جلوگیری و رفع رسوبات میکروبی در ممبران ها
در سیستم های تصفیه آب که از ممبران هایی همچون اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون جهت تصفیه آب های شهری و صنعتی استفاده می شود، وجود میزان بالای انواع میکروب ها در آب و یا پساب ورودی به این واحدها، منجر به تشکیل بیوفیلم بر روی سطح ممبران ها شده که در نهایت چالش های زیادی را برای این واحدها بوجود می آورد. تشکیل و رشد بیوفیلم باعث گرفتگی منافذ غشاها شده و علاوه بر کاهش جریان آب در سیستم، میزان انرژی مورد نیاز برای عبور آب از سیستم و انجام عمل فیلتراسیون را افزایش می ده. از طرف دیگر در هر نوبت، مقداری از این بیوفیلم در حین فرآیند فیلتراسیون به آب پرمیت ورود کرده و به این ترتیب کیفیت آب را پایین آورده و حتی منجر به ایجاد ریسک های بهداشتی می شود. چنانچه لایه های بیوفیلم شستشو و حذف نشوند بعد از مدتی به غشاها آسیب رسیده و ضخامت این لایه ها به حدی می رسد که رفع کامل آن دیگر امکان پذیر نیست. در این صورت هزینه های تعویض ممبران ها نیز به واحد تجاری تحمیل می شود. از این رو کنترل، جلوگیری، شستشو و رفع مداوم بیوفیلم برای واحدهای تصفیه آب و پساب که از تکنولوژی غشایی بهره می برند، امری مهم و ضروری محسوب می شود. امروزه شرکت های تجاری مختلف از جمله کمپانی دوپونت اقدام به فرمولاسیون و تولید انواع بیوسایدها مانند DBNPA کرده که به طور موثری قادر به رفع این مشکل بوده و با جلوگیری از فعالیت میکروب ها مانع از تشکیل لایه های بیوفیلم بر روی سطح ممبران ها می شوند. در ادامه با نحوه تشکیل بیوفیلم و ترکیبات شیمیایی جهت مقابله با این چالش بیشتر آشنا می شویم.
بیوساید چیست؟
به طور کلی بایوساید یا زیست کش به عوامل شیمیایی و یا زیستی اطلاق میشود که توانایی کشتن، حذف و بی اثر کردن انواع کلنی های میکروبی اعم از باکتری ها، ویروس ها، جلبک ها و قارچ ها را دارند. این کلنی ها در سیستم ها وتجهیزات تصفیه آب و پساب به صورت لایه هایی به نام بیوفیلم رشد و تکثیر می شوند و باعث بروز انواع مشکلات بهداشتی و عملیاتی در این واحدها می شوند. گونه های مختلفی از ترکیبات شیمیایی با عنوان بایوساید وجود دارند که هر کدام از آنها از فرآیندهای خاصی جهت کنترل رشد و تکثیر کلنی های میکروبی استفاده می کنند. به طور کلی بیوسایدها به سه روش کلی قادر به روش مشکل بروز بیوفیلم ها می باشند:
● بیوسایدهای اکسید کننده: این گروه با استفاده از فرآیند اکسیداسیون به ساختار سلولی میکروارگانیسم ها آسیب وارد می کنند. کلر، ازن و هیدروژن پراکسیدها از عوامل اکسیدگننده می باشند.
● بیوسایدها غیر اکسید کننده: این گروه از طریق ایجاد اختلال در متابولیسم و آسیب به غشای سلولی عوامل میکروبی را غیر فعال کرده و آنها را از بین می برند. ترکیبات آمونیوم چهار ظرفیتی، ایزوتیازولین متعلق به این دسته می باشند.
● عوامل نفوذ کننده به بیوفیلم ها: این دسته از ترکیبات از طریق نفوذ و ایجاد آسیب به ساختار خارج سلولی بیوفیلم به نام EPS(حاوی انواع پلی ساکارید، پروتئین و DNA) توده میکروبی را غیر فعال کرده و به صورت عمیق و موثر منجر به حذف بیوفیلم می شوند. ترکیبات DBNPA، گلوتارآلدئیدها و فرمالدهید نمونه هایی ازاین دسته از بیوسایدها هستند.
انواع بایوساید موجود در بازار جهت رفع رسوبات میکروبی
امروزه انواع بیوسایدها تحت عنوان برند های مختلف در بازار موجود می باشند که بسیاری از آنها می توانند به طور قابل توجهی از انواع ممبران های موجود در بازار محافظت کرده و از ایجاد بیوفیلم بر روی سطح غشاها جلوگیری کنند .
برندهای مهم در زمینه طراحی و تولید بیوسایدهای اکسید کننده شامل:
● برند Dupont(دوپونت) : محلول های بر پایه کلر
● برند Lonza(لونزا) : محلول های بر پایه کلر
● برند Arkema(آرکما) : محلول های هیدروژن پراکسید
● برند Suez Water Technologies : تولید ازن و هیدروژن پراکسید
● برند Solvay(سولوی): محلول های بر پایه کلر
برندهای مهم در زمینه فرمولاسیون و تولید بایوساید های غیر اکسید کننده:
● برند Dupont(برند قدیمی DOW): محلول بر پایه ایزوتیازولین
● برند Lanxess - Kathon: محلول بر پایه ایزوتیازولین
● برند Lonza(لونزا) : محلول های متشکل از آمونیوم چهار ظرفیتی
● برند BASF – Bioplus: محلول های متشکل از آمونیوم چهار ظرفیتی
برندهای مهم در زمینه طراحی و تولید بایوساید های نفوذی به بیوفیلم شامل:
● برند Dupont(دوپونت) : محلول های DBNPA
● برند Albemarle Corporation: حاوی ترکیبات DBNPA
● برند Baker Hughes – Grotan: حاوی ترکیبات فرمالدئید و گلوتارآلدئید
● برند BASF – Proxel: محلول های حاوی گلوتارآلدئیدها
محلول DBNPA شرکت دوپونت
محلول DBNPA( با نام علمی 2,2dibromo-3 nitrilo-propionamide) یک ترکیب شیمیایی غیر اکسید کننده بسیار موثر و سریع جهت کشتن میکروب ها و از بین بردن بیوفیلم ها در واحدهای تصفیه شهری و صنعتی میباشد. بیشترین کاربرد این محلول در مواردی است که گندزدایی در فرآیند تصفیه بایستی به نحوی انجام گیرد که هیچ ماده جانبی سمی تولید نشده و در آب به جا نماند. از خاصیت ها و مزایای محلول DBNPA می توان به موارد زیر اشاره کرد:
● عملکرد سریع و موثر
● سازگار با انواع ممبران های موجود در بازار
● مقرون به صرفه
● قابل تجزیه و سازگار با محیط زیست
● حمل و انبار اسان و ثبات شیمیایی مناسب
● قابل استفاده در طیف وسیعی از صنایع و واحدهای تصفیه آب و پساب
● توانایی از بین بردن انواع میکروارگانیسم ها، پلانکتون ها و جلبک ها
جدول زیر مشخصات فیزیکی و شیمیایی ترکیب DBNPA را نشان می دهد:
نحوه استفاده از محلول DBNPA برای رفع رسوبات میکروبی
نحوه صحیح استفاده از محلول DBNPA به صورت تزریق مقطعی است. علت این امر استفاده بهینه از محلول شیمیایی و همچنین جلوگیری از مقاوم شدن بیوفیلم در برابر ترکیب مورد نظر می باشد. میزان غلظت DBNPA مورد استفاده در هر نوبت از تزریق به ضخامت لایه بیوفیلم بستگی دارد. چنان چه آب های ورودی به سیستم کمتر مستعد تشکیل لایه های بیوفیلم باشند میزان مورد نیاز DBNPA چیزی در حدود 30 - 10 mg/l هر 5 روز به مدت 30 دقیقه تا 3 ساعت خواهد بود. این آب ها شامل منابع شور دریا، آب هایی با میزان مواد آلی کم بخصوص فسفر و نیتروژن پایین و آب هایی با میزان PH بالا یا پایین بوده که محیط مناسبی را برای رشد میکروارگانیسم ها فراهم نمی کند. توجه داشته باشید که عواملی مانند کلر و هیدروژن بی سولفات اثر محلول DBNPA را تا حد زیادی خنثی می کنند به همین دلیل چنانچه در فرایندهای سیستم تصفیه و پیش تصفیه از این محلول ها استفاده میشود، میزان مورد نیاز DBNPA بیشتر خواهد بود. برای مثال به ازاری هر 1ppm از عوامل باقیمانده مذکور در آب ورودی به سیستم اسمز معکوس، مقدار 1ppm به مقدار مورد نیاز DBNPA افزوده می شود. جدول زیر مراحل گندزدایی توسط محلول بایوساید DBNPA دوپونت برای سیستم های غشایی همچون اسمز معکوس را نشان می دهد:
بعد از تزریق DBNPA و غیر فعال شدن و مرگ کلنی های میکروارگانیسم ها بایستی بیوفیلم غیر فعال و مرده را از سیستم حذف کرد. توصیه می شود که از محلول های قلیایی برای این کار استفاده کنید. توجه داشته باشید که سیستم های RO در بعضی از موارد به طور کامل موفق به دفع کامل بیوسایدها، مواد جانبی تولید شده توسط آنها و کلنی های مرده نمی باشند. معمولا میزان کمی از این مواد در حین عملیات در آب پرمیت سیستم وجود خواهند داشت. به همین دلیل توصیه میشود هنگامی که عملیات تزریق مقطعی در حال انجام است، آب پرمیت به طور کامل دور ریخته شده و مورد استفاده قرار نگیرد.
رعایت نوبت های شستشو و انجام گندزدایی سیستم در روزهای معین برای حفظ سلامت سیستم و کیفیت آب پرمیت امری بسیار حیاتی است و این به دلیل نوع متابولیسم میکروارگانیسم ها و چرخه زندگی آنها بر روی ممبران ها می باشد که در ادامه به شرح چرخه تشکیل بیوفیلم، دلیل اهمیت زمان و روزها و عواقب عدم رعایت آن می پردازیم.
نحوه تشکیل رسوبات میکروبی بر روی غشاهای اسمز معکوس
در سیستم های اسمز معکوس که میزان فعالیت میکروبی در آب خام ورودی به آنها بالاست، لایه بیوفیلم حدودا بعد از 5 - 3 روز ظاهر می شود. تصویر زیر روند تشکیل بیوفیلم بر روی سطح ممبران ها در یک دوره زمانی 32 روزه را نشان می دهد:
به این ترتیب معمول ترین دوره شستشو ممبران ها هر 5 - 3 روز و در نقطه اوج فعالیت میکروبی می باشد. از آنجایی که افزایش دما بر روی فعالیت میکروب ها تاثیر می گذارد این دوره گندزدایی در فصل های گرم سال و یا در نفط جغرافیایی با دمای بالا هر 5 - 3 روز و در فصول سرد سال هر 7 روز می باشد. همچنین توصیه می شود که شرایط خود واحد اسمز معکوس و انواع فرآیندهای به کار گرفته شده در آن برا ی تعیین دوره شستشو گندزدایی جهت بدست آوردن نتیجه ایده آل در نظر گرفته شود.
به طور کلی تشکیل لایه بیوفیلم حاصل از رشد و فعالیت میکروارگانیسم ها بر روی ممبران ها شامل 6 مرحله می باشد:
● اتصال اولیه: در اولین مرحله میکروارگانیسم با پیوندهای ضعیف و شکننده مانند واندروالسی و آب گریز با سطوح ممبران ها پیوند برقرار می کنند. شکل گیری این اتصالات به چند ثانیه تا چند دقیقه(30 - 5 دقیقه) زمان نیاز دارد. در این مرحله میکروارگانیسم ها با فعالیت های خود شرایط را برای استقرار بر روی ممبران ها فراهم می کنند.
● اتصال قابل برگشت: در این مرحله میکروارگانیسمها با ترشح پروتئین بر روی ممبران ها پیوندهای محکم تری را برقرار می کنند. این مرحله در طی 30 - 10 دقیقه صورت میگیرد. در این فاز پیوندها هنوز هم چندان قوی نیستند و میکروارگانیسم ها بر اثر فشارهای هیدرولیکی و یا متابولیسم ها خود همچنان از سطح ممبران ها جدا شوند.
● اتصال غیر قابل برگشت: در این فاز میکروارگانیسم ها با ترشح انواع مواد خارج سلولی مانند پلی ساکاریدها، پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک جای خود را بر روی ممبران ها تثبیت کرده و شروع به تشکیل ساختارهای اولیه کلنی ها می کنند. این مرحله غیر قابل برگشت بوده و در طی چند ساعت از شروع اتصال اولیه(4 - 1 ساعت) صورت می گیرد.
● شروع تکثیر و تشکیل کلنی های میکروبی: در این مرحله میکروب ها شروع به رشد و تکثیر کرده و میکرو کلنی های کوچک را تشکیل داده و ارتباطات بین سلولی با هم برقرار می کنند. تشکیل این کلونی 24 - 4 ساعت بعد از اولین پیوندها صورت خواهد گرفت.
● بلوغ کلنی: حدود 1 تا 3 روز بعد از تشکیل میکرو کلنی ها، لایه بیوفیلم به رشد کامل رسیده و حتی کانال های آب بین گروه های کلنی تشکیل شده است. در این مرحله بیوفیلم به بلوغ رسیده و به وضوح بر روی عملکرد غشاهای اسمز معکوس و سایر انواع ممبران تاثیر می گذارد. از جمله این که منافذ دچار گرفتگی شده و در هر نوبت بر اثر فشار جریان آب و گرفتگی مقداری از کلنی وارد جریان پرمیت می شود.
● تجزیه و جداسازی: کلونی هایی که به مرحله بلوغ رسیده بودند بعد از 7 - 3 روز چرخه زندگی خود را به پایان رسانده و به دلیل ساختار ضعیف و شکننده خود در این مرحله به راحتی وارد جریان آب می شوند و به طور همزمان میکرو کلنی های جدید بر روی لایه اولیه بیوفیلم شکل گرفته و رشد می کند و به این ترتیب به ضخامت لایه های بیوفیلم به مرور زمان اضافه می شود.
شکل زیر مراحل مختلف شکل گیری بیوفیلم بر روی غشاهای اسمز معکوس و سایر ممبران ها در طول دوره زمانی مشخص نشان می دهد:
اهمیت بیوسایدها جهت نگهداری ممبران های اسمز معکوس
محلول DBNPA از طریق حمله به ساختار بیرون سلولی کلنی(EPS) میکروارگانیسم ها واز بین بردن آنزیم های حاوی سولفور، بیوفیلم را از بین می برد. شکل زیر مراحل از بین رفتن بیوفیلم و میکروارگانیسمها توسط بیوسایدها را نشان می دهد:
عدم کنترل رشد بیوفیلم بر روی ممبران های اسمز معکوس و سایر غشاها، مشکلات عدیده ای را از جوانب مختلف اقتصادی، بهداشت و محیط زیستی به واحد تصفیه و در نهایت مصرف کننده آب خروجی وارد میکند. در اینجا به به برخی از این مشکلات اشاره می کنیم:
● گرفتگی منافذ ممبران و افزایش فشار مورد نیاز جهت اعمال فیلتراسیون
● افزایش مصرف انرژی و آسیب به محیط زیست
● افزایش هزینه های واحد تصفیه به دلیل تعویض ممبران ها و میزان مصرف انرژی
● عدم رفع کامل گرفتگی ممبران ها در صورت عدم شستشو و گندزدایی به موقع
● افزایش دوره های شستشوی ممبران ها به دلیل گرفتگی مداوم
● عدم ثبات جریان موجود در سیستم و تغییرات ناگهانی فشارهای هیدرولیکی
● وارد شدن کلنی های میکروبی به آب پرمیت و غیر بهداشتی شدن آب خروجی
● افزایش رسوبات معدنی مانند کربنات کلسیم به دلیل گیر افتادن این رسوبات در کلنی ها
● کاهش آب پرمیت تولیدی به دلیل فیلتراسیون نامناسب
● تجزیه و آسیب ممبران به دلیل اسیدها و پروتئین ها ترشح شده توسط کلنی های میکروبی
● مقاومت میکروبی بر اثر گذشت زمان و عدم اثر بیوسایدها بر روی بیوفیلم
در صورت عدم کنترل رشد کلنی های میکروبی میزان جریان آب در سیستم به مرور زمان کاهش می یابد. این تغییر در ابتدا بسیار ناچیز و به سپس به صورت تصاعدی بیشتر شده تا جایی که منجر به خاموشی کل واحد تصفیه خواهد شد. میزان تقریبی کاهش فلاکس آب در فازهای مختلف رشد بیوفیلم بر روی غشاهای اسمز معکوس به شرح جدول زیر می باشد:
مقایسه DBNPA با عوامل اکسید کننده
محلول DBNPA یک محلول غیر اکسید کننده است اما می تواند همراه با تزریق حدود 0.5 - 3 mg/l به آب میزان 400 ORP ،mV را نشان دهد. پارامتر ORP ( مخفف Oxidation- Reduction Potential) نشان دهنده پتانسیل اکسیدکنندگی یک ماده شیمیایی است و برای عوامل گندزدایی مانند کلر و هیدروژن پراکسید مورد استفاده قرار می گیرد. میزان ORP کلر و برم در غلظت 1mg/l چیزی در حدود 700mV می باشد. این نکته را در نظر داشته باشید مقدار نشان داده شده توسط محلول DBNPA به میزان پتانسیل ORP باز نمی گردد و صرفا یک سیگنال کاذب می باشد. این عدد به دلیل شکستن ساختار مولکولی میکروب ها بر استفاده DBNPA و ورود مواد داخل سلولی آن ها مانند HOBr و Br به آب می باشد و یک پاسخ گذرا است و نبایستی مورد توجه قرار بگیرد.
محلول DBNPA و کلر هر دو ترکیبات بسیار قوی جهت گندزدایی و حذف میکروارگانیسم ها می باشند. به طور کلی DBNPA در مقایسه با کلر قدرت بیشتری برای گندزدایی داشته و هیچ ماده سمی را تولید نمی کند. اما از طرف دیگر کلر ماده ارزان تری بوده و هزینه های گندزدایی را پایین می آورد. همچنین کلر قدرت نفوذ پایین تری به بیوفیلم ها نسبت به DBNPA دارد و در دراز مدت احتمال ایجاد مقاومت در میکروارگانیسم ها در برابر اثرات کلر وجود دارد. این در حالی است که عوامل میکروبی به ندرت در برابر DBNPA مقاومت نشان می دهند و بر خلاف کلر، ممبران ها در معرض این محلول دچار آسیب نمی شوند. به طور خلاصه مزایای محلول DBNPA نسبت به کلر شامل موارد زیر می شود:
● گندزدایی قوی تر
● قدرت نفوذ بیشتر به بیوفیلم ها
● سازگار با ممبران های موجود در بازار و عدم ایجاد آسیب
● سازگار با محیط زیست و عدم تولید ترکیبات سمی
● میزان دز مورد نیاز کمتر
● عدم ایجاد مقاومت در برابر محلول در میکروارگانیسم ها
از مزایای کلر در مقایسه ترکیب DBNPA:
● هزینه پایین تر
● آماده سازی راحت تر
● حذف بهتر لاشه های بیوفیلم
نحوه خرید انواع بایوساید
جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع بیوسایدها، خرید و سفارش محلول مناسب واحد تصفیه با کارشناسان ما در آب کالا تماس بگیرید.