تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیک

shamimsharifتصفیه فاضلاب صنعتیLeave a Comment

تصفیه بیولوژیک فاضلاب شمیم شریف

 

 مقدمه تصفیه بیولوژیک فاضلاب

تصفیه فاضلاب صنعتی و یا تصفیه فاضلاب بهداشتی به روش بیولوژیک فرایندی طبیعی است که با استفاده از میکروارگانیسم‌ها به مصرف مواد آلی موجود در فاضلاب می‌پردازد. راندمان بالای حذف آلودگی‌های مختلف از فاضلاب صنعتی  و صرفه اقتصادی آن موجب شده که امروزه در سراسر دنیا کاربردهای گسترده‌ای داشته باشد. تصفیه بیولوژیک فاضلاب به‌عنوان یک تصفیه ثانویه در نظر گرفته می‌شود، که فاضلاب عبور کرده از مراحل اولیه تصفیه فاضلاب شامل تصفیه فیزیکی مانند استفاده از آشغال‌گیر و تصفیه شیمیایی مانند انعقاد و لخته‌سازی یا الکتروشیمیایی مانند انعقاد الکتریکی را با استفاده از میکروارگانیسم‌ها در شرایط مختلف تصفیه می‌کند. این روش یکی از روش های اصلی تصفیه فاضلاب بهداشتی نیر می باشد.

میکروارگانیسم‌ها، ارگان‌های زنده میکروسکوپی با ابعاد بسیار ریز هستند که می‌توانند به‌صورت تک‌سلولی یا چندسلولی باشند. میکروارگانیسم‌ها در تمامی نقاط زیست‌کره شامل خاک، چشمه‌های آب گرم، اعماق اقیانوس‌ها و حتی تا ارتفاع ۴۰ مایلی از اتمسفر نیز وجود دارند. دسته‌بندی‌های متفاوتی برای میکروارگانیسم‌ها وجود دارد که از این جمله برای مثال می‌توان به دسته‌بندی میکروارگانیسم‌ها بر اساس درجه حرارت اشاره کرد. میکروارگانیسم‌های مختلف در درجه حرارت‌های متفاوتی قادر به زنده ماندن و رشد هستند. میکروارگانیسم‌های کرایوفیل در رنج دمایی ۱۰- الی ۲۰ درجه سانتی‌گراد، سایکروفیل‌ها ۰ الی ۲۰ درجه سانتی‌گراد، مزوفیل‌ها ۲۰ الی ۴۵ درجه سانتی‌گراد و ترموفیل‌ها در رنج دمایی ۴۱ الی ۱۲۲ درجه سانتی‌گراد قادر به رشد و زنده ماندن هستند. اما آنچه از خصوصیات میکروارگانیسم‌ها در تصفیه بیولوژیک فاضلاب مهم است، تقسیم‌بندی میکروارگانیسم‌ها بر اساس مصرف اکسیژن می‌باشد. از این‌رو تصفیه بیولوژیک فاضلاب به ۳ دسته کلی بی‌هوازی، هوازی و انوکسیک تقسیم‌بندی می‌شوند.

تصفیه فاضلاب به روش بیولوژیک بی‌هوازی:

میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی، ریز موجوداتی هستند که برای رشد نیاز به اکسیژن ندارند. همچنین رشد و بقای آن‌ها در حضور اکسیژن به‌شدت تحت تأثیر قرارگرفته و موجب مرگ‌ومیر آن‌ها می‌شود. این میکروارگانیسم‌ها به ۳ دسته بی‌هوازی اجباری (حضور اکسیژن باعث مرگ‌ومیر آن‌ها می‌شود.) بی‌هوازی مقاوم به حضور اکسیژن که نمی‌‌تواند از اکسیژن برای رشد استفاده کند ولی می‌تواند در حضور آن رشد کند و زنده بماند و دسته سوم بی‌هوازی اختیاری که در غیاب اکسیژن می‌تواند رشد کند ولی از اکسیژن نیز می‌توانند برای رشد و زنده ماند نیز استفاده کنند.

تصفیه بیولوژیک فاضلاب به روش بی‌هوازی فرایندی است که طی آن باکتری‌های بی‌هوازی در محیطی عاری از اکسیژن به تجزیه مواد آلی می‌پردازد. لاگون‌ها و سیستم‌های بی‌هوازی بافل‌دار با جریان رو به بالا ( Up-flow Anaerobic Baffled Reactor یا UABR) ازجمله مهم‌ترین این فرایندها هستند، که قادر به تحمل میزان جریان و بار آلی بالایی می‌باشند. همچنین تغییرات این پارامترها تأثیر چندانی بر کارایی حذف این سیستم‌ها ندارند.

سیستم تصفیه بیولوژیک فاضلاب به روش بی‌هوازی تخریب مواد آلی را در ۴ مرحله صورت می‌دهد که عبارت‌اند از:

  • هیدرولیز پلیمرهای محلول
  • تخمیر محصولات حاصل‌شده به اسیدهای آلی فرار
  • استات‌زائی
  • ایجاد متان و گازهای دیگر از مواد حاصل از تخمیر

عوامل مختلفی بر عملکرد سیستم‌های بی‌هوازی مؤثر است، که می‌بایست در حین فرایند مورداندازه‌گیری و کنترل قرار بگیرد. که از آن جمله می‌توان به pH، دما، حضور اکسیژن و سایر مواد همچون گوگرد و آمونیاک اشاره کرد.

لازم به ذکر است که این سیستم دارای یک محصول باارزش است که دارای ارزش حرارتی جهت سوزاندن می‌باشد، این محصول گاز متان می‌باشد. گاز خروجی از سیستم حاوی ۶۰ الی ۶۵ درصد متان است. مقدار لجن تولیدشده در این سیستم کمتر بوده و خاصیت آبگیری و ته‌نشینی بالایی دارد و تقریباً تثبیت‌شده است. یعنی با ماندن لجن در فضای باز به مدت زیاد لجن متعفن نشده و باعث آلودگی محیط نخواهد شد.

تصفیه بیولوژیک فاضلاب به روش بیولوژیک هوازی:

همان‌گونه که از نام این سیستم تصفیه بیولوژیک فاضلاب پیداست عنصر اصلی در این سیستم باکتری‌های هوازی هستند. این باکتری‌ها با استفاده از اکسیژن محلول در فاضلاب به تجزیه مواد آلی موجود در می‌پردازند. مهم‌ترین مسئله در اینجا میزان اکسیژن موجود در فاضلاب صنعتی یا بهداشتی می‌باشد که برای تأمین این نیاز می‌توان از دمیدن هوا به داخل سیستم استفاده کرد، بنابراین می‌توان گفت قسمت اعظم هزینه این سیستم مربوط به انرژی الکتریکی موردنیاز جهت هوادهی می‌باشد. به‌گونه‌ای که جهت حذف یک کیلوگرمBOD  در حدود ۴ الی ۱۰ کیلووات انرژی لازم است. همچنین زمان راه‌اندازی این سیستم‌ها از سیستم‌های تصفیه بیولوژیک بی‌هوازی کمتر است، که از محاسن این روش تصفیه فاضلاب صنعتی و بهداشتی محسوب می‌شود.  ولی توده میکروبی تولیدشده در این سیستم بیشتر از سیستم بی‌هوازی است.

پساب خروجی از این سیستم دارای کیفیت بسیار بالایی می‌باشد، که پس از مرحله بی‌هوازی می‌تواند فاضلاب را به کیفیت مطلوبی برساند.

تصفیه بیولوژیک فاضلاب به روش بیولوژیک انوکسیک:

در سیستم هوازی میکروارگانیسم‌ها از اکسیژن به‌عنوان الکترون‌گیرنده استفاده می‌کنند، ولی در سیستم‌های انوکسیک اکسیژن موجود در ترکیباتی همچون نیترات (NO3) به‌عنوان الکترون گیرنده محسوب می‌شود. پس در نتیجه این مرحله از تصفیه بیولوژیک در حذف آلاینده‌هایی همچون نیترات طی فرایند دی‌نیتریفیکاسیون بسیار کاربرد دارد. حضور نیترات در آب می‌تواند مشکلات جبران‌ناپذیری بر سلامت انسان‌ها به‌خصوص کودکان به وجود آورد، و طبق استانداردهای محیط‌زیست مقدار نیترات در آب می‌بایست کمتر از mg/lit 10 باشد.

کاربردهای تصفیه بیولوژیک فاضلاب

حذف نیتروژن:

حذف نیتروژن طی ۲ مرحله، نیتریفیکاسیون (در سیستم هوازی) و دی‌نیتریفیکاسیون (در سیستم انوکسیک) صورت می‌گیرد. طي فرایند نیتریفیکاسیون، از طریق باکتری‌های نیتروزوموناز آمونیاک به نیتریت و به‌وسیله باکتری‌های نیتروباکتر نیتریت به نیترات تبدیل مي‌شود:

سپس در فرایند دی نیتریفیکاسیون در راکتور انوکسیک نیترات تولیدشده به گاز نیتروژن تبدیل مي‌شود و از آب خارج می‌شود:

ntrogen

حذف فسفر:

حذف فسفر شامل دو مرحله بی‌هوازی و هوازی بوده، که در مرحله بی‌هوازی پلی‌فسفات‌ها شکسته شده و فسفر آزاد می‌شود. در مرحله هوازی فسفر آزادشده حذف می‌شود.

phosphorous

حذف همزمان نیتروژن و فسفر:

برای حذف همزمان نیتروژن و فسفر سیستم می‌بایست حاوی هر ۳ مرحله بی‌هوازی، انوکسیک و هوازی باشد.

علاوه بر کاربردهای سیستم‌های تصفیه بیولوژیک فاضلاب در حذف نیتروژن و فسفر، این سیستم‌ها قادر به حذف سولفات موجود در آب، کاهش چشمگیر مواد آلی موجود در آب که موجب کاهش COD و BOD خواهند شد.

both

حذف فلزات سنگین:

حذف فلزات سنگین از طریق روش‌های بیولوژیکی به‌طور عمده با جذب و تشکیل ترکیب‌های پیچیده با میکروارگانیسم‌ها صورت می‌گیرد. این فرایند به این صورت است که، یون مثبت فلزات سنگین و سطح باردار با بار منفی میکروارگانیسم‌ها به یکدیگر چسبیده و درنتیجه ته‌نشینی رخ می‌دهد. فلزات سنگین می‌توانند جذب گروه‌های کربوکسیل یا سایر پلیمرهای موجود در سلول‌های بیولوژیکی همچون پروتئین‌ها شوند، و ته‌نشین شوند. راندمان حذف فلزات سنگین در فرایندهای بیولوژیکی وابسته به غلظت اولیه این فلزات و غلظت میکروارگانیسم‌های موجود در سیستم بین ۵۰ تا ۹۸ درصد متغیر می‌باشد.

حذف رنگ از پساب نساجی‌ها:

به طور کلی، رنگ ماده‌ای سمی برای محیط زیست نمی‌باشد. ولی حضور مواد رنگی تیره موجب جلوگیری از نفوذ نور خورشید و در نتیجه رشد گیاهان و کاهش اکسیژن موجود در آب می‌شود. همچنین وجود مقادیر بسیار ناچیزی از رنگ هم موجب تاثیرات ناخوشایندی بر زیبایی آب می‌شود. روش‌های مختلفی برای حذف رنگ از پساب کارخانجات به‌خصوص صنعت نساجی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، که هرکدام با محدودیت‌های خاص خود مواجه بوده‌اند. ولی با استفاده از میکروارگانیسم‌های موجود در فرایندهای بی‌هوازی و عملیات جذب مواد رنگی به این توده‌های سلولی می‌توان به راحتی مواد رنگی بخصوص رنگ‌های راکتیو (Reactive Dyes) را حذف نمود. همچنین رنگ‌های آزو (Azo Dyes) در برابر فرایندهای هوازی مقاوم‌اند، ولی به راحتی در شرایط بی‌هوازی تجزیه می‌شوند. طبق پژوهشی براون (Brown) و لابورر (Laboureur) زیست‌تخریب‌پذیری ۲۲ رنگ محلول در آب را بررسی کردند، و به این نتیجه رسیدند که بخش اعظمی از آن‌ها را می‌توان با استفاده از فرایندهای تصفیه بیولوژیک فاضلاب حذف کرد.

انواع رشد میکروارگانیسم‌ها

سیستم‌های بیولوژیکی بسته به وجود یا عدم وجود بستری برای رشد میکروارگانیسم‌ها به ۳ دسته کلی سیستم‌های رشد معلق، سیستم‌های رشد چسبیده و سیستم‌های تلفیقی (معلق و چسبیده) تقسیم‌بندی می‌شوند.

رشد معلق

در سیستم‌های رشد معلق، مانند سیستم‌های لجن فعال (Activated Sludge Processes)، لاگون‌های هوادهی (Aerated Lagoons) و هاضم‌های هوازی (Aerobic Digestion) جریان فاضلاب وارد مخازن حاوی میکروارگانیسم‌های شناور آزاد می‌شود. میکروارگانیسم‌ها مواد آلی و آلاینده‌های موجود در فاضلاب را به‌عنوان مواد مغذی برای رشدشان به مصرف می‌رسانند و آلاینده‌ها و ناخالصی‌ها را از فاضلاب می‌گیرند و درنتیجه مشخصات فاضلاب را به مقادیر مطلوب و استاندارد محیط‌زیست می‌رسانند. در تمامی این سیستم‌ها پس از تصفیه بیولوژیک، بخشی برای ته‌نشینی در نظر گرفته‌شده است، که طی آن فاضلاب و ترکیبی از میکروارگانیسم‌ها وارد یک واحد ته‌نشینی شده و در آن توده میکروارگانیسم‌ها ته‌نشین و جدا می‌شود و بخشی از آن به بخش تصفیه بیولوژیک بازگردانده می‌شوند تا غلظت میکروارگانیسم‌ها افزایش یابد. بخشی از لجن ته‌نشین شده نیز از سیستم خارج و وارد واحد فیلتر پرس لجن برای آبگیری و دفع می‌شود.

  • سیستم لجن فعال (Activated Sludge Process)

در سیستم لجن فعال با استفاده از لخته‌های میکروبی معلق با سایز ۱/۰ الی ۱ میلی‌متر به اکسایش مواد آلی می‌پردازند. سپس مخلوطی از فاضلاب و توده‌های میکروبی وارد بخش ته‌نشینی می‌شوند. پساب حاصل از ته‌نشینی به واحدهای بعدی فرستاده می‌شود و لجن ته‌نشین شده دوباره به حوض هوادهی لجن فعال برگشت داده می‌شود.

رشد چسبیده

در سیستم‌های رشد چسبیده، همچون سیستم تماس‌دهنده‌های بیولوژیکی چرخان (Rotating Biological Contactor)، صافی‌های چکنده (Trickling Filters) و بیوراکتور با بستر متحرک (Moving Bed Bioreactor) میکروارگانیسم‌ها بر بستری از مواد مختلف (Media) به‌صورت متصل رشد می‌کنند و با عبور جریان فاضلاب، آلاینده‌ها همچون مواد آلی جذب و تجزیه می‌شوند. مواد نگهدارنده میکروارگانیسم‌ها می‌توانند شامل شن، سنگ، پلاستیک، ماسه و یا ذرات کربن فعال باشند. بسترهای سنگی دارای این مزایا نسبت به بسترهای پلاستیکی هستند: طول عمر بالا – غیرقابل‌حل – به‌صورت محلی در دسترس هستند. از معایب آن‌ها می‌‌توان به موارد زیر اشاره کرد: کاهش فضاهای خالی برای عبور هوا – نسبت سطح به حجم کمتر.

میکروارگانیسم‌ها بر روی این بسترهای جامد چسبیده و با عبور فاضلاب حاوی غلظت بالائی از مواد آلی تشکیل یک ‌لایه زیستی به نام بیوفیلم (Biofilm) می‌دهند. ضخامت این لایه میکروبی بین ۱۰۰ میکرومتر تا ۱۰ میلی‌متر می‌تواند باشد. ازجمله مزایای سیستم رشد چسبیده نسبت به رشد معلق، افزایش راندمان انرژی موردنیاز برای فرایند (حدود ۳۰ درصد در انرژی مصرفی کاهش می‌دهد.)، کاهش نیروی کار موردنیاز نسبت به رشد معلق اشاره کرد. همچنین به علت رشد و اتصال میکروارگانیسم‌ها بر بستری از مواد جامد نیازی به واحد ته‌نشینی پس از سیستم تصفیه بیولوژیک فاضلاب نمی‌باشد.

فرایندهای تصفیه بیولوژیک فاضلاب با رشد چسبیده بسته به نوع جریان و نحوه قرارگیری بستر به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. جریان ورودی به سیستم بیولوژیکی می‌تواند رو به بالا، پائین و یا به‌صورت افقی باشد. همچنین بستر رشد میکروارگانیسم‌ها می‌تواند به‌صورت ثابت یا متحرک (شناور) باشد.

van ]sfdniرشد چسبیده با بستر ثابت

سیستم‌های بیولوژیکی با بستر ثابت برای رشد میکروارگانیسم‌ها شامل سیستم‌هایی است که در آن‌ها میکروارگانیسم‌ها بر سطح بسترهایی ثابت رشد می‌کنند. ازجمله این سیستم‌ها می‌توان به صافی‌های چکنده (TF) و تماس‌دهنده‌های بیولوژیکی چرخان (RBC) اشاره کرد.

  • صافی‌های چکنده (Trickling Filter):

صافی‌های چکنده معمولاً سیستم‌های استوانه‌ای شکل با عمق ۱ الی ۳ متر می‌باشند. داخل این سیستم‌ها از بسترهایی ثابت با جنس‌های مختلف شامل بسترهای پلاستیکی از پیش‌ساخته شده یا سنگ پر شده است. جریان فاضلاب از بالا به سمت پائین خواهد بود که توسط توزیع‌کننده‌هایی بر روی آن‌ها پخش می‌گردد. راندمان حذف BOD در این سیستم‌ها در صافی‌های با بار کم در حدود ۸۰ الی ۹۰ درصد و در سیستم‌های با بار زیاد در حدود ۴۰ الی ۶۵ درصد می‌باشد.

صافی های چکنده
تماس‌دهنده‌های بیولوژیکی چرخان (
Rotating Biological Contactor)

این سیستم‌ها شامل ردیف‌هایی از صفحات پلاستیکی دوار هستند که در هر ردیف به یک شفت متصل هستند که به‌آرامی حرکت می‌کنند. دیسک‌های دوار بستری برای رشد میکروارگانیسم‌ها هستند و برروی آن‌ها لایه‌ای از میکروارگانیسم‌ها تحت عنوان بیوفیلم تشکیل می‌شود. با چرخش این دیسک‌های دوار تمامی نقاط بیوفیلم در تماس با فاضلاب و هوا خواهند بود. همواره در حدود ۴۰ درصد از قطر این دیسک‌ها در فاضلاب غوطه‌ور است.

رشد چسبیده با بستر متحرک

سیستم‌های تصفیه بیولوژیک فاضلاب با بستر متحرک برای رشد میکروارگانیسم‌ها شامل سیستم‌هایی است که در آن‌ها بستر به‌صورت دائم در حال حرکت است. این حرکت بسترها به‌واسطه سرعت بالای جریان آب، جریان هوا (در سیستم‌های هوازی) و یا تکان‌دهنده‌های مکانیکی (در سیستم‌های انوکسیک و بی‌هوازی) خواهد بود. ازجمله مزیت‌های این روش می‌توان به تسریع در واکنش‌های بیولوژیکی، افزایش انتقال جرم و کاهش محدودیت نفوذ در بیوفیلم اشاره کرد. این سیستم‌ها در مقایسه با سیستم‌های با بستر ثابت برای حذف نیتروژن و کربن از سرعت بالاتر و زمان ماند موردنیاز کمتری برخوردار هستند، که می‌توانند موجب صرفه‌جوئی در هزینه‌های تصفیه‌خانه شوند. ازجمله این سیستم‌ها می‌توان به بیوراکتورهای با بستر متحرک (Moving Bed Bioreactor یا MBBR) اشاره کرد.

  • بیوراکتورهای با بستر متحرک (Moving Bed Bioreactor)

در سال ۱۹۹۰، شرکت کالدنس (Kaldnes) نمونه‌ای از راکتورهای با بستر متحرک بیولوژیکی را با نام بیوراکتورهای با بستر متحرک (MBBR) ابداع کرد. حجم راکتور با آکنه‌های کوچک از جنس پلی‌اتیلن با قطر ۱۰ میلی‌متر و دانسیته gr/cm3 96/0 -92/0 و حداکثر پرشوندگی ۷۰ درصد پر می‌شود. سطح ویژه آکنه برای رشد میکروبی m2/m3 350 می‌باشد.

رشد تلفیقی (معلق و چسبیده)

در برخی سیستم‌های تصفیه فاضلاب صنعتی با بهداشتی به روش بیولوژیک نیز از ترکیب هر دو نوع بستر معلق و چسبیده برای حذف مواد آلی و سایر آلاینده‌ها از فاضلاب استفاده می‌شود. ازجمله این سیستم‌ها می‌توان به سیستم تلفیقی لجن فعال با رشد چسبیده (Integrated Fixed Activated Sludge یا IFAS) اشاره کرد، که طی آن با استفاده از مدیاهایی برای رشد چسبیده میکروارگانیسم‌ها در حوض هوادهی لجن فعال می‌‌توان از مزایای هر دو نوع سیستم معلق و چسبیده استفاده نمائیم.

  • سیستم تلفیقی لجن فعال با رشد چسبیده (Integrated Fixed Activated Sludge)

امروزه با توجه به مزیت‌های فرایند IFAS و همچنین توجه روزافزون به بهینه‌سازی سیستم‌های تصفیه‌خانه فاضلاب از سیستم تلفیقی لجن فعال با رشد پیوسته به‌منظور افزایش ظرفیت و کارایی تصفیه‌خانه‌های قدیمی و همچنین کاهش حجم مخازن تصفیه فاضلاب  جدید استفاده می‌شود. ازجمله مزایای این سیستم می‌توان به افزایش مقاومت در برابر شوک‌های آلی و هیدرولیکی و افزایش غلظت لجن حوض هوادهی و افزایش پایداری فرایند تصفیه اشاره کرد.

دیدگاهتان را بنویسید

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