Investigating the growth control of microorganisms in the cooling tower using three biocides

بررسی و مقایسه ی میزان کنترل موثر رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها در محیط آب DM برج خنک کننده با استفاده از عملکرد سه محلول آنتی بایوفولینگ (بایوساید)

چکیده:

فعالیت موجودات زنده مانند باکتری های هوازی و بی هوازی، جلبک ها و دیگر میکروارگانیسم ها و تجمع بیش از حد آنها در محیط آب های صنعتی، شرایط آب را برای این مصارف نامساعد می سازد. این موجودات که قادرند در محدوده ی وسیعی ازpH، دما، و فشار به حیات خود ادامه دهند، در صورتی که حذف نشوند یا رشد آنها کنترل نشود، خسارات زیادی به بار خواهند آورد. بنابراین باید روشی برای برای رهایی از مشکلات ناشی از این موجودات زنده و کنترل رشد موثر آنها به کار برد که بهترین آن، استفاده از آنتی بایوفولینگ ها یا بایوسایدهاست. این مواد با قابلیت جلوگیری از فعالیت برخی از آنزیم های حیاتی باکتری ها، به خصوص آنزیم هایی که در تنفس و گلیکولیز دخالت دارند، منجر به آزاد سازی محتویات داخل سلول باکتری به محیط اطراف و در نتیجه مرگ آن می شوند. هدف از این پژوهش، تعیین میزان تاثیر 3 محلول آنتی بایوفولینگ یا بایوساید 0083، 0085 و 0096 (سنتزی شرکت آبریزان) در کنترل رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها در محیط آب صنعتی و مقایسه کارایی و نتایج حاصل از تاثیر این مواد می باشد. با توجه به داده های بدست آمده در بررسی هر سه محلول بایوساید، کاهش میزان باکتری های موجود در آبDMو کنترل رشد میکروارگانیسم به مقدار کمتر ازcfu/mL 103 و حذف بالای باکتری های احیا کننده سولفات مشاهده شد. به این حال، در کنترل رشد و حذف جلبک، بایوساید 0096 بسیار کارا عمل کرد. همچنین کارایی این بایوساید در یک غلظت مشخص به صورت log کاهش میکروارگانیسم ها بعد از یک زمان تماس ویژه با log5 برای TBC بیان شد که حذف تقریبی صد در صدی باکتری های هوازی را با استفاده از این بایوساید نشان می دهد. علاوه بر این، حذف بالای 99 درصدی باکتری های بی هوازی احیا کننده سولفات نیز با آزمودن این بایوساید مشخص شد که کارایی و اثر آن را در میزان کنترل رشد این میکروارگانیسم ها به خوبی نشان می دهد. در کنار تمامی آنچه برای بایوساید 0096 گفته شد، می توان به چند مزایای دو بایوساید 0085 و 0083 نیز اشاره کرد که شامل میزان سمیت پایین و زیست سازگاری برای بایوساید0083 و کاهش 9/99 درصدی باکتری های احیا کننده سولفات برای بایوساید 0085 می باشد.

محل اجرای پایلوت:

سایت شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی در منطقه ی ویژه ی اقتصادی ماهشهر

مقدمه

میکروارگانیسم ها (ویروس ها، جلبک ها، باکتری ها، قارچ ها و غیره) عوامل مهمی در تغییر و تبدیل مواد مختلف موجود در جهان بوده و می توانند به راحتی بر عملکرد صنایع مختلف اختلال وارد کرده و یک چرخه ی اقتصادی را دچار بحران کنند. یک بخش بسیار مهم در سازمان ها، کارخانجات، پالایشگاه ها، آپارتمان ها و ساختمان های بزرگ جهت دفع حرارت برج خنک کننده است.

 از آنجا که مبنای کار تمامی برج های خنک کننده ی صنایع مختلف،  ایجاد سطح تماس بیشتر بین جریان آب گرم و هوای سرد و در نتیجه تبادل حرارتی بین این دو می باشد، لازم است تدابیری جهت بهترین راندمان اندیشیده شود. این تدابیر باید در راستای تصفیه ی آب ورودی به برج های خنک کننده جهت جلوگیری از 4 پیامد است:

• خوردگی (corrosion) و فرسایش
• تشکیل رسوب (scale)
• مشکلات ناشی از تشکیل میکروارگانیسم ها
• تجمع لجن ها (fouling)

برج های خنک کننده دارای مساعدترین شرایط جهت رشد میکروب ها بوده از آنجا که مواد و عوامل تغذیه کننده آنها نظیر مواد آلی، نمک های معدنی و آفتاب در آنجا فراوان است. این واقعیت مهمی است که میکروارگانیسم ها نیز مانند املاح معدنی در سیستم های تبخیری روباز تغلیض می شوند، گرچه این تکثیر به طریق تصاعد عددی در مقایسه با سیکل تولید مثل طبیعی میکروبی که به صورت تصاعد لگاریتمی است، تاثیر چندانی نخواهد داشت. در یک برج خنک کننده در حالی که غلظت املاح معدنی ممکن است در عرض مدت معینی 6 برابر شود، قابل تصور است که در همان زمان غلظت باکتری ها به 6 میلیون بالغ می شود.

مشکلات ناشی از رشد میکروارگانیسم ها در برج خنک کننده

1. لاشه های میکروبی که با انتقال حرارت به وجود می آیند
2. خوردگی موضعی ناشی از مشکلات میکروبی
3. کاهش اثر بازدارنده ی خوردگی
4. جرم گرفتگی ناشی از لاشه های میکروبی به دام افتاده
5. کاهش جریان و توزیع آب در برج خنک کننده

در بسیاری از مشکلات میکروبی که در صنایع حاصل می شود، اثر ماکروارگانیسم هایی مانند جلبک ها و قارچ ها مشهود است اما درصد زیادی از خوردگی بیولوژیکی که در این صنایع دیده می شود، به خاطر وجود باکتری هاست.

تجمع جلبک ها بستگی به شرایط محیطی دارد. در آب های کم عمق این موارد بیشتر است زیرا در آب های عمیق تر سطحی وجود ندارد که موجودات زنده به آن بچسبند. همچنین وقتی آب گرم باشد نیز تولید مثل و تکثیر سریع موجودات زنده ی ماکروسکوپی صورت می گیرد. این موجودات به سطوح صاف و سخت می چسبند اما به سطوح زبر نمی چسبند. در سیستم های بسته برای حذف این موجودات (جلبک ها و غیره) از مواد سمی ضد جلبک گوناگون استفاده می شود. این روش ها بسته به شرایط،کم و بیش موفق هستند.

برخی مشکلات ناشی از رشد جلبک ها در برج خنک کننده

1. جلبک ها می توانند عامل میکروب های بیماری زا مانند لژیونلا (Legionella) باشند و مشکلاتی را برای سلامتی ایجاد کنند.
2. جلبک (لجن) ایجاد شده و رشد موجودات زنده در آن می تواند منجر به احتراق مبدل حرارتی و از بین رفتن راندمان خنک کننده شود.
3. جلبک ها و تشتک های قارچی می توانند مانع جریان آب شوند و باعث ایجاد ظاهری نامطبوع شده و به ساختارهای برج خنک کننده آسیب می رسانند.
4. برج های خنک کننده همچنین گرد و غبار و میکروب های موجود در هوا را به خود می گیرند. گرد و غبار حاوی مواد مغذی برای حمایت از رشد میکرو ارگانیسم ها است.
5. جلبک ها با عمل فتوسنتزی که انجام می دهند باعث خوردگی سیستم برج خنک کننده می شوند.
6. باعث مسدود شدن حفره های آب پخش کن شده و مانع ریزش آب به صورت یکنواخت بر سطح پکینگ های برج شده می شود.
7. فسفات موجود در آب می تواند رشد جلبک ها را افزایش دهد سپس جلبک ها می توانند از باکتری ها تغذیه کنند. هر چه میزان تقاضای اکسیژن بیوشیمیایی (BOD) یا غلظت کل کربن آلی (TOC) در آب خنک کننده بیشتر باشد، خطر افزایش رسوب بیولوژیکی بیشتر است.
8. مقدار بیش از حد جلبک ها می تواند بر پره پمپ های گردشی چسبیده و باعث افزایش آمپر مورد نیاز پمپ می شود.
9. جلبک های مرده ممکن است در داخل مبدل های حرارتی جمع شده و منبع تغذیه مناسبی را برای سایر میکروارگانیسم ها را فراهم کنند علاوه بر این با رسوبات و محصولات خوردگی توام شده و سطح داخلی لوازم را بپوشاند.

در نتیجه باعث اختلاف در میزان اکسیژن در آن قسمت شده و تشکیل پیل غلظتی در آن ناحیه را می دهد لذا خوردگی حفره ای را بوجود می آورد.

بنابراین، تحت شرایطی که این موجودات تجمع می کنند، برای این که گرفتگی در سیستم پیش نیاید و همچنین برای جلوگیری از خوردگی، تمیز کردن در فواصل معین و استفاده از راهی برای کنترل رشد جلبک ها و از بین بردن آن ها، همیشه ضروری خواهد بود.

همانطور که در بالا گفته شد، علاوه بر ماکروارگانیسم هایی مانند جلبک ها، میکروارگانیسم هایی که در برج های خنک کننده ی صنایع مختلف، باعث ایجاد اختلالاتی می شود، باکتری ها هستند. یکی از این باکتری های مهم، احیا کننده ی سولفات (Sulfate reducing bacteria) است که قسمت اعظم خوردگی میکروبی در صنعت مربوط به این باکتری هاست و اگر این باکتری ها از سیستم حذف نشوند، باعث خوردگی حفره ای و تثبیت نقاط آندی، ایجاد محیط اسیدی در زیر رسوبات، تشکیل نقاط حساس بر روی فلز و خوردگی گالوانیک بین سولفید آهن و فولاد می شوند. مکانیسم عمل آنها، احیای سولفات معدنیSO₄^-2 و تبدیل آن به سولفید است. این باکتریها در محیط های بی هوازی ترکیبات گوگردی را احیا می کنند و هیدروژن سولفور از راه ترکیب با آهن و سایر فلزات به صورت سولفید در می آید. این باکتری ها تحت شرایط بی هوازی مثل خاک رس مرطوب، لجن ها و باتلاق ها بسیار متداول هستند.

این باکتری های بی هوازی دارای سیستم تنفسی نبوده و قادر به استفاده از اکسیژن به عنوان پذیرنده ی نهایی الکترون نمی باشند. فعالیت آنها درpHهای 5 تا 9/5 گزارش شده است. حرارت مناسب رشد آنها 20 تا 40 درجه ی سانتیگراد است. باکتری های SRB معمولا به دوگروه اصلی تقسیم می شوند. باکتری هایی که قادر به استفاده از لاکتات هستند و آنهایی که قادر به این کار نیستند. آنهایی که از لاکتات استفاده نمی کنند، عموما استات به کار می برند و با اتکا به دیگر جانداران و میکروارگانیسم هایی که قادر به تولید مواد مذکور هستند، به رشد و تکثیر ادامه می دهند. همچنین این باکتری ها می توانند در سیستم های حفاظت کاتدی نیز تاثیر گذاشته و پتانسیل حفاظت کاتدی را از 85/0- به 95/0- برسانند که این موضوع ناشی از تاثیر این باکتری ها در مکانیسم واکنش می باشد. ترکیبات گوگردی حاصل از فعالیت باکتری های SRB در سال 1949 میلادی باعث اتلاف هزاران ماهی در سواحل انگلستان شد، همچنین باعث سوختگی شیمیایی برنجزارها و حتی مسمومیت کارگران به خصوص در نقاطی مثل تاسیسات فاضلاب شد.

باکتری های احیا کننده ی سولفات مانند تمام باکتری ها، برای ذخیره ی انرژی از واکنش های شیمیایی خاص که در آن فسفر نقش اساسی بازی می کند، سود می برند و در نتیجه در مناطق فعال از لحاظ وجود SRB ، مقادیر متنابهی فسفر وجود خواهد داشت که اغلب به شکل ترکیبات غیر کریستالی دیده می شود که در آزمایشات اشعه ی ایکس، اثبات وجود آن دشوار است. همچنین وجود این باکتری ها، خود باعث ایجاد باکتری گرم منفی و بدون اسپور لژیونلا می شود  که از منابع آبی متعددی جدا شده اند. این باکتری دو نوع بیماری به نام‌های لژیونلوزیس و تب پونتیاک ایجاد می‌کند که انتقال آن‌ها به انسان از طریق آئروسل‌های ایجاد شده از منابع آبی آلوده به این ارگانیسم صورت می‌گیرد. برج‌های خنک‌کننده به طور معمول به عنوان یک منبع شیوع بیماری محسوب می‌شوند.بنابراین، کنترل میکروبیولوژیکی آب سیستم خنک کننده نه تنها برای بهره برداری کارآمد از یک سیستم ضروری می باشد، بلکه برای جلوگیری از مشکلات ذکر شده، چسبندگی سطح و فرسایش برج خنک کننده نیز ضروری است. بنابراین استفاده از میکروب کش ها یا بایوسایدها برای جلوگیری از رشد این گونه ها و به موازات آن، تمیز کردن منظم سیستم در حال کار الزامی است. باید توجه داشت که اگر آن ها به موقع و به طور مناسب و در مقدار کافی مورد استفاده قرار نگیرند، باکتری ها وارد سیستم شده و از تجمع آن ها، کلنی های باکتریایی به وجود می آیند که در این صورت ممکن است نفوذ میکروب کش ها در این کلنی ها با اشکالات فراوان روبرو شود.

عواملی که در انتخاب یک میکروب کش یا بایوساید خوب باید مد نظر قرار داد عبارتند از:

1. نوع میکروارگانیسم های موجود
2. نوع سیستم (مثلا سیستم های خنک کننده ی باز یا بسته باشد)
3. سابقه ی عملیاتی سیستم
4. ویژگی های فیزیکی شیمیایی سیال
5. هزینه ها (مطالعات اقتصادی)
6. محدودیت های زیست محیطی
7. سازگاری با سیالات سیستم و دیگر مواد شیمیایی موجود در آن که برای هدف خاصی اضافه شده اند.

سه روش عمده ای که برای تزریق این بایوسایدها یا میکروب کش ها وجود دارد:

1. تزریق ضربه ای (Impact injection)
2. تزریق ممتد (Continuous injection)
3. تزریق منقطع یا متناوب

منظور از تزریق ضربه ای عبارت است از تزریق غلظت های بالاتر میکروب کش در فواصل منظم، تزریق ممتد یعنی اعمال زیست کش در غلظت های پایین ولی موثر در تمامی دوران عملیاتی سیستم و تزریق منقطع نیز عبارت است از بدست آوردن غلظت های موثر در فواصل زمانی منظم چند ساعته. روش های تزریق ممتد و متناوب معمولا هنگامی که آب میک آپ به طور کامل آلوده شده باشد، به کار می روند به خصوص وقتی که سیستم با سیکل های کمتر از 5 کار کند که در این صورت تزریق ضربه ای نیز می تواند مفید باشد. تزریق ضربه ای را می توان در مواردی که آلودگی کمتر است یا سیکل های غلظتی بالاتر است، به کار برد.

بایوسایدها را می توان به دو دسته ی اصلی تقسیم بندی نمود:

1. میکروب کش های اکسید کننده
2. میکروب کش های غیر اکسید کننده

میکروب کش های اکسید کننده باید فقط در سیستم هایی که آب قابل نوشیدن مصرف می کنند، به کار برد. از انواع این میکروب کش ها می توان به کلر، ترکیبات کلردار شامل هیپوکلریت سدیم، هیپوکلریت کلسیم یا کلر خشک، دی اکسید کلر، کلر آمین ها و برم اشاره نمود.

همچنین از انواع میکروب کش های غیر اکسید کننده می توان به آلدهیدها (مانند فرمالدئید، گلوتارآلدئید و آکرولئین)، ترکیبات شبه آمینی (مانند آمین و دی آمین ها)، ترکیبات هالوژنه، ترکیبات گوگردی و نمک های چهارگانه ی فسفونیوم اشاره نمود.

اضافه کردن مواد میکروب کش با زمان بستگی دارد به نحوی که هیچگاه جمعیت میکروبی به نرخ لگاریتمی رشد نرسد. باید توجه داشت در صورتی که رعایت موارد زیر نگردد:

1. حجم آبی که در سیستم وجود خواهد داشت
2. مقدار آبی که از سیستم هرز می رود
3. درجه ی جدیت موارد خوردگی میکروبی
4. غلظت موثر میکروب کش
5. زمان تماس مناسب میکروب کش با توده ی میکروبی

ممکن است به دلیل برهم خوردن تعادل جمعیت میکروبی، عامل رقابت با سایر میکروارگانیسم ها حذف و گونه ها و گروه های مقاومتری شروع به نشو و نما نمایند.

محلول های 0083، 0085 و 0096 شرکت پژوهشی-صنعتی آبریزان، سه فرمولاسیون بهبود یافته از ترکیب بایوساید بر پایه ایزوتیازولین و گلوتارآلدهید و سنتزی بوده و تاکنون جهت کنترل فعالیت میکروبیولوژی، ضد عفونی کردن، بهداشت زیست محیطی و فرایند بهسازی آب مورد استفاده قرار گرفته اند. این ترکیب  ها در نتیجه ی واکنش های طبیعی بین ماکروارگانیسم و میکروارگانیسم ها طراحی شده اند که به واسطه اجتماع میکروبی سبب توسعه ی استراتژی های مختلف جدیدی شده که موجب خنثی کردن عملکرد منفی آلوده کننده های زیستی می شود.میزان عملکرد این بایوساید ها در کنترل موثر رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها در محیط آب های صنعتی در این تحقیق مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته اند. چگونگی بررسی این رفتارها در محیط شبیه سازی شده با برج های خنک کننده مورد استفاده در صنایع با مقایسه نتایج حاصل از کیت تست TBC و SRB در حضور و بدون حضور محلول بایوسایدها انجام شده اند.

روش انجام کار

شمای کلی پایلوت که یک برج خنک کننده با ظرفیت 80 لیتر است و برای بررسی میزان کنترل موثر رشد میکروارگانیسم ها و جلبک ها توسط آنتی بایوفولینگ مورد استفاده قرار گرفته است، در شکل (1) آورده شده است. آب مورد استفاده در این پایلوت از نوع آب DM است. پیش از آغاز آزمون به منظور جلوگیری از آلوده شدن با باقی مانده های آزمون قبلی یا آلودگی های میکروبیولوژی نامطلوب باید وسایل آزمون تمیز شود.زمینه برای رشد و متابولیسم جلبک که یک ارگانیسم فوتوسنتزی است، با توجه به نور و حرارت و مواد مغذی ( مقدار محدود از فسفات) فراهم شده است. ساده ترین و متداول ترین روش برای تعیین کل باکتری های موجود در آب حاوی جلبک و وجود باکتری های احیا کننده سولفات در آب DM، استفاده از کیت تست شمارش کل باکتری ها ((TBCو احیا کننده ی سولفات (SRB) است. نتایج حاصله از کیت تست ها ( کیت تست TBC بعد از 48 ساعت و کیت تست SRB در مدت زمان از 1 الی 8 روز) در عدم حضور و حضور بایوساید بررسی و میزان کنترل موثر رشد باکتری ها با مقایسه ی داده ها در سه نوبت گزارش شده اند. آنالیز آب تازه ی ورودی به حوضچه ی برج خنک کننده نیز انجام و خواص فیزیکی آن اندازه گیری شد (جدول (2)). در طول آزمون نیز به طور مرتب اندازه گیری و گزارش صورت گرفته است (جدول (3)، (4) و (5)). سپس میکروبایوساید های مورد نظر را  به ترتیب به کار برده و به منظور بررسی کارایی آن ها در سیستم آب خنک کننده از استاندارد مورد نظر استفاده شده است. برای تعیین تعداد کلنی های میکروبی و باکتری های احیا کننده ی سولفات در آب نیز، از استانداردهای ASTM استفاده شده است.

شکل (1): نمایی از برج خنک کننده و تشکیل جلبک درون برج

نتایج و بحث:

1-کنترل رشد میکروارگانیسم ها با استفاده از بایوساید ها

محاسبه ی تعداد باکتری ها و تست TBC

تجمع بیش از حد میکرواگانیسم ها از جمله باکتری ها در تمامی صنایعی که خصوصا با آب سر و کار دارند، می تواند به تولید بایوفیلم هایی منجر گردد که باعث ایجاد مشکلات فنی متعدد در سیستم شده و حتی مسیر تولید را در صنایع تغییر دهد. تشخیص کلی این باکتری ها و تعداد آن ها در آب، این فرصت را به ما می دهد که تا قبل از ازدیاد بیش از حد و ایجاد بایوفیلم های حجیم، از رشد آن ها جلوگیری به عمل آوریم. در این آزمون انجام شده، بعد از تشخیص تعداد کل باکتری های هوازی موجود در آب DM برج خنک کننده، میزان کنترل موثر رشد میکروارگانیسم ها در محیط آب در حضور و عدم حضور بایوسایدها بررسی گردید.

شکل (2): بررسی تعداد کلنی ها و آلودگی میکروبی در محیط آبDMدر حضور و عدم حضور بایوساید0085

شکل (3): بررسی تعداد کلنی ها و آلودگی میکروبی در محیط آبDMدر حضور و عدم حضور بایوساید0083

شکل (4): بررسی تعداد کلنی ها و آلودگی میکروبی در محیط آبDMدر حضور و عدم حضور بایوساید0096

نتایج این آزمون در شکل های (2) و (3) و (4) نشان داده شده است. همانطور که قبلا گفته شد، کارایی بایوساید برای از بین بردن باکتری ها و جلبکها در آب برج خنک کننده در مقابل

 1) میکروب هایی که در سیستم خنک کننده موجود می باشند

 2) میکروب ها در بیوفیلم های سیستم های آب خنک کننده

 3) میکروارگانیسم هایی که قابل تشخیص و شناخته شده و مشخص برای آلوده کردن سیستم آب خنک

کاهش باکتری ها در حضور بایوساید مورد نظر می تواند اینگونه تفسیر شود که بایوساید به گروه انتهایی متشکله ی دیوار سلولی میکروارگانیسم متصل شده، آن را فیکس کرده و موجب اختلال در سنتز RNA و DNA برای رشد این میکروارگانیسم ها شده و موجب کواگولاسیون و تخریب پروتئین و در نهایت مرگ آنها می شود (شکل (5 و (6)).

شکل (5): مکانیسم عملکرد بایوساید بر روی حذف سلول باکتری

به عنوان مثال، مکانیسم عملکرد بایوساید بر پایه ی گلوتارآلدهید (0085) به صورت زیر مطرح می شود:

شکل (6): مکانیسم عملکرد بایوساید 0085 بر روی باکتری یا سلول میکروبی

نمونه ی تعداد باکتری های هوازی با فرمول ارائه شده در دستورالعمل آزمون در هفته ی اول، پیش از تزریق بایوساید، به عنوان نمونه ی کنترل برای محاسبه ی کارایی بایوساید در نظر گرفته شده است. برای محاسبه تعداد این باکتری ها از کیت تست آزمایشگاهی TBC استفاده شده است که برای تشخیص و محاسبه ی تعداد کلی باکتری های هوازی درون نمونه آب به کار برده می شود. مراحل کشت و شناسایی کل باکتری های موجود در آب با استفاده از کیت ها در گزارش آمده است. در این روش، یک الگوی شماتیکی از تعداد باکتری های رشد یافته جهت مقایسه با نتایج حاصل از آزمایش TBC استفاده شده است (شکل (7)).

شکل (7): الگوی شماتیک از تعداد باکتری های رشد یافته جهت مقایسه با نتایج حاصل از آزمایش TBC

محاسبه ی تعداد باکتری های احیا کننده ی سولفات و تست SRB

همانگونه که قبلا گفته شد، علاوه بر کیت تست TBC ، کیت مربوط به SRB نیز برای تایید بر حضور یا عدم حضور باکتری های احیا کننده ی سولفات در محیط آب DM به کار برده می شود. در واقع مهمترین ریز جاندارهایی که در خوردگی  میکروبی (MIC) نقش دارند، همین باکتری های احیا کننده ی سولفات هستند. اگر این باکتری ها از سیستم حذف نشوند، باعث خوردگی حفره ای و تثبیت نقاط آندی، ایجاد محیط اسیدی در زیر رسوبات، تشکیل نقاط حساس بر روی فلز و خوردگی گالوانیکی بین سولفید دو فولاد می شود.

 احیای سولفات در این باکتری ها (شکل (8)) مطابق واکنش زیر صورت می گیرد:

شکل (8): احیای سولفات به سولفید در باکتری های احیا کننده ی سولفات

معمولا در محل احیا و واکنش در اکثر مواقع، آهن وجود دارد که یون سولفید ایجاد شده (S2-) با آهن واکنش داده و محصول خوردگی FeS است که رنگ آن سیاه است. این باکتری های بی هوازی جزء مهمترین ریز جاندارهایی هستند که در صورتی که از آب حذف نشوند، به دلایل بالا باعث خوردگی میکروبی (MIC) خواهند شد. در آزمون انجام شده، کارایی بایوسایدها برای حذف این باکتری نیز بررسی شده است. همانطور که در شکل (9) مشاهده می شود، خوردگی میکروبی از طریق دپلاریزاسیون کاتدی برای باکتری های احیا کننده ی سولفات در الکترود آهن صورت گرفته است. در اینجا، هیچ بایوسایدی در سیستم حضور نداشته است.

شکل (9): خوردگی میکروبی از طریق دپلاریزاسیون کاتدی برای باکتری های احیا کننده ی سولفات در الکترود آهن در غیاب بایوساید

با استفاده از بایوساید (همانگونه که در شکل(10) نشان داده شده است)، خوردگی می تواند به حداقل برسد. مکانیسم عملکرد به این صورت است که بایوساید می تواند با گروه تیول باکتری (-SH) وارد واکنش شده و بر DNA، RNA و سنتز پروتئین اثر بگذارد. همچنین می تواند یک اتصال عرضی یا اتصال متقابل پروتئین ها و میکروارگانیسم ها در سلول ها نیز داشته باشد. معمولا دیواره ی سلولی میکروبی جایگاه هدف بایوساید برای حمله به آن است. بایوساید می تواند با پوششی که بر روی سطح آهن ایجاد کرده و اثری که بر روی باکتری های احیا کننده ی سولفات اعمال می کند، از خوردگی حفره ای جلوگیری کند (شکل(10)).

شکل (10): کاهش خوردگی میکروبی و حذف باکتری های احیا کننده ی سولفات در نتیجه ی حضور بایوساید

نتایج آزمون میزان کنترل موثر رشد باکتری های احیا کننده ی سولفات در محیط آب DM در حضور و عدم حضور بایوسایدها در شکل (11) نشان داده شده است. برای مثال همانطور که مشاهده می شود، در غیاب بایوساید 0085، تعداد باکتری های احیا کننده ی سولفات در گام اول، بین 100-1000 و با تزریق بایوساید به 10-100 کاهش داشته و در گام بعد با تزریق بایوساید باز روند کاهشی داشته است و تا به مقدار تقریبا عدم وجود باکتری در هفته ی سوم رسیده است.

شکل(11): بررسی تعداد باکتری های بی هوازی احیا کننده ی سولفات و آلودگی میکروبی در محیط آب DM در حضور و عدم حضور بایوساید 0085

شکل(12): بررسی تعداد باکتری های بی هوازی احیا کننده ی سولفات و آلودگی میکروبی در محیط آب DM در حضور و عدم حضور بایوساید 0083

شکل(13): بررسی تعداد باکتری های بی هوازی احیا کننده ی سولفات و آلودگی میکروبی در محیط آب DM در حضور و عدم حضور بایوساید 0096

2- کنترل رشد جلبک و حذف آن با استفاده از بایوساید

کنترل زیست توده ها نیز در برج خنک کننده بسیار دارای اهمیت است. زیست توده هایی که ممکن است در کولینگ تاور تشکیل شوند شامل لجن (slime) است که به صورت ژلاتین می باشد و جلبک (algae) که سبز رنگ است. زیست توده ها گیاهان جانداری هستند که عموما از نور و مواد موجود در آب تغذیه می کنند، این زیست توده ها در صورتی که کنترل نشوند با رشد و گسترش خود باعث بستن مسیر های جریان آب و هوا در برج خنک کننده و در نتیجه کاهش راندمان دستگاه می شوند که جهت کنترل و از بین بردن این زیست توده ها باید از مواد شیمیایی استفاده نمود.

برای از بین بردن زیست توده ها در این برج خنک کننده، هر سه بایوساید مورد بررسی قرار گرفتند (باید به یک نکته توجه داشت که استفاده بیش از اندازه از بایوسایدها نیز می تواند موجب از بین بردن قطعات چوبی و متریال ارگانیک شود). در صورتیکه در برج خنک کننده، رشد و گسترش قابل توجهی زیست توده مشاهده شود، جهت اعمال بایوساید، باید دوز بالا و شوک آور به کار برد(در مرحله ی اول تزریق بایوساید) تا کلیه ی زیست توده ها از بین بروند. سپس به صورت متناوب دوز کمتری اعمال می گردد، با این وجود، این میزان نباید از حد مجاز بالاتر رود.

بایوساید باید با احتیاط به آب برج خنک کننده افزوده شود زیرا که موجب کاهش ناگهانی pH آب برج خنک کننده شده و مقاومت خوردگی را کاهش می دهد. همینطور آب برج خنک کننده در صورت افزودن بایوساید سمی شده و با رعایت موارد ایمنی باید تخلیه گردد و به هیچ عنوان برای آبیاری گیاهان مورد استفاده قرار نگیرد. چرخه رشد زیست توده ها بسته به نوع و محیط متفاوت است، که این تفاوتها شامل تغییرات pH ، دمای مناسب، نور کافی و مواد مغذی مانند نیتروژن و فسفر می باشند. زیست توده های مضر به طور کلی در قسمت پایین آب قرار می گیرند و لازم است که کف تشت و بدنه ها تمیز و پاکسازی شود. در شکل های زیر، میزان جلبک موجود در برج خنک کننده را قبل از تزریق بایوسایدها و بعد از تزریق بایوسایدها می توان مشاهده کرد. همانطور که در ابتدای گزارش نیز گفته شد، جلبک های حاصله در نتیجه ی وجود شرایط دمایی و نور و مواد مغذی از جمله فسفات در برج خنک کننده برای هر مرحله آزمایش به خوبی رشد کرده اند. همانگونه که مشاهده می شود، با افزایش بایوساید 0085 به محیط آب DM در طی انجام آزمون، تنها بخش بسیار کمی از جلبک از بین رفته و تغییر رنگ بسیار جزئی از سبز به زرد صورت می گیرد ( تغییر رنگ ها به احتمال زیاد به دلیل تغییر در ترکیب رنگدانه جلبک ها است که ممکن است منعکس کننده تغییر در وضعیت فیزیولوژیکی آنها باشد (انتقال از مرحله نمایی به مرحله رشد ثابت)) (شکل (14)). با این حال، با افزایش بایوساید 0083 و 0096 شاهد مرگ جلبک ها و کنترل رشد آن ها هستیم. با افزایش بایوساید 0083 (شکل (15)) جلبک ها به صورت توده در آمده و در کف و بدنه جمع می شوند و تغییر رنگ بخش بیشتری از جلبک به دلیل تغییر در ترکیب رنگدانه نیز حاصل می شود. مرگ کامل جلبک ها و تغییر رنگ شدید آنها با افزایش بایوساید 0096 مشاهده شد که عدم رشد و نموی این ماکروارگانیسم را در شرایط موجود نشان می داد (شکل (16)).

شکل (14): کنترل رشد جلبک با استفاده از بایوساید 0085

شکل (15): کنترل رشد جلبک با استفاده از بایوساید 0083

شکل (16): کنترل رشد جلبک با استفاده از بایوساید 0096

3- مقایسه ای از نتایج حاصل از آنالیز آب DM با الگوی بدست آمده از محاسبات مربوط به آب خنک کننده و دامنه ی مجاز آن ها

یک مقایسه ای از نتایج حاصل از آنالیز آب DM (جبرانی و در گردش) برج خنک کننده نیز به عمل آمد که نشان داد که نتایج بدست آمده از آنالیز آب در طی فرایند آزمایش در محدوده ی مجاز بوده (محدوده ی استاندارد) و مشکلی در عملکرد بایوساید نیز وجود نداشته است.

4- تغییرات pH در شرایط حضور و عدم حضور بایوساید و اثر pH بر روی عملکرد بایوساید

تغییرات pH در شرایط حضور و عدم حضور بایوساید ها در نیز بررسی شد (شکل (17)). همانطور که دیده می شود، برای مثال، میزان pH با افزایش بایوساید 0085 به مقدار بسیار جزئی کاهش یافته (البته در محدوده ی خنثی است و از محدوده ی خنثی خارج نشده است) که این امر را می توان به اندر کنش (تاثیر متقابل) بین آب درون مدار برج خنک کننده و اتمسفر اطراف آن نسبت داد. همچنین اینکه این بایوساید در دامنه ی pH 4 تا 9 دارای سرعت واکنش افزایشی بوده است. این تغییرات جزئی در محیط با گذشت زمان می تواند نشان از پایداری محصول واکنش در محیط آبی باشد.

شکل(17): تغییرات pH در محیط با گذشت زمان

اثر pH روی فعالیت بایوساید و واکنش پذیری آن نیز در جدول (1) آمده است. سرعت آن در برهم کنش با پروتئین ها و آنزیم ها در pH خنثی-قلیایی بسیار بیشتر از pH اسیدی است. مکانیسم cross-linking بایوساید نیز با زمان و غلظت و دما موثر است.

جدول (1):  فعالیت میکروبایوسایدی 0085

نتیجه گیری:

به طور کلی، برج های خنک کننده (به عنوان مثال برج خنک کننده ی پایلوت) نقش مهمی در فرایند داشته و در مدار عملیات بودن و کارایی مناسب آنها، موجب افزایش میزان بهره وری و کاهش هزینه های اضافی می شود. به ویژه در فصول گرم سال و در صورت در مدار عملیات نبودن برج یا کاهش بازده و کارایی آن، مشکلات زیادی حاصل می شود. بر این اساس نگهداری و پایش کیفیت آب برج خنک کننده بسیار ضرورت دارد. تزریق مواد شیمیایی مناسب با توجه به ماهیت آب خوراک و آب جبرانی، یکی از روش های موثر جلوگیری از بروز مشکلات اساسی برج های خنک کننده خصوصا تشکیل جلبک و خوردگی بیولوژی بوده که موجب افزایش بازده برج خنک کننده و کاهش هزینه های تعمیراتی آن می شود. 

 بر این اساس، تعداد کلنی ها و وجود باکتری احیا کننده ی سولفات در محیط آب DM با حضور و بدون حضور3 محلول بایوساید مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. همچنین وضعیت جلبک ها و کنترل رشد آنها برای بررسی عملکرد مطلوب بایوساید از شروع تزریق آن نیز مورد مشاهده و مطالعه قرار گرفت.

نتایج نشان دادند که تعداد کلنی ها (TBC) در محیط آب DM در صورت استفاده از محلول بایوساید 0096 در سه نوبت به مقدار کمتر از 10 کاهش یافته است که حذف تقریبا صد در صد باکتری ها در حضور بایوساید در محیط آبDMو عملکرد منحصر به فرد این محلول می باشد.بنابراین کاربرد بایوساید به عنوان محلولی برای کنترل رشد باکتری ها و جلبک ها و بازدارندگی از خوردگی بیولوژی باعث حذف تقریبا 99 درصدی باکتری های احیا کننده ی سولفات شده است. کارایی این بایوساید در یک غلظت مشخص به صورت log کاهش میکروارگانیسم ها بعد از یک زمان تماس ویژه با 5log برای TBC بیان شد که حذف تقریبی صد در صدی باکتری های هوازی را با استفاده از این بایوساید نشان می دهد. علاوه بر این، حذف بالای 99 درصدی باکتری های بی هوازی احیا کننده ی سولفات نیز با آزمودن این بایوساید مشخص شد که کارایی و اثر آن را در میزان کنترل رشد این میکروارگانیسم ها به خوبی نشان می دهد. در کنار تمامی آنچه برای بایوساید 0096 گفته شد، می توان به چند مزایای دو بایوساید 0085 و 0083 نیز اشاره کرد که شامل میزان سمیت پایین و زیست سازگاری برای اولی و کاهش 9/99 درصدی باکتری های احیا کننده سولفات برای بایوساید دوم می باشد (جدول (8) و (11)).

بنابراین این پایلوت میدانی و نتایج بدست آمده در شرایط حضور و عدم حضور بایوساید در محیط و بررسی آزمایشات متعدد روزانه و هفتگی، عملکرد مطلوب محلول بایوساید را در کنترل رشد میکروارگانیسم ها نشان می دهد.

جدول (2): خواص فیزیکی آب درون برج خنک کننده پیش از افزایش بایوساید 0085

جدول (3): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید 0085 در هفته اول از تزریق

جدول (4):  آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید 0085 در هفته دوم از تزریق

جدول (5): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید در هفته سوم از تزریق

جدول (6): خواص فیزیکی آب درون برج خنک کننده پیش از افزایش بایوساید 0083

جدول (7): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید در هفته اول از تزریق 0083

جدول (8): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید در هفته دوم از تزریق 0083

جدول (9): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید در هفته سوم از تزریق 0083

جدول (10): خواص فیزیکی آب درون برج خنک کننده پیش از افزایش بایوساید 0096

جدول (11): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید 0096 در هفته اول از تزریق

جدول (12): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید 0096 در هفته دوم از تزریق

جدول (13): آنالیز شیمیایی آب پس از تزریق دوز مناسب از بایوساید0096 در هفته سوم از تزریق