تصفیه بیولوژیکی با استفاده از لجن فعال

فاضلاب از 2 منشاء عمده تولید می شود. پساب انسانی و پساب ناشی از فرایندهای 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، آبهای پذیرنده به سرعت آلوده میشوند و بیماریهای قابل انتقال از طریق آب سریعاً گسترش مییابند.

در سالهای آغازین قرن بیستم، روش تصفیه بیولوژیکی ابداع شد و امروزه اساس موضوع تصفیه در سرتاسر جهان را شکل داده است. این روش، روش ساده ای است که توسط باکتریها و در غلظتهای بالای آنها در تانکها رخ میدهد. این باکتریها، به همراه برخی پروتوزوآها و سایر میکروبها مجموعاً لجن فعال را تشکیل میدهند. خط مشی این روش بسیار ساده است. باکتریها، مولکولهای کربن دار آلی را تغذیه میکنند. به عنوان یک نتیجه، باکتریها رشد میکنند و فاضلاب پاک میشود و در ادامه این فاضلاب، این امکان را پیدا می کند که به آبهای 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 متغیرهای زیادی وجود دارند که روی آن اثر میگذارند. از این متغیرها تغییر در ترکیببندی جمعیت میکروبی و یا دبی فاضلاب ورودی را می توان نام برد. جریان و دما را نشان میدهد. بسیاری از تصفیه خانه های موجود در سطح pH ، ورودی فاضلاب، نرخ جریان، ترکیبات شیمیایی موجود در آن جهان بگونه ای 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 کلوئیدی درمخلوط مایع باقی میمانند و در حین فرایند تصفیه توسط فلوکهای لجن فعال جذب میشوند. بخش عمده مواد آلی، قابلیت تجزیه بیولوژیکی را دارند که شامل پروتئینها، آمینو اسیدها، لیپیدها، کربوهیدراتها، چربیها و اسیدهای 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 برای رشد باکتریهای لجن فعال میباشند. این در حالی است که در مورد فاضلابهای صنعتی، ترکیبات آن متفاوت میباشد. برای رسیدن به نسبت درست رشد میکروبی، انجام تصفیه در بهترین حالت، لازم است که مواد مغذی به فاضلاب اضافه شود.

مواد کربن دار

کربن آلی موجود در فاضلاب عموماً به واسطه پارامتر BOD قابل اندازهگیری 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 برای تولید سلولهای جدید و ادامه حیات سلولی سلولهای قبلی مصرف میشود. نهایتاً زمانی که تمام مواد آلی موجود در فاضلاب به مصرف رسید، سلول مواد داخل خود را برای ادامه حیات و تنفس داخلی مصرف می کند. اکسیژن لازم برای انجام این واکنشها به عنوان BOD نهایی تعبیر میشود.

شاخص COD

شاخص دیگری 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 شهری به شکلی است که برای دریافت بیولوژیکی در دسترس نمیباشد، مقدار BOD از COD کمتر است.
در حالت کلی نسبت COD به BOD بین ۲- ۲/۲ میباشد.
نسبتهای بالاتر ممکن است دلالت بر این موضوع باشد که فاضلاب صنعتی میباشد و حاوی موادی است که قابل تجزیه بیولوژیکی نیستند.

مقادیر بالاتر ممکن است همچنین نشان دهد که برخی فعالیتهای تثبیت یا تجزیه بیولوژیکی کربن در شبکه جمع آوری فاضلاب انجام گرفته است. این حالت زمانی روی میدهد که شبکه جمع آوری فاضلاب به صورت پله ای 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 آوری با زمان ماند طولانی بخصوص دمای بالا، حاصل تخمیر فاضلاب رخ دهد. این تخمیر باعث میشود که میزان بیشتری از کربن آلی، آماده برای تجزیه بیولوژیکی گردد. همچنین نسبت های کم COD/BOD ممکن است نشان دهنده این باشد که فاضلاب صنعتی با مقادیر بالای 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 های سیستم جمع آوری فاضلاب، متفاوت میباشد. پارامترهای مختلف فاضلاب با شدت های مختلف در جدول ذیل نشان داده شده است.

کنترل فرآیندهای بیولوژیکی

برای کنترل فرایندهای بیولوژیکی در تصفیه خانه، لازم است که در مورد شدت آلی یا بار آلی فاضلاب ورودی 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 گیری می باشد. این پارامتر از طریق اکسیداسیون به وسیله سوزاندن در دمای بالا و اندازه گیری دی اکسید کربن حاصل شده، قابل اندازه گیری 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.
برای فاضلاب خانگی و همچنین کشتارگاه ها، صنایع لبنی، صنایع لاستیک و … این نسبت 5/0 – 6/0 است. برای پساب خروجی از تصفی هخانه این نسبت به 2/0 خواهد رسید. دلیل این موضوع این است که تا جای ممکن کربن های آلی قابل تجزیه بیولوژیکی، توسط سیستم از جریان فاضلاب حذف میشوند و ترکیباتی که در مدت حضور فاضلاب در تصفیه خانه توسط باکتری ها تجزیه نشده اند، (BODسخت) در جریان پساب باقی خواهند ماند.

BOD سخت و BOD نرم

مدت زمان لازم برای حذف کربن های آلی به توانایی باکتری های لجن فعال برای تجزیه کردن آنها بستگی دارد. ترکیباتی که مولکول های آنها وزن کمتری دارند در همان ابتدای 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 های سنگین تری دارند، مدت زمان بیشتری 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.

مولکول های کربن داری که سخت تر و پیچیده تر هستند به دلیل اینکه زمان ماند در دسترس در تصفیه خانه، به حدی 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 آمونیاک تا شکل اکسید شده مانند نیترات. نیترات محصول فرایند نیتریفیکاسیون است که طی آن در نهایت آمونیاک به نیترات اکسید میشود. آمونیاک که محلول میباشد به هر دو شکل مولکول آمونیاک 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 آمونیاک خواهد رفت. نیتروژن در فاضلاب عمدتاً شامل آمونیاک و نیتروژن آلی است و عموماً مقادیر بسیار ناچیزی نیتروژن اکسید شده (نیتریت یا نیترات) وجود دارند.

ترکیب آمونیاک 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 آمونیاک و نیتروژن آلی درTKN در حالت کلی ۶۰% و ۴۰% می باشد.

نیتروژن آلی در قسمت هوازی تصفیه خانه به صورت بیولوژیکی به آمونیاک هیدرولیز خواهد شد. برخی از نیتروژن های آلی نیز به شکل آلی باقی می مانند. اشکال ذره ای به وسیله روش های 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، آمونیاک به نیترات تبدیل خواهد شد و در تصفیه خانه ای که عمل دنیتریفیکاسیون در آن رخ می دهد، نیتروژن به گاز نیتروژن احیا می گردد.

فسفر

غلظت فسفر در فاضلاب خام دامنه ای 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 محتوی فسفر در دترجنت ها، میزان ورود این ماده به تصفیه خانه های فاضلاب تا حدی کاهش یافت. در برخی از مواقع، برخی از تأمین کنندگان آب آشامیدنی از ترکیبات حاوی فسفر برای 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 های غیرآلی که عمدتاً محلول هستند، شامل ارتوفسفات ها و پلی فسفات ها می باشند.

گونه ارتوفسفات ساده ترین شکل فسفر است و 70 % تا 90 % فسفر کل را تشکیل می دهد. این شکل، شکلی است که برای متابولیسم بیولوژیکی در دسترس باکتری ها قرار میگیرد. این شکل، همچنین گونه ای است که به وسیله نمک های فلزات در سیستم های حذف شیمیایی فسفر، رسوب خواهد کرد. پلی فسفات ها شامل ترکیبات پیچیده تری از ارتوفسفات های 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. پیوندهای آلی فسفرها میتواند هم به صورت محلول و هم به صورت نامحلول و ذره ای می باشند.

ترکیبات فسفر دار

پیوندهای آلی فسفرها خود شامل دامنه گستردهای از شکل های پیچیده تری از فسفر می باشد که از پروتئین ها، آمینواسیدها و اسیدهای نوکلئید مشتق می گردند که به نوبه خود قابل تجزیه می باشند. پیوندهای 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 ای 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 های 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 بندی 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 ای قبل از آنالیز حذف می شوند. جامدات معلق کل (TSS) آن بخشی از جامدات کل است که در یک فیلتر با الیاف شیشه ای باقی می ماند.

جامدات ورودی 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 آوری فاضلاب به صورت مختلط اجرا شده باشد، این درصد کمتر خواهد شد. منبع دیگری که میتواند باعث پایین آمدن این درصد شود، شامل تخلیه لجن تصفیه خانه آب به شبکه فاضلاب، فاضلاب برخی صنایع خاص میباشد.

دما

دمای فاضلاب ورودی عمدتاً برحسب فصل متفاوت خواهد بود و از این جنبه که روی فرایندهای بیولوژیکی اثر میگذارد، اهمیت دارد. دمای بهینه برای فعالیت باکتری ها °C25- 35 میباشد، اما میکروارگانیسم ها توانایی انطباق پذیری برای دماهایی خارج از این محدوده را نیز دارا می باشند. دماهای پایین و سرد بخصوص روی 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 باکتریها پایین است و دمای پایین این نرخ را کمتر میکند، برای جبران باید زمان ماند طولانی تری 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 همچنین میتواند اثرات غیر مستقیم دیگری روی ویژگی های فاضلاب داشته باشد و از اینرو عملکرد تصفیه را تحت الشعاع قرار دهد. دماهای 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 های بیولوژیکی سیستم را کاهش میدهد.

pH

دامنه مناسب برای فعالیت باکتری ها بین 6 تا 9 می باشد.

لجن فعال

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

تصفیه فاضلاب در تانک هوادهی شامل حذف کربن های آلی از مخلوط مایع به وسیله هضم آنها توسط باکتری 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 باکتری 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، برای کربن است، رشد همچنین نیاز به نیتروژن و فسفر دارد. نرخ بهینه برای C:N:P در مخلوط مایع عموماً 100:5:1 است. نرخ این مواد مغذی 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 برای 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 تولیدی صنایعی مانند کاغذ سازی، 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 مغذی کلیدی به دلیل اینکه باکتری 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 باکتری وارد شوند و روند تولید و ترشح یک یا تعداد بیشتری آنزیم که در فرایندهای آنابولیسم و کاتابولیسم نقش دارند را مختل کند. اگر واکنش های کاتابولیک تنفس تحت تأثیر قرار گیرند، نرخ تنفس و تولید انرژی کاهش خواهد یافت که نتیجتاً نرخ رشد کاسته می شود. از سوی دیگر مسیر فعالیت های آنابولیک با محدودیت مواجه گردد، نرخ رشد کاهش می یابد و این موضوع همراه است با کاهش نرخ تنفس که کاهش نیاز به انرژی را نیز سبب می شود.

باکتری های نیتریفایر

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

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

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

بیشتر بخوانیم :
مشکلات راهبری تصفیه خانه های 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

Please follow and like us: