رشد متداول و اقتصادی تصفیه فاضلاب های شهری و صنعتی، استفاده از فرآیندهای زیستی یا بیولوژیک است. تصفیه بیولوژیک، مهمترین مرحله سیستم های تصفیه را تشکیل می دهد. برای شناخت فرآیندهای بیولوژیک و نیز طراحی علمی، اجرا و راهبری این فرآیندها و یا مدلسازی و استفاده از روابط بیوشیمیایی و فیزیکی در طرح و کنترل این سیستم ها، باید در مورد میکروبیولوژیکی تصفیه فاضلاب که شامل رفتارها و ویژگی های میکروارگانیسم های فعال در تصفیه فاضلاب می باشد. ، شناخت کافی حاصل شود و اثر عوامل مختلف بر رشد میکروبی مورد بررسی قرار گیرد.

سیستم های تصفیه بیولوژیکی، سیستم های زنده بوده و متکی به جمعیت های ناهمگون میکروب ها می باشند. در این سیستم ها، مخلوط میکروارگانیسم ها، مواد آلی را تجزیه نموده و از محلول جدا می نماید.

هدف عمده فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی، تبدیل و یا حذف مواد آلی به سایر محصولات می باشد. بطوریکه محصولات تولید شده، بی ضرر بوده و یا قابل جداسازی باشند. آنچه مهم است آن است که در کلیه فرآیندهای بیولوژیکی، نقش اصلی و حیاتی را میکروارگانیسم ها به عهده دارند و در واقع ماشین تصفیه بحساب می آیند. در سیستم های تصفیه، اتواع متنوعی از میکروارگانیسم ها فعالیت دارند، هر چند که از میان آن ها نقش اصلی برعهده باکتری ها می باشد. یکی از محصولات بسیار مهم تولید شده در فرآیندهای بیولوژیکی، رشد میکروبی یا تولید سلول های اضافی است.

چنانچه این سلول ها که در جریان حذف مواد آلی تولید می شوند، از محلول جداسازی نگردند، عمل تصفیه انجام نشده است. زیرا سلول ها که خود در واقع منشا آلی دارند، در جریان خروجی به عنوان BOD و یا COD سنجیده می شوند. به طور کلی، باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها، سخت پوشان و ویروس ها، میکروارگانیسم های مهم در مهندسی تصفیه زیستی فاضلاب را تشکیل می دهند.

اثر عوامل مختلف بر رشد میکروبی به شرح ذیل می باشد:

شرایط تغذیه و رشد جمعیت های مخلوط میکروبی

اساس تمام فرآیندهایی که در تصفیه زیستی یا بیولوژیکی فاضلاب به کار گرفته می شود، نیاز میکروارگانیسم ها به مواد غذایی است. یعنوان مثال، در سیستم لجن فعال، مواد آلی کلوئیدی و محلول توسط میکروارگانیسم ها بدین علت حذف می شوند که این مواد تامین کننده نیازهای رشد و حیات سلول ها است.

مواد غذایی فراهم کننده تسهیلات برای میکروارگانیسم ها، به قرار ذیل است:

• فراهم کننده انرژی لازم برای سنتز سیتوپلاسم و ترکیبات سلولی
• فراهم کننده انرژی لازم برای سنتز و نگهداری بقای سلولی
• پذیرنده الکترون حاصل از واکنش های انرژی زا

نیازهای رشد میکروارگانیسم ها عبارتد از:

• منبع انرژی ( ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی و نور خورشید )
• منبع کربن ( ترکیبات آلی، ترکیبات معدنی نظیر دی اکسید کربن و بی کربنات ها )
• پذیرنده الکترون ( اکسیژن ترکیبات آلی، اکسیژن ترکیبات معدنی نظیر سولفات ها، نیترات ها و دی اکسید نیتروژن )
• مواد مغذی ( نیتروژن، فسفر و سایر عناصر کمیاب )

اثر دما بر رشد میکروبی

یکی از عوامل فیزیکی موثر بر رشد میکروبی در هر محیطی، دماست. میکروارگانیسم ها دارای مکانیسم کنترل کننده دما نبوده و لذا دمای داخل سلول با بیرون آن یکسان است.بعبارت دیگر سرعت تمامی واکنش های حیاتی داخل سلول، تابع دما می باشد.

برای هر گونه میکروارگانیسم ها، محدوده ای از دما وجود دارد که کمتر یا بیشتر از آن، رشد متوقف می شود. دمای بهینه، محدوده دمایی است که سرعت رشد در آن به حداکثر برسد.

محدوده دمایی که در آن میکروارگانیسم ها می توانند رشد نمایند، به دسته های زیر تقسیم می شوند.

• میکروارگانیسم های گرمادوست اجباری
• میکروارگانیسم های گرما دوست اختیاری
• میکروارگانیسم های اعتدالی
• میکروارگانیسم های سرما دوست اختیاری
• میکروارگانیسم های سرمادوست اجباری

تقسیم بندی میکروارگانیسم ها از نقطه نظر دمای مناسب:

• سرمادوست
• گرمادوست
• اعتدالی

دلیل حساسیت باکتری ها به درجه حرارت بسیار پیچیده است، بعبارت دیگر می توان تصور نمود که باکتری ها بصورت بسته هایی شامل کاتالیزورها، واکنش دهنده ها و محصولات می باشند.

اثر pH بر رشد میکروبی

فاکتور مهم دیگری که بر سرعت رشد میکروبی تاثیر دارد، pH است. pH نیز همانند دما محدوده ای معین دارد که در کمتر یا بیشتر از آن امکان رشد وجود ندارد. در محدوده مناسب رشد، pH بهینه ای وجود دارد که سرعت رشد در آن حداکثر است و این نقطه میان حداقل و حداکثر محدوده رشد می باشد.

برای بیشتر میکروارگانیسم ها در محدوده pH بین 4 تا 9، امکان رشد فراهم است و pH بهینه برای بیشتر آنها 6/5-7/5 می باشد. اثر pH بر فعالیت های میکروبی، بعلت تاثیر روی آنزیم های آنهاست.

اثر pH بر فعالیت انواع میکروارگانیسم ها عبارت است از:

• pH بهینه بیشتر قارچ ها نزدیک به خنثی است.
• pH بهینه بیشتر جلبک های سبز – آبی، بیش از 7 است.
• pH بهینه بیشتر پروتوزوئرها بین 5-8 می باشد.

نیاز رشد میکروب به اکسیژن

میکروارگانیسم ها از نقطه نظر نیاز به اکسیژن به چند دسته تقسیم می شوند:

• میکروارگانیسم های مطلق هوازی که نیاز به اکسیژن محلول مولکولی دارند.
• میکروارگانیسم های مطلق بی هوازی که نمی توانند در حضور اکسیژن محلول مولکولی فعالیت کنند.
• میکروارگانیسم های اختیاری که در حضور و نیز عدم حضور اکسیژن محلول مولکولی قادر به فعالیت هستند.
• میکروارگانیسم های میکروآئروفیل که نیاز به غلظت کمی از اکسیژن محلول مولکولی دارند.

اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسم های هوازی برای دو منظور لازم است:

• در واکنش تولید انرژی، اکسیژن بعنوان پذیرنده نهایی الکترون ضروری است.
• برخی از واکنش های آنزیمی، به مقادیر کمی اکسیژن نیاز دارند. بعنوان مثال، اکسیداسیون هیدروکربن ها نیاز به افزایش اکسیژن جهت شکست مولکول ها دارد.