهاي نيمه تراوايي است كه براي فيلتراسيون مواد مورد استفاده قرار ميگيرد. مواد غذايي ميتوانند به سلول هايي كه در پشت غشاء قرار دارند، نفوذ نمايند.
استفاده عمده از سلول هاي محدود شدعه، ناشي از توانايي اين سيستم ها براي نگهداري سلول هاي آزاد مايع است و فقط در منطقه كشت سلول هاي بافت پستانداران وجود دارند.

۲-۳-۲-۴-روش اجتماعي سلولي
با روش انعقاد ميتوان به ثبات سلول ها دست يافت. بدين معني كه انها ممكن است ثابت شوند و. پيوسته در راكتورهاي بيولوژيكي در حال كار باقي بمانند. براي مثال در راكتورهاي با بستر ثابت و با بسترهاي سيال، انعقاد طبيعي سلولها در انتهاي واكنش تخمير صورت ميگيرد. همچنين ميسل هاي قارچي كه به شكل قرص هاي كروي هستند ميتوانند اجتماع سلولي را به وجود آورند. انعقاد يك مرحله كليدي از مراحل لجن فعال است كه براي تصفيه فاضلاب مورد استفاده قرار ميگيرد. انعقاد مصنوعي ممكن است جهت اجتماع سلولي كه از طريق مكانيسم هايي كه هنوز شناخته نشده اند، صورت پذيرد.
۲-۳-۳-كنترل توده بيولوژيكي موجود
براي سيستم هايي كه در آن رشد سلولي وجود دارد مقدار واقعي توده بيولوژيكي در ارتباط با ذرات انفرادي نهايتاً به ارگانيسم هاي ثابت و شرايط و فرايند تخمير بستگي دارد. تحت شرايط معيني، محدوديت نفوذ درون لايه زيستي تثبيت شده يا انعقاد يافته منجر به ريختن يا خالي شدن قسمت وسط ميگردد.
در واكنش لايه هاي متصل، يك محدوديت ضخامتي وجود دارد كه به صورت يك لايه توده بيولوژيكي ميتواذند درآيد. اين امر ممكن است توسط غلظت محدود مواد و يا توسط فرسايش كه از تصادم بين ذرات يا از برخورد با ديواره ذرات به وجود مي آيد، كنترل شود. ميزان فرسايش به دو عامل بستگي دارد، يكي به تعادل نيروي مشترك كه بر ذره تحميل ميشود و ديگري به نيروي گرانروي كه بين ذرات وجود دارد.
گاهي استفاده از ذرات متخلخل ضروري است تا ميكروارگانيسم ها به اين ذرات بچسبند. در اين صورت اگر سلول ها در داخل خلل و فرج نگهداري شوند، هرگونه توده بيولوژيكي اضافي موجود در نتيجه رشد سلول روي قسمت خارجي ذرات توسط نيروي فرسايش ناشي از برخورد ذرات به يكديگر و يا برخورد ذره و ديوار از بين ميرود. با ارگانيسم هايي مانند قارچ هاي رشته اي نيروي مورد نياز جهت از بين بردن توده بيولوژيكي اضافي، قابل توجه است. در اين اگر رشد سلولي زيادتر نشود توده بيولوژيكي اوليه ثابت باقي ميماند و در حالتي كه سلول ها رشد را ادامه دهند، توده بيولوژيكي از طريق افزايش مي‌يابد. وجود توده بيولوژيكي ممكن است در نتيجه تجمع گاز منجر به تورم شود كه احتمالاً كنترل ميكروبي در اين حالت امكان پذير نميشود.
توسعه و كاربرد روش هاي سلول هاي تثبيت شده به تازگي مطرح شده است و مسائل مربوط به فهم و كنترل فيزريولوژي سلول نيز مشكل بعه نظر ميرسد. خص

وصيات بهينه كاتاليست ها بيولوژيكي خصوصاً ثبات و فعاليت هاي تجزيه اي فقط در مواردي رخ ميدهد كه توجه لازم به موقعيت بيولوژيكي سلول قبل و بعد از تثبيت معطوف گردد. يكي از مهمترين مشكلات در رابطه با تركيبات پيچيده، عدم درك شرايط محيط رزيست ميكروارگانيسم هاست، خصوصاً گرايدئان فيزيكي و شيميائي كه براي سلول هاي داخل مواد نگهدارنده طرح ميشوند. به مشكلات ذخيره اكسيژن و دفع دي اكسيد كربن به دلايل واضحي بيشترين توجه معطوف شده است ليكن اثرات ظريف تر ديگري را نيز بايد مد نظر قرار داد. تغييرات غير قابل پيش بيني در رشد و متابوليسم. فوايد و زيان هاي واكنش همراه با سلول هاي تثبيت شده مشاهده ميشود. واضح است كه فيزيولوژي سلول هاي تثبيت شده هنوز به روشني قابل درك نيست اما در اين مورد يكي از مهم‌ترين جنبه‌هاي پيشرفت تكنولوژي سلول هاي تثبيت شده در آينده خواهد بود.

 

فصل سوم – بيوفيلتراسيون
۳-۱-مقدمه
بسياري از صنايع فرايندهاي خود مواد آلاينده زيست محيطي توليد مي كنند كه اين مواد آلاينده ممكن است آلي و يا غيرآلي بوده و منشاء سنتزي يا طبيعي داشته باشد.
مواد آلاينده سنتزي بيشتر از صنايع تولدي مواد طعم دهنده، رنگ، توليد حظره كش ها، داروسازي، چاپ، پالايشگاهها، پتروشيمي و برخي صنايع ديگر منتشر مي شود.
مواد آلاينده اي كه منشاء طبيعي دارند از مكانهايي نظير كشتارگاهها، كارخانه هاي توليد قند، كاكائو، خوراك دام، صنايه نساجي و … منتشر مي شود.

در سالهاي اخير استفاده از بيوفيلترها جهت حذف آلاينده ها توسعه يافته است كه اين آلاينده ها ممكن است گازي و يا مايع باشند و بيوفيلتر را مي توان براي هر دو حالت استفاده كرد.
بيوفيلترها بيش از بيست سال است كه به عنوان وسايلي براي تصفيه تراكم هاي نسبتاً پايين آلاينده هاي بالقوه هوا (همانند VOC3) در جريانهاي گازي ناشي از واحدها و تصفيه خانه ها، فاضلاب واحدهاي درگير موارد زائد جامد، كارخانه هاي صنايع شيميلايي، كشتارگاه‌ها و واحدهاي عمل آوري كمپوست بكار گرفته مي شوند.

به دنبال افزايش سريع تعداد كارخانه ها و به دنبال آن افزتيش شكايات رسيده از نارضايان محلي روز به روز تلاش دست اندركاران دريافتن و بكارگيري روشهاي مؤثر كنترل و حذف آلاينده ها بيشتر مي گردد و در اين بين بيوفيلتراسيون گازهاي آلاينده خروجي يكي از روشهاي حذف اين گونه آلاينده ها مي باشد. محققين زيادي به نتايج خروجي يكي از روشهاي حذف اين گونه آلاينده ها مي باشد. محققين زيادي به نتايج موفقيت آميز استفاده از بيوفيلترها اشاره كر

ده اند. از جمله: ارنست واينتر )۱۹۸۷(، ون در هوك (۱۹۸۹) استوژيك (۱۹۹۱) و سويتين (۱۹۹۱)
بيشتر متخصصين استفاده از اين تكنولوژي را به خاطر سهولت به كارگيري آن، قدرت اجرا و عمل زياد، قيمت ارزان و كارايي حذف بالا (بيش از ۹۰ درصد) در كارخانجات توجه مي كنند. البته با وجود گسترش روزافزون اين روش نياز به انجام تحقيقات گسترده در خصوص اصول مهندسي و طراحي بيوفيلترها كماكان احساس مي شود. [۶]

۳-۲-مروري بر روند تكامل بيوفيلتراسيون
مي توان به جرأت گفت كه نقش طبيعت و مواد طبيعي با دخالت ميكروارگانيسمهاي موجود در آن در پاكسازي اكوسيستم و محيط زيست به بدو حيات برمي گردد و قدمتي طولاني دارد ميكروبها و گياهان دائماً در تصفيه هوا نقش دارند. علاوه بر آن مي‌توان به خودپالايي آبها و رودخانه ها اشاره داشت كه در آنها باكتري ها و قارچ ها با مصرف مواد غذايي آلي آب هاي آلوده، به نوبه خود نقش مهمي در پاكسازي دارند.

اولين پيشنهاد براي استفاده از روشهاي بيولوژيكي در سال ۱۹۹۳ ميلادي توسط باخ ارائه شد. طرح باخ استفاده از فيلترهاي با ميكروارگانيسم هاي فعال (بيوفيلتر) براي حذف سولفيد هيدروژن از هوا بود اما عملاً در اواسط دهه ۱۹۵۰ ميلادي بود كه از بيوفيلترها براي تصفيه هواي آلوده با غلظت هاي كم استفاده شد. [۲۱,۱۱]
استفاده از پوشش ها يا فيلترهاي متشكل از خاك به منظور كاهش گازهاي آلاينده نيز تاريخي طولاني دارد و اين گونه فيلترها امروزه به وفور در سيستمهاي دفن بهداشتي و مخازن فاضلاب به كار مي روند. اولين فيلتر خاكي مورد استفاده به عنوان بيوفيلتر توسط پومروي در سال ۱۹۵۷ در آمريكا به ثبت رشيد و بعد از آن در سال ۱۹۵۹ يك بستر خاكي در يك كارخانه تصفيه فاضلاب در نورنبرگ آلمان جهت كنترل بوي فاضلاب نصب گرديد و از آن پس با تفاوتهايي روي طراحي پايه اين تكنيك در سراسر دنيا با كاربرد روي گازهاي تركيبات آلي و معدني فرار قلمداد گرديد. از كشورهاي صاحب نظر در بكارگيري اين روش مي توان به آمريكا، هلند، سوئيس و ساير كشورهاي اروپايي اشاره كرد [۲۱,۱۳].

در سال ۱۹۸۳ اتنگراف توانايي بيوفيلترها را براي حذف مواد آلي آلاينده از هوا نشان داد. وي همچنين براي اولين بار مدلي رياضي براي فرايند بيوفيلتراسيون ارائه داد [۲۷] پس از آن پژوهشهاي گسترده‌اي براي استفاده از بيوفيلتراسيون براي حذف مواد آلاينده مختلف انجام گرفته است.
۳-۳-مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون
موا شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون عمدتاً شامل تركيبات آلي فرار (COC3) تركيبات احيا شده نيتروژن و گوگرد هستند. موادي كه توسط بيوفيلتر حذف مي شوند بايد به درون بيوفيلم روي ذرات بستر انتقال پيدا كنند. ضريب توزيع ماده شيميايي بين فاز گاز و مايع و مايع و مايع بر ميزان اين انتقال تأثير مي گذارد.
از نظر تئوري غلظت مواد شيميايي با فراريت بالا در بيوفيلم نسبتاً كم بوده و در نتيجه شدت تخريب آن نيز پايين است. شواهدي در دست است كه نشان مي دهد موادي با فراريت بالا نظير پنتان و هگزان را نيز مي توان به طور مؤثر با فرايند بيوفيلتراسيون حذف كرد.
۳-۳-مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون
مواد شيميايي قابل حذف توسط بيوفيلتراسيون عمدتاً شامل تركيبات آلي فرار (VOC3) تركيبات احيا شده نيتروژن و گوگرد هستند. موادي كه توسط بيوفيلتر حذف مي شدند بايد به درون بيوفيلم روي ذرات بستر انتقال پيدا كنند. ضريب توزيع ماده شيميايي بين فاز گاز و مايع و يا مايع و مايع بر ميزان اين انتقال تأثير مي گذارد.
از نظر تئوري، غلظت مواد شيميايي با فراريت بالا در بيوفيلم نسبتاً كم بوده و در نتيجه شدت تخريب آن نيز پايين است. شواهدي در دست است كه نشان مي دهد موادي با فراريت بالا نظير پنتان و هگزان را نيز مي توان به طور مؤثر با فرايند بيوفيلتراسيون حذف كرد.
تركيبات مورد نظر براي حذف توسط بيوفيلتر بايد به اساني در محيط زيست تخريب پذير بوده و براي ميكروارگانيسم غير سمي باشد. بنابراين تركيباتي نظير اترها، آلدئيدها، كتونها، آروماتيك هاي تك حلقه اي و سولفيدها در غلظت هاي مناسب قابل حذف هستند. غلظت بالاي برخي از مواد

اثركنندگي بر متابوليسم ميكروارگانيسم ها دارد. اتافل مثالي از يك ماده شيميايي است كه حلاليت آن در آب بالا بوده و به اساني تخريب پذير و توسط بيوفيلتر حذف مي گردد. تركيبات مقاومي نظير تركيبات آلي كلردار نيز قابل حذف هستند اما سرعت حذف آنها پايين بوده به عنوان مثالي از حذف مواد مقاوم توسط بيوفيلتر مي توان به حذف دي كلرومتان از هواي آلوده با بازده %۹۸ در حضور تولوئن اشاره كرد. امكان حذف مخلوطي از مواد آلاينده نيز وجود دارد اما وجود يك آلاينده ممكن است بر ميزان حذف ماده ديگر تأثير داشته باشد. اثر كندكنندگي اتيل استات بر ميزان

حذف استايرن در يك بيوفيلتر توسط مك گراث گزارش شده است. [۱۶]. معمولاً وجود تركيباتي كه قابليت تجزيه بيولوژيكي بالايي دارند بر ميزان حذف تركيبات با قابليت تجزيه بيولوژيكي توسط اثر منفي دارند. اثرات كندكنندگي تركيبات ۱-پروپانول، استون و متيل ايزوبوتيل كتون بر ميزان حذف متيل اتيل كتون نيز توسط دشوس گزارش شده است [۲۸] در صورتيكه وجود تركيبات مختلف در هواي ورودي به بيوفيلتر اثر منفي بر ظرفيت حذف يكديگر داشته باشند مي توان از بيوفيلترهاي سريع براي رفع مشكل استفاده كرد.
فهرستي از مواد قابل حذف در بيوفيلتر در جدول ۳-۱ آمده است [۲۰,۷].

جدول ۳-۱: قابليت حذف در بيوفيلتر (تجزيه بيولوژيكي در سيستمهاي بيولوژي هوا)
آلاينده قابليت تجزيه بيولوژيكي آلاينده قابليت تجزيه بيولوژيكي
هيدوكربنهاي آليفاتيك: تركيبات آلي گوگرددار:
متان ۱ كربن دي متيل سولفيد ۲
پروپان ؟ دي متيل سولفيد ۲
بوتان ؟ دي اتيل دي سولفيد ۲
پنتان ۱ متيل مركاپتان ۱
ايزوپنتان ۱ تيوسيانات ۱
هگزان ۲ تركيبات آلي اكسيژن‌دار:
سيكلو هگزان ۱ متانول ۳
استيلن ۱ اتانول ۳
هيدروكربنهاي آروماتيك: بوتانول ۳
بنزن ۲ ۲-بوتانول ۳
فنل ۳ ۱-پروپانول ۳
اتولوئن ۳ ۲-پروپانول ۳
استايرن ۲ فرمالدئيد ۳
اتيل بنزن ۲ بوتريك اسيد ۳
هيدروكربنهاي كلردار: ۳ وينيل استات ۲

كربن تتراكلريد ۱ اتيل استات ۳
كلروفرلم ۱ بوتيل استات ۳
دي كلرومتان ۳ ايزوبوتيل استات ۳
برمودي كلرومتان ؟ دي اتيل اتر ۱
۱ و ۱ و ۱ تري كلرو اتان ؟ دي اگزان ۱
۱ و ۱ دي كلرو اتان ؟ متيل ترت – بوتيل اتر ۱
تتراكلرواتن ۱ تتراهيدروفوران ۳
تري كلرو اتن ۱ استون ۳
۲ و ۱ دي كلرواتان ؟ متيل اتيل كتون ۳
۱ و ۱ دي كلرو اتن ؟ متيل ايزوبوتيل كتون ۳
وينيل كلرايد ۱ تركيبات غير آلي:
۲ و ۱ دي كلرو بنزن ؟ آمونياك ۳
كلرو تولوئن ۱ سولفيد هيدروژن ۳
تركيبات آلي نيتروژن دار: اكسيد نيتروژن ۱
آنيلين ۳
آكريلو نيتريل ؟
پيريدين ۱

عدد ۳ بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي بسيار خوب – عدد ۲ بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي متوسط و عدد ۱ بيانگر قابليت تجزيه بيولوژيكي كم و علامت ؟ بيانگر نبودن اطلاعات در مورد قابليت تجزيه ببولوژيكي ماده در سيستم هاي بيولوژيكي هوا است.
۳-۴-تعريف بيوفيلتراسيون
مطابق نظر هاگ (۱۹۹۳) بيوفيلتراسيون يك روش كنترل آلودگي هواست كه در آن يك بستر جامد و فعال بيولوژيكي جهت جذب سطحي تركيبات آلاينده از جريان هوا و هدايت آنها به سمت فرايند اكسيداسيون بيولوژيكي در مرحله بعد به كار گرفته مي شود. بوهن (۱۹۹۲) بيوفيلتراسيون را جابجايي و اكسيداسيون گازهاي آلي و يا تركيبات آلي فرار (VOCs) از هواي آلوده از طريق بسترهايي از خاك يا كمپوست معرفي مي كند. بيوفيلترها بستذرهايي از خاك، كمپوست، پيت

 

و يا ديگر بسترهايي متخلخل طبيعي مي باشند كه داراي ظرفيت سطحي زيادي جهت جذب آلاينده ها هستند. هواي آلوده از كف بيوفيلتر از طريق يك شبكه توزيع هوا (متشكل از لوله هاي سوراخدار) در داخل بستر و رو به بالا جريان مي يابد و نهايتاً تركيبات آلي فرار (VOCs) در سطوح آلي ذرات خاك يا كمپوست جذب مي گردند. گازهاي جذب شده در مرحله بعد در محيطي مرطوب و غني از اكسيژن توسط ميكروارگانيسم ها به دي اكسيد كربن و آب اكسيده مي شوند. تركيبات معدني فرار عمدتاً به صورت نمكهاي كلسيم جذب و اكسيد مي گردند. يك بيوفيلتر در عمل مخلوطي از كربن فعال، سيليس، آلومينا و آهك در تركيب با جمعيت ميكروبي است كه از طريق

آنزيمي، اكسيداسيون گازهاي جذب شده را كاتاليز مي كنند و اين اكسيداسيون نيازي به سوخت يا مواد شيميايي ندارد. سرعت حذف آلاينده و اكسيداسيون آن به قابليت تجزيه بيولوژيكي و واكنش پذيري گازها وابسته است. محدوده نيمه عمر آلاينده در درون بستر از دقيقه براي اغلب گازهاي فعال و واكنش دهنده تا ماهها براي آلاينده هايي كه قابليت تجزيه پذيري كمتري دارند متغير است.
جدول ۳-۲ رده بندي عمومي چند آلاينده را از نظر ميزان تجزيه پذيري نشان مي دهد. اين طبقه بندي براي تمام فرايندهاي تصفيه بيولوژيكي از قبيل: Biorecalmation، Bioremediation و نهايتاً Biofilturation يكسان است، چون همگي بر مكانيسم مشابهي تكيه دارند.

گازها ذاتاً به دليل انتشار مولكولي شان نسبت به جامدات و مايعات قابليت تجزيه بيولوژيكي بيشنري دارند.

جدول ۳-۲: طبقه بندي آلاينده ها بر اساس ميزان تجزيه پذيري آنها ]بوهن (۱۹۹۲)[
تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه زياد تركيبات‌معدني‌فرار VICs با سرعت واكنش زياد تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه كم تركيبات آلي فرار VOCs با سرعت تجزيه بسيار كم
الكل‌ها سولفيد هيدروژن هيدروكربن هاa هيدوكربن‌هاي هالوژن دارb
آلدئيدها اكسيدهاي نيتروژن به جز N2O فنل ها هيدروكربن‌هاي چندحلقه اي (معطر)
كتون‌ها دي اكسيد گوگرد متيل كلرايد دي سولفيد كرين (CS2)
اترها كلريد هيدروژن
استرها آمونياك
اسيدهاي آلي فلوئوريد هيدروژن
آمين ها SIH4
تيول ها PH3
مولكولهاي شامل اكسيژن و نيتروژن و يا گوگرد

a- هيدروكربن هاي آليفاتيك نسبت به هيدروكربن هاي آروماتيك (معطر) همانند: گزيلن، تولوئن، بنزن، استيرن سريعتر تجزيه مي شوند
b- هيدروكربن هاي هالوژن دار همانند: تري كلرو اتيلن، تري كلرو اتان، تتراكلريد كربن و پنتا كلرو فنل.

۳-۵-تئوري بيوفيلتراسيون
مقالات، تفسيرهاي گوناگوني از تئوري عمل بيوفيلترها ارائه مي دهند كه همگي اساس مشترك دارند. اصولاً به دنبال گازهيا آلاينده و بو از ميان بستر بيوفيلتر، دو مكانيسم حذف اصلي به طور همزمان روي مي دهد كه شامل فرايندهاي جذب يا جذب سطحي و بيواكسيداسيون مي باشند ](هلمز (۱۹۷۴)، نيلر و همكاران (۱۹۸۸)[.

همانگونه كه گازهاي آلاينده، آئروسل‌ها و ذرات از خلال جسم جامد بستر بيوفيلتر مي گذرند، به روي سطح ذرات بستر، جذب سطحي مي شوند، و يا به داخل لايه سطحي مرطوب (بيوفيلم) احاطه كننده اين ذرات، جذب مي گردند. ميكروارگانيسم ها و اساساً باكتري ها، اكتونوميسيت ها و قارچ ها به بستر فيلتر اتصال دارند و اين بستر وظيفه تأمين مواد غذايي معدني و يا آلي را براي ميكروارگانيسم هاي فوق به عهده دارند. خصوصاً در شرايطي كه مواد غذايي مورد نياز جمعيت ميكروبي در جريان گاز آلاينده مورد تصفيه موجود نباشد، نقش بستر حياتي تر مي گردد ](اتنگراف (۱۹۶۸)[.

اين ميكروارگانيسم ها برروي لايه بيولوژيكي روي سطح ذرات بستر، يعني در جايي كه اجزاي معدني و آلي قابل تجزيه بيولوژيك اكسيده مي شوند، وجود دارند. وقتي كه يك سيستم بيوفيلتر به درستي عمل نمايد، دي اكسيد كربن، آب و نمكهاي معدني تشكيل مي شوند.
به دنبال اكسيده شدن پياپي تركيبات آلاينده، مكان هاي جذب سطحي در بيوفيلتر در دسترس تركيبات آلاينده ديگر موجود در فاز گازي قرار مي گيرند و بدين ترتيب عمل حذف آلودگي به طور خودبه خودي ادامه مي يابد. در شرايط عمل پايدار ، سرعت تجزيه ميكروبي اجزاي آلاينده جذب

شده. بايد معادل يا فراتر از سرعت جذب يا جذب سطحي باشد تا سرعت و ميزان حذف آلودگي، افزايش يابد. اگر فيلتر به حالت اشباع (Over Loaded) برشد، اين بار مكان هاي جذب سطحي ذرات بستر بدن آنكه با فرايند بيواكسيداسيون بازيابي شوند، سريعاً پر گشته و در نتيجه اجزاي آلاينده جريان گاز وارد اتمسفر مي گردند، بدون آنكه مورد تجزيه ميكروبي قرار گيرند. ]بوهن(۱۹۸۸) و كاتر
(۱۹۹۰)[.
حذف مواد در داخل بيوفيلترها مي تواند به صورت يك خط سير عبوري كه به اصلاح يا تخريب تركيبات آلي ناخواسته منجر مي شود، درنظر گرفته شود. اين خط سير ممكن است شامل چندين مرحله باشد و از ساده تا بسيار پيچيده تغيير كند، پيچيده تر شدن اين راه ها تابع اجتماع و هماهنگي ارگانيسم هاست. عدم توجه به خط سير جابه جايي و حذف مواد آلاينده مي تواند به كاهش نتايج بهينه در طراحي و ساخت بيوفيلتر منجر شود.

 

طبق ديگر سيستم هاي تصفيه بيولوژيكي مواد زائد، اكوسيستم هاي بيوفيلتري به حد زياد نسبت به مازاد و يا فقدان مواد غذايي حساسند و از طرفي تجمع محصولات سمي ناشي از متابوليسم ميكروبي نيز به طور قابل توجهي شرايط اكوسيستم را تغيير يم دهد و نيز برخي مواد غذايي معدني در طول زمان در نتيجه تبخير از ميان مي روند كه نهايتاً به تغييرات نامطلوب در شرايط فيلتر منجر مي گردد. تجمع اضافي گوگرد و يا نيتروژن در شرايطي كه H2S يا آمونياك از خلال بيوفيلتر تصفيه يم شود، قابل پيش بيني است.

درنظرگرفتن فاكتورهايي كه به نوعي به سود و يا به ضرر استقرار و عمل جمعيت ميكروبي هستند مهم تلقي مي شود. از فاكتروهيا فوق مي توان به بستر، جريان گاز، خصوصيات جريان گاز مورد تصفيه، درجه حرارت و ساير عوامل فيزيكي شيميايي كه مستقيماً روي توانايي اجتماع ميكروبي در اكسيداسيون مواد و سازماندهي اوليه آنها اثر مي گذارد، اشاره نمود. عوامل فوق به طور معمنول از طريق تست هاي فيزيكي و شيميايي اندازه گيري مي شوند و مي توانند در پيش بيني و تعيين

 

عملكرد اوليه بيوفيلتر مناسب باشند. تغييرات ناشي از فعاليت بيولوژيكي و شيميايي درون بيوفيلتر برروي نگهداري و عمل اجتماعي ميكروبي، تأثير مي گذارد. يك نمونه از آن اسيديفيكاسيون فيلتر تصفيه كننده سولفيد هيدروژن در طول زمان مي باشد. جهت مديريت و كنترل فاكتورهاي فوق شناخت خط سيرهاي عبوري متابوليكي اجزاي آلاينده فاز گازي ضروري است. [۸]
مكانيسم عمل در بيوفيلتراسيون
بيوفيلتراسيون اصولاً يك فرايند سه مرحله است. ابتدا ماده يا مواد شيميايي مورد نظر از فصل مشترك بين بيوفيلم و فاز گاز عبور كرده دو وارد بيوفيلم مي شوند سپس ماده شيميايي درون بيوفيلم به طرف جمعيت ميكروبي موجود نفوذ مي كند و در نهايت ميكروارگانيسم ها ماده موجود را جذب و آن را اكسيد مي كنند.

مكانيسم عمليات بيوفيلترها به اين صورت است كه يك لايه نازك از بيوكاتاليست روي حامل هايي قرار داده شده است و هوا يا گاز آلوده از روي آن عبور داده مي شود عبور هوا موجب جذب مورد نظر توسط ميكروارگانيسم هاي ثبت شده مي شود در اين عمليات ميكروارگانيسمها در واقع مانند كاتاليستهاي شيميايي عمل مي كنند و پس از جذب مواد مورد نظر توسط آنها و انجام واكنش آب و CO2 از فيلتر خارج مي شود جذب مواد آلاينده از هوا در رطوبت موجود در بستر بيوفيلتر در حالت تعادل توسط قانون هنري بيان مي شود. تركيبات آب دوست كه داراي قابت هنري كم هستند به راحتي جذب بستر مي شوند. تركيبات آب گريز كه داراي ثابت هنري بالاتري هستند به ميزان كمتري جذب بستر شده و بنابراين ظرفيت حذف بيوفيلتر براي آنها به ميزان قابل توجهي كمتر از تركيبات آب دوست است. (قانون هنري غلظت يك ماده در فاز مايع را توسط يك ثابت به غلظت آن در فاز گاز در حالت تعادل مرتبط مي سازد. اين قانون براي غلظتهاي پايين معتبر است) معمولاً براي پيش بيني ظرفيت جذب يك بيوفيلتر با توجه به درصد بالاي رطوبت موجود در بستر ثابت هنري تركيب را همان ثابت هنري در سيستم هوا / آب خالص درنظر مي گيرند.
اما عملاً ظرفيت حذف بيوفيلترها براي تركيبات آب گريز بيش از مقدار محاسبه شده، با درنظر گرفتن ثابت هنري در سيستم هوا / آب خالص است.

گرچه اين موضوع از همان ابتداي استفاده از بيوفيلترها براي حذف آلاينده هاي آلي شناخته شده بود اما اخيراً پژوهشگران با آزمايشهاي دقيق نشان داده اند كه ثابت هنري در يك سيستم هوا / بيو فيلم مي تواند به ميزان قابل توجهي نسبت به يك سيستم آبي مملو از بيوپليمرها قابل توجيه است [۵]
در دسترس بودن مولكولهايي كه جذب سطح ذرات مي شوند براي ميكروارگانيسم ها مورد ترديد است.