تصفیه بیولوژیکی فاضلاب

تصفیه بیولوژیکی با استفاده از لجن فعال

فاضلاب از 2 منشاء عمده تولید می شود. پساب انسانی و پساب ناشی از فرایندهاي صنعتی. به طور مثال در کشور انگلستان حجم فاضلاب صنعتی، 7 برابر حجم فاضلاب خانگی میباشد. اگر این فاضلاب تصفیه نشود و به طور مستقیم به محیط زیست تخلیه شود، آبهاي پذیرنده به سرعت آلوده میشوند و بیماريهاي قابل انتقال از طریق آب سریعاً گسترش مییابند.

عکس از تصفیه خانه بیولوژیکی فاضلاب
تصفیه خانه بیولوژیکی فاضلاب

در سالهاي آغازین قرن بیستم، روش تصفیه بیولوژیکی ابداع شد و امروزه اساس موضوع تصفیه در سرتاسر جهان را شکل داده است. این روش، روش ساده اي است که توسط باکتريها و در غلظتهاي بالاي آنها در تانکها رخ میدهد. این باکتريها، به همراه برخی پروتوزوآها و سایر میکروبها مجموعاً لجن فعال را تشکیل میدهند. خط مشی این روش بسیار ساده است. باکتريها، مولکولهاي کربن دار آلی را تغذیه میکنند. به عنوان یک نتیجه، باکتريها رشد میکنند و فاضلاب پاك میشود و در ادامه این فاضلاب، این امکان را پیدا می کند که به آبهاي پذیرنده که عمدتاً رودخانه ها و دریا هستند، تخلیه میشود.

با وجود اینکه این فرایند به نظر ساده است، ولی کنترل فرایند تصفیه بسیار مشکل میباشد. زیرا متغیرهاي زیادي وجود دارند که روي آن اثر میگذارند. از این متغیرها تغییر در ترکیببندي جمعیت میکروبی و یا دبی فاضلاب ورودي را می توان نام برد. جریان و دما را نشان میدهد. بسیاري از تصفیه خانه هاي موجود در سطح pH ، ورودي فاضلاب، نرخ جریان، ترکیبات شیمیایی موجود در آن جهان بگونه اي هستند که اجازه ورود جریان ناشی از آب باران را به تصفیه خانه نمیدهند.

طبیعت و ترکیبات فاضلاب

پساب خانگی عمدتاً از کربن آلی (هم به صورت محلول و هم به صورت ذرات معلق) تشکیل شده است. حدود 60 % از این کربن به شکل ذرات ریز هستند که کمتر از نصف آنها قادر به ته نشینی میباشند. ذرات با اندازه μm 1 تا nm100 به صورت کلوئیدي درمخلوط مایع باقی میمانند و در حین فرایند تصفیه توسط فلوكهاي لجن فعال جذب میشوند. بخش عمده مواد آلی، قابلیت تجزیه بیولوژیکی را دارند که شامل پروتئینها، آمینو اسیدها، لیپیدها، کربوهیدراتها، چربیها و اسیدهاي چرب میشود. متوسط نسبت کربن به نیتروژن و فسفر (P:N:C) مقادیر مختلفی بیان شدهاند که تقریباً 5:17:100 یا 6:19:100 میباشند. این مقادیر، مقادیر ایده آل براي رشد باکتريهاي لجن فعال میباشند. این در حالی است که در مورد فاضلابهاي صنعتی، ترکیبات آن متفاوت میباشد. براي رسیدن به نسبت درست رشد میکروبی، انجام تصفیه در بهترین حالت، لازم است که مواد مغذي به فاضلاب اضافه شود.

اندازه گیری پارامترهای فاضلاب
اندازه گیری پارامتر های تصفیه خانه فاضلاب

مواد کربن دار

کربن آلی موجود در فاضلاب عموماً به واسطه پارامتر BOD قابل اندازهگیري است. این شاخص، میزان اکسیژن مصرفی در حین اکسیداسیون بیوشیمیایی مواد آلی را نشان میدهد. در حقیقت، طی این فرایند چندین فرایند مختلف دیگر رخ میدهند. به محض اکسید شدن مواد آلی، محصولات حاصل از این واکنش براي تولید سلولهاي جدید و ادامه حیات سلولی سلولهاي قبلی مصرف میشود. نهایتاً زمانی که تمام مواد آلی موجود در فاضلاب به مصرف رسید، سلول مواد داخل خود را براي ادامه حیات و تنفس داخلی مصرف می کند. اکسیژن لازم براي انجام این واکنشها به عنوان BOD نهایی تعبیر میشود.

شاخص COD

شاخص دیگري که محتویات آلی فاضلاب را منعکس میکند، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) است که میزان اکسیژن مصرفی در طول یک روند آزمایشگاهی را مشخص میکند.
در این روند مواد آلی موجود در فاضلاب به طریق شیمیایی اکسید میگردد.
به دلیل اینکه برخی از مواد کربنی در یک فاضلاب شهري به شکلی است که براي دریافت بیولوژیکی در دسترس نمیباشد، مقدار BOD از COD کمتر است.
در حالت کلی نسبت COD به BOD بین ۲- ۲/۲ میباشد.
نسبتهاي بالاتر ممکن است دلالت بر این موضوع باشد که فاضلاب صنعتی میباشد و حاوي موادي است که قابل تجزیه بیولوژیکی نیستند.

ترموراکتور COD
سیستم سنجش COD

مقادیر بالاتر ممکن است همچنین نشان دهد که برخی فعالیتهاي تثبیت یا تجزیه بیولوژیکی کربن در شبکه جمع آوري فاضلاب انجام گرفته است. این حالت زمانی روي میدهد که شبکه جمع آوري فاضلاب به صورت پله اي با شیب زیاد و یا در مناطق گرمسیر اجرا شده باشد. یک نسبت کم COD/BOD (کربن موجود بیشتر قابل تجزیه بیولوژیکی باشد) میتواند در شبکه جمع آوري با زمان ماند طولانی بخصوص دماي بالا، حاصل تخمیر فاضلاب رخ دهد. این تخمیر باعث میشود که میزان بیشتري از کربن آلی، آماده براي تجزیه بیولوژیکی گردد. همچنین نسبت هاي کم COD/BOD ممکن است نشان دهنده این باشد که فاضلاب صنعتی با مقادیر بالاي کربن قابل تجزیه بیولوژیکی به تصفیه خانه وارد شده است.

غلظت BOD (یا حتی COD) در فاضلاب بسته به طبیعت و منشاء فاضلاب و همچنین ویژگی هاي سیستم جمع آوري فاضلاب، متفاوت میباشد. پارامترهاي مختلف فاضلاب با شدت هاي مختلف در جدول ذیل نشان داده شده است.

ویژگی های فاضلاب و تصفیه بیولوژیکی آن
ویژگی هاي فاضلاب خام

کنترل فرآیندهای بیولوژیکی

براي کنترل فرایندهاي بیولوژیکی در تصفیه خانه، لازم است که در مورد شدت آلی یا بار آلی فاضلاب ورودي اطلاعات لازم بدست آورده شود. 3 معیار مختلف در این خصوص در دسترس هستند و هر کدام از آنها محدوده مربوط به خود را دارند. کربن آلی کل ( TOC) از راه تجزیه، کاملاً قابل اندازه گیري می باشد. این پارامتر از طریق اکسیداسیون به وسیله سوزاندن در دماي بالا و اندازه گیري دي اکسید کربن حاصل شده، قابل اندازه گیري می باشد. مقدار TOC شامل آن دسته ترکیبات پایدار کربن آلی می باشد که از طریق بیولوژیکی قابل تجزیه نمی باشد.

نسبت BOD۵ به COD به ترکیب فاضلاب بستگی دارد.
براي فاضلاب خانگی و همچنین کشتارگاه ها، صنایع لبنی، صنایع لاستیک و … این نسبت 5/0 – 6/0 است. براي پساب خروجی از تصفی هخانه این نسبت به 2/0 خواهد رسید. دلیل این موضوع این است که تا جاي ممکن کربن هاي آلی قابل تجزیه بیولوژیکی، توسط سیستم از جریان فاضلاب حذف میشوند و ترکیباتی که در مدت حضور فاضلاب در تصفیه خانه توسط باکتري ها تجزیه نشده اند، (BODسخت) در جریان پساب باقی خواهند ماند.

BOD سخت و BOD نرم

مدت زمان لازم براي حذف کربن هاي آلی به توانایی باکتري هاي لجن فعال براي تجزیه کردن آنها بستگی دارد. ترکیباتی که مولکول هاي آنها وزن کمتري دارند در همان ابتداي ورود به تانک بیولوژیکی لجن فعال، از جریان فاضلاب حذف میشوند. این زمان بین 1 تا 2 ساعت به طول خواهد انجامید. این گروه از ترکیبات، ترکیباتی هستند که به آسانی بصورت بیولوژیکی تجزیه می شوند و به BODنرم تعبیر میشوند. ترکیباتی که مولکول هاي سنگین تري دارند، مدت زمان بیشتري طول خواهد کشید که تجزیه شوند. برخی از این ترکیبات که سخت تر میباشند، حتی بعد از گذشت چندین روز هم در فاضلاب باقی خواهند ماند. این ترکیبات که کمتر از گروه اول قابل تجزیه بیولوژیکی هستند به BODسخت تعبیر می شوند.

BOD meter سنج
BOD متر

مولکول هاي کربن داري که سخت تر و پیچیده تر هستند به دلیل اینکه زمان ماند در دسترس در تصفیه خانه، به حدي نیست که آن ها به روش بیولوژیکی تجزیه شوند، به جریان خروجی از تصفیه خانه راه پیدا میکنند.

نیتروژن

تمام واکنش هایی که شامل نیتروژن در تصفیه خانه فاضلاب میشوند به طور طبیعی در طبیعت رخ میدهند. نیتروژن به اشکال مختلف در فاضلاب وجود دارد. از شکل احیا شده مانند آمونیاك تا شکل اکسید شده مانند نیترات. نیترات محصول فرایند نیتریفیکاسیون است که طی آن در نهایت آمونیاك به نیترات اکسید میشود. آمونیاك که محلول میباشد به هر دو شکل مولکول آمونیاك و یون آمونیوم در حالت تعادل و در موازنه وجود دارند. غلظت نسبی هر کدام از آنها به pHو دما بستگی دارد. در صورتی که pHو دما بالا باشد، تعادل به سمت مولکول آمونیاك خواهد رفت. نیتروژن در فاضلاب عمدتاً شامل آمونیاك و نیتروژن آلی است و عموماً مقادیر بسیار ناچیزي نیتروژن اکسید شده (نیتریت یا نیترات) وجود دارند.

چرخه نیتروژن در طبیعت
سیکل نیتروژن

ترکیب آمونیاك که یک شکل غیرآلی از نیتروژن است و نیتروژن آلی، TKN نامیده میشود. میزان TKN در فاضلاب خام، نوعاً بین mg/l 25 تا mg/l 45 می باشد. درصد آمونیاك و نیتروژن آلی درTKN در حالت کلی ۶۰% و ۴۰% می باشد.

نیتروژن آلی در قسمت هوازي تصفیه خانه به صورت بیولوژیکی به آمونیاك هیدرولیز خواهد شد. برخی از نیتروژن هاي آلی نیز به شکل آلی باقی می مانند. اشکال ذره اي به وسیله روش هاي تصفیه از سیستم حذف می شوند. اما نوع محلول به پساب خروجی راه پیدا خواهد کرد. در یک تصفیه خانه که عمل نیتریفیکاسیون در آن رخ می دهد، آمونیاك به نیترات تبدیل خواهد شد و در تصفیه خانه اي که عمل دنیتریفیکاسیون در آن رخ می دهد، نیتروژن به گاز نیتروژن احیا می گردد.

فسفر

غلظت فسفر در فاضلاب خام دامنه اي حدود mg/l4 تا mg/l8 دارد که میزان آن به صنایعی که فاضلاب خود را به سیستم تخلیه میکنند و نیز ترکیبات موجود در آب آشامیدنی دارد. بعد از ممنوعیت استفاده از ترکیبات محتوي فسفر در دترجنت ها، میزان ورود این ماده به تصفیه خانه هاي فاضلاب تا حدي کاهش یافت. در برخی از مواقع، برخی از تأمین کنندگان آب آشامیدنی از ترکیبات حاوي فسفر براي محدود کردن خوردگی استفاده می کنند که همین موضوع سبب بالا رفتن فسفر در جریان فاضلاب می گردد. میزان فسفر کل، از 2 شکل آلی و غیر آلی تشکیل یافته است. گونه هاي غیرآلی که عمدتاً محلول هستند، شامل ارتوفسفات ها و پلی فسفات ها می باشند.

فسفر در جدول تناوبی
عدد اتمی و وزن ملکولی فسفر

گونه ارتوفسفات ساده ترین شکل فسفر است و 70 % تا 90 % فسفر کل را تشکیل می دهد. این شکل، شکلی است که براي متابولیسم بیولوژیکی در دسترس باکتري ها قرار میگیرد. این شکل، همچنین گونه اي است که به وسیله نمک هاي فلزات در سیستم هاي حذف شیمیایی فسفر، رسوب خواهد کرد. پلی فسفات ها شامل ترکیبات پیچیده تري از ارتوفسفات هاي غیر آلی هستند که به صورت کلی در طبیعت سنتز می شوند. در طی فرایند تصفیه، پلی فسفات ها به ارتوفسفات ها شکسته می شوند. پیوندهاي آلی فسفرها میتواند هم به صورت محلول و هم به صورت نامحلول و ذره اي می باشند.

ترکیبات فسفر دار

پیوندهاي آلی فسفرها خود شامل دامنه گستردهاي از شکل هاي پیچیده تري از فسفر می باشد که از پروتئین ها، آمینواسیدها و اسیدهاي نوکلئید مشتق می گردند که به نوبه خود قابل تجزیه می باشند. پیوندهاي آلی فسفات ها به 2 دسته کلی قابل تجزیه بیولوژیکی و غیرقابل تجزیه بیولوژیکی تقسیم می شوند. نوع محلول غیرقابل تجزیه بیولوژیکی بدون اینکه در تصفیه خانه حذف شود به جریان خروجی از تصفیه خانه راه پیدا میکند. نوع ذره اي و نامحلول دسته غیر قابل تجزیه بیولوژیکی، اگر ته نشین نشود، به همراه لجن از سیستم حذف خواهد شد. ترکیبات پیچیده فسفر آلی که قابل تجزیه بیولوژیک میباشند در فرایند تصفیه فاضلاب به ارتوفسفات ها هیدرولیز می گردند. نسبت BOD/TP نسبتی است که در حالت کلی عدد بالایی میباشد. نسبت هاي کمتر از 20 میتواند نشان دهنده وجود مشکل در سیستم باشد.

مواد جامد

مواد جامد در فاضلاب میتواند به 2 دسته کلی معلق و محلول تقسیم بندي گردد. جامدات کل (TS) در فاضلاب خام شامل تمام جامداتی است که بعد از تبخیر و خشک کردن نمونه، باقی میماند. در هرحال، ذرات درشت مانند سنگ ها و مواد دانه اي قبل از آنالیز حذف می شوند. جامدات معلق کل (TSS) آن بخشی از جامدات کل است که در یک فیلتر با الیاف شیشه اي باقی می ماند.

TSS یا ذرات معلق جامد در آب
ذرات جامد معلق (TSS) در آب

جامدات ورودي به تصفیه خانه همانگونه که بیان شد شامل 2 دسته فرار و غیرفرار هستند. دسته فرار عمدتاً قابل تجزیه بیولوژیک هستند. قسمت قابل تجزیه بیولوژیک این ترکیبات فرار (VSS) بخشی از همان BOD ونیتروژن و فسفر هستند و نوعاً 70 % تا ۸۰% TSS را تشکیل میدهند. در فاضلاب خانگی این عدد به 80 % نزدیکتر است. در صورتیکه شبکه جمع آوري فاضلاب به صورت مختلط اجرا شده باشد، این درصد کمتر خواهد شد. منبع دیگري که میتواند باعث پایین آمدن این درصد شود، شامل تخلیه لجن تصفیه خانه آب به شبکه فاضلاب، فاضلاب برخی صنایع خاص میباشد.

دما

دماي فاضلاب ورودي عمدتاً برحسب فصل متفاوت خواهد بود و از این جنبه که روي فرایندهاي بیولوژیکی اثر میگذارد، اهمیت دارد. دماي بهینه براي فعالیت باکتري ها °C25- 35 میباشد، اما میکروارگانیسم ها توانایی انطباق پذیري براي دماهایی خارج از این محدوده را نیز دارا می باشند. دماهاي پایین و سرد بخصوص روي فرایند نیتریفیکاسیون اثرگذار است. دلیل این امر میکروارگانیسم هایی که مسئول انجام این فرایند هستند می باشند که نرخ رشد پایینی دارند. از آنجائیکه نرخ رشد این باکتريها پایین است و دماي پایین این نرخ را کمتر میکند، براي جبران باید زمان ماند طولانی تري در سیستم ایجاد گردد. به همین دلیل است که برخی از تصفیه خانه ها قادر هستند به راحتی عمل نیتریفیکاسیون را در فصل گرم سال انجام دهند، اما در فصول سرد، این فرایند با نقصان روبرو میگردد.

دما سنج در آب
دما سنج مایع

دما همچنین میتواند اثرات غیر مستقیم دیگري روي ویژگی هاي فاضلاب داشته باشد و از اینرو عملکرد تصفیه را تحت الشعاع قرار دهد. دماهاي پایین همچنین میزان اکسیژن محلول در فاضلاب را بالا می برد که این موضوع می تواند عملکرد دنیتریفیکاسیون را در صورتی که به تانک آنوکسیک هوا داده می شود را پایین بیاورد. به همین صورت در فصول گرم سال میزان اکسیژن محلول در سیستم کاهش پیدا می کند که این هم فعالیت هاي بیولوژیکی سیستم را کاهش میدهد.

pH

دامنه مناسب براي فعالیت باکتري ها بین 6 تا 9 می باشد.

اندازه گیری pH فاضلاب
اندازه گیری pH فاضلاب

لجن فعال

لجن فعال یک اکوسیستم پیچیده میباشد که ارگانیسم هاي مختلف در آن با هم رقابت میکنند. ارگانیسم هاي غالب در این اکوسیستم باکتري ها هستند که در برخی از مواقع 300 گونه از آنها در لجن وجود دارد. باکتري ها از جمله کوچکترین و فراوانترین ارگانیسم هاي زنده می باشند. اندازه باکتري ها عمدتاً بین 5/0 تا 2 میکرون است. در یک تانک هوادهی که بخوبی بهره برداري میشود، باکتري ها به صورت مجتمع در لجن فعال قرار می گیرند. این قلوك ها از تجمع پلیمرهاي آلی غیر زنده که احتمالاً از باکتري ها ترشح یافته اند، تشکیل شده اند. این فلوك ها ساختار متخلخلی دارند و به قدري استحکام دارند که در برابر نیروهاي برشی که در اثر حرکت آب ایجاد می شوند، استقامت دارند.

تصفیه فاضلاب در تانک هوادهی شامل حذف کربن هاي آلی از مخلوط مایع به وسیله هضم آنها توسط باکتري هاست. در این تانک ترکیبات کربن دار دستخوش سوخت و ساز می شوند. متابولیسم شامل هزاران واکنش پیوسته شیمیایی است که در هر زمان در داخل باکتري ها صورت می پذیرد. در هرکدام از این واکنش ها، یک سوبسترا درحضور یک آنزیم (که به عنوان کاتالیست عمل می کند) به محصول تبدیل می شود.

نرخ بهینه برای مواد مغذی باکتری

با وجود اینکه بیشترین نیاز به مواد غذایی، براي کربن است، رشد همچنین نیاز به نیتروژن و فسفر دارد. نرخ بهینه براي C:N:P در مخلوط مایع عموماً 100:5:1 است. نرخ این مواد مغذي در فاضلاب خانگی ته نشین شده مقادیر مختلفی گزارش شده است که 100:17:5 و 100:19:6 متداول ترین آنها است.

این موضوع نشان می دهد که نیتروژن و فسفر براي رشد محدودیت نخواهند بود. عناصر خاص مانند گوگرد، سدیم و کلسیم، منیزیم، پتاسیم و آهن نیز لازم هستند و عمدتاً در فاضلاب خانگی وجود دارند. برعکس این حالت، فاضلاب تولیدي صنایعی مانند کاغذ سازي، صنایع غذایی و … ممکن است کمبود نیتروژن و فسفر داشته باشد و لازم است که به صورت دستی، به آن فسفر و نیتروژن اضافه گردد. از دیدگاه تصفیه، کمبود یا ناکافی بودن مواد مغذي کلیدي به دلیل اینکه باکتري ها نمی توانند به صورت مناسب و بهینه رشد کنند، ممکن است منجر به تصفیه ناقص فاضلاب شوند.

مواد سمی در جریان فاضلاب می توانند به داخل بدن باکتري وارد شوند و روند تولید و ترشح یک یا تعداد بیشتري آنزیم که در فرایندهاي آنابولیسم و کاتابولیسم نقش دارند را مختل کند. اگر واکنش هاي کاتابولیک تنفس تحت تأثیر قرار گیرند، نرخ تنفس و تولید انرژي کاهش خواهد یافت که نتیجتاً نرخ رشد کاسته می شود. از سوي دیگر مسیر فعالیت هاي آنابولیک با محدودیت مواجه گردد، نرخ رشد کاهش می یابد و این موضوع همراه است با کاهش نرخ تنفس که کاهش نیاز به انرژي را نیز سبب می شود.

باکتري هاي نیتریفایر

اگر در فرایند تصفیه مقادیر قابل توجهی مواد حاوي نیتروژن به همراه جریان ورودي، وجود داشته باشد، لازم است تا توسط باکتري هاي نیتریفایر از سیستم حذف شوند. باکتري هاي نیتریفایر، جزء باکتري هاي اوتوتروف هستند که براي نقطه شروع متابولیسم و رشد فقط نیازمند مواد شیمیایی غیرآلی می باشند. بنابراین آمونیاك از محیط گرفته و براي فراهم کردن انرژي لازم براي رشد، اکسید می شود. کربن دي اکسید به عنوان منبع کربن مورد استفاده قرار می گیرد و در داخل باکتري طی فرایندي که نیاز به انرژي دارد، به ترکیبات کربن دار آلی، تبدیل می شود. گونه هاي نسبتاً کمی از باکتري هاي نیتریفایر وجود دارد نسبت آنها به کل باکتري هاي موجود در بیومس، کم است.

فرایند اکسیداسیون آمونیاك که به نیتریفیکاسیون تعبیر میشود، به واسطه وجود 2 گروه از باکتري هاي نیتریفایر انجام میگیرد. گروه اول آمونیاك را به نیتریت اکسید میکند که عمده ترین این باکتري ها نیتروزوموناس میباشد. واکنش کلی در این مرحله عبارتست از:

واکنش شیمیایی نیتریفیکاسیون
فرمول نیتریفیکاسیون

اکسیداسیون نیتریت به نیترات که به واسطه وجود نیتروباکترها انجام می گیرد، مرحله دوم است. واکنش کلی در این مرحله عبارتست از:

واکنش تبدیل نیتریت به نیترات
اکسیداسیون نیتریت به نیترات
بیشتر بخوانیم :
مشكلات راهبري تصفيه خانه هاي لجن فعال فاضلاب
مشاوره و طراحی تصفیه خانه های آب و فاضلاب
واحدهای گندزدایی فاضلاب
واحدهای تصفیه خانه بیولوژیکی فاضلاب
تصفیه پساب شیرابه کارخانجات کمپوست

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *