فرآیند لجن فعال
در اصل، فرآیند لجن فعال یک روش تصفیه بیولوژیکی هوازی با رشد معلق است که واکنش های متابولیک میکروارگانیسم ها را برای تولید پسابی با کیفیت بالا بوسیله تبدیل و حذف مواد اکسیژن خواه به کار می گیرد. این فرآیند در سال ۱۹۱۴ در انگلستان بوسیله آردن و لاکت ابداع شد. چون در آن، توده هایی فعال از میکروارگانیسم ها تولید می شود که قادر به تثبیت مواد زائد هستند، لذا آن را فرآیند لجن فعال می نامند.
فرآیندهای لجن فعال که امروزه استفاده می شوند ممکن است علاوه بر حذف مواد آلی، واکنش های حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر و تصفیه پیشرفته را تحت شرایط هوازی، انوکسیک و بی هوازی نیز دربرداشته باشند. امروزه مدل های مختلفی از فرآیند لجن فعال مورد استفاده قرار می گیرند، اما همه آنها در اساس شبیه یکدیگرند. تصفیه بیولوژیکی به روش لجن فعال عموماً بر اساس شکل ۱ انجام می شود. با این وجود، با استفاده از تکنولوژی های غشایی، مِدیاها و …. ، مدلهای نوینی از فرآیند لجن فعال نیز به کار گرفته شده اند.
شکل ۱ – دیاگرام فرآیند لجن فعال
فاضلاب پس از ورود به مخزن هوادهی، در تماس با لخته های بیومس قرار می گیرند. محتویات تانک هوادهی، مایع مخلوط نامیده می شود و مواد آلی موجود در فاضلاب، عمدتاً نیازهای سوخت و ساز میکروبی را تأمین می کنند.
پس از انجام واکنش های بیولوژیکی در راکتور هوادهی در زمان ماند هیدرولیکی، (( جامدات معلق مایع مخلوط خروجی از تانک هوادهی ))، در یک تانک ته نشینی جدا می گردند. بخشی از لجن ته نشین شده، به تانک هوادهی برگشت داده می شود تا جمعیت میکروبی در حد مطلوب جهت تصفیه فاضلاب حفظ شود.
میکروارگانیسم های مهم لجن فعال شامل باکتری ها، پروتوزوئرها، روتیفرها و جلبک ها می باشند. در فرآیند لجن فعال، باکتری ها از مهمترین میکروارگانیسم های عامل تجزیه مواد آلی فاضلاب ورودی هستند. یک گرم لجن فعال حدود ۱۰۱۲ باکتری دارد و این باکتری ها غالباً گرم منفی، هوازی اختیاری، مزوفیلیک و شیمیوهتروتروف هستند.
سودوموناس، فلاویاباکتریوم، آلکالیژنز، زئوگلنا، آکروموباکتر، نوکاردیا، بدلوویبریو، مایکوباکتریوم، نیتروزوموناس، نیتروباکتریوم در اغلب موارد به ترتیب فراوانترین و شایعترین باکتری های لجن فعال می باشند.
اسفائروتیلوس، بژیوتوآ، تیوتریکس، لسیکوتریکس، ژئوتریکوم نیز از باکتری های رشته ای شایع در فرآیند لجن فعال می باشند. هرچند وجود این باکتری ها در حد مناسب موجب استحکام لخته ها می شود، افزایش مجموع طول آنها به بیش از ۱۰۷ میکرومتر در هر میلی لیتر از جامدات معلق، موجب ته نشینی ضعیف لجن می شود که از آن به عنوان بالکینگ (حجیم شدن لجن) رشته ای لجن یاد می شود. F/M پایین و کمبود اکسیژن محلول از عوامل اصلی این پدیده نامطلوب هستند. همانطوری که گفته شد، با اندازه گیری SVI می توان بروز آن را تشخیص و یا تأیید نمود.
۵ تا ۲۰ درصد باکتری های موجود در فرآیندهای لجن فعال، زنده بوده و فقط حدود ۱ تا ۳ درصد باکتری ها، فعال هستند. منظور از اندازه فلاک ها، قطر ماکروسکوپی آنها در زمان ته نشینی لجن نیست (به قطر تا ۱۰mm)، بلکه این فلاک های ماکروسکوپیک از ذرات کوچکتری تشکیل شده اند که بطور ضعیفی به یکدیگر متصل بوده و قطر هر یک از آنها کوچکتر از ۱mm می باشد. منظور از فلاک های لجن، این ذرات کوچک هستند که قطر آنها می تواند بین ۱ تا ۱۰۰۰ میکرون باشد اما معمولاً بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ میکرون قرار دارد.
غلظت MLVSS در اکثر فرآیندهای لجن فعال، بین ۲۰۰۰ تا ۴۰۰۰ میلی گرم در لیتر بوده و مناسب ترین شرایط محیطی برای فرآیندهای بیولوژیکی هوازی، شامل: pH بین ۶/۵ تا ۸/۵، دمای ۲۷/۶ الی ۳۲/۲oC و اکسیژن محلول باقیمانده ۱ تا ۲ میلی گرم در لیتر می باشند. حداقل میزان DO در لجن فعال بین ۰/۵ تا ۰/۷ میلی گرم در لیتر گزارش شده است و کاهش DO به زیر ۰/۲ میلی گرم در لیتر، سبب توقف نیتریفیکاسیون می گردد.
نسبت BOD/N/P مناسب برای فرآیند لجن فعال، ۱۰۰/۵/۱ می باشد. این نسبت در فاضلاب خام و ته نشین شده به ترتیب ۱۰۰/۷/۳ و ۱۰۰/۲۳/۵ است.
انواع فرآیندهای لجن فعال
۱- لجن فعال متداول با جریان پیستونی (Conventional Plug Flow)
در این فرآیند، فاضلاب از ۳ تا ۵ کانال سری در حوضچه هوادهی عبور می کند و متناسب با کاهش BOD۵ در طول مسیر، می توان نسبت لجن برگشتی و میزان هوادهی را در نقاط مختلف راکتور تنظیم نمود. به دلیل بالا بودن نسبت F/M، میزان تحمل شوک، پایین است. در بخش های ابتدایی این سیستم، شرایط برای رشد باکتری های رشته ای مطلوب نیست اما رشد باکتری های رشته ای، در انتهای حوضچه فراهم می شود که زمان ماند کافی برای رشد آنها وجود ندارد. از این رو، استفاده از این راکتورها یکی از راهکارهای مؤثر در پیشگیری از مشکلات باکتری های رشته است.
شکل ۲ – دیاگرام فرآیند لجن فعال متداول با جریان پیستونی
۲- لجن فعال با اختلاط کامل (Complete Mixed Activated Sludge)
در فرآیند لجن فعال با اختلاط کامل (CMAS) طبق شکل ۳، فاضلاب ورودی بلافاصله با اکسیژن و باکتری های درون حوضچه هوادهی مخلوط می شود. بنابراین بار آلی، غلظت MLSS و اکسیژن در سرتاسر راکتور یکنواخت هستند.
در این سیستم، غالباً فاضلاب ته نشین شده و لجن فعال برگشتی، از چند نقطه وارد حوض هوادهی می شوند. به دلیل پاسسن بودن F/M، شرایط رشد برای میکروارگانیسم های رشته ای و ایجاد بالکینگ فراهم بوده و باتوجه به رقیق سازی فاضلاب، تحمل بار هیدرولیکی و آلی در این فرآیند بیشتر از فرآیند پیستونی است.
شکل ۳ – دیاگرام فرآیند لجن فعال متداول با اختلاط کامل
۳- تثبیت تماسی (Contact Stabilization)
در این روش مطابق شکل ۴، از دو تانک جداگانه هوادهی برای تصفیه فاضلاب استفاده می شود. بخشی از لجن فعال پس از تثبیت مواد محلول و ذره ای، با فاضلاب ورودی مخلوط شده و در درون حوضچه تماس، تحت عمل هوادهی قرار می گیرد. زمان ماند در حوضچه تماس، نسبتاً کوتاه بوده (۳۰ تا ۶۰ دقیقه) و غلظت MLSS در آن کمتر از حوضچه تثبیت می باشد. میکروارگانیسم ها در حوضچه تماس، BOD محلول را سریعاً حذف نموده ولی (( مواد آلی ذره ای و کلوئیدی )) در فلاک های لجن فعال به دام افتاده و در (( راکتور تثبیت )) اکسید می شوند. لخته های بیولوژیکی، در حوضچه ته نشینی ثانویه ته نشین می شوند که قسمتی از آن، زائد بوده و از سیستم خارج می شود و قسمت دیگر به حوض تثبیت باز می گردد. میکروارگانیسم ها در حوض تثبیت حدود ۱ تا ۲ ساعت هوادهی شده و مواد آلی ذره ای را که در حوضچه تماس با آنها خو گرفته بودند، هضم و تثبیت می کنند. وقتی باکتری ها این مواد را هضم کردند و به غذای اضافی نیازمند شدند، به حوضچه تماس برگشت داده می شوند. چون این باکتری ها، غذای ذخیره شده در بدن خود را مصرف کرده اند، خیلی سریع مواد آلی موجود در فاضلاب خام را در خود جذب و اکسید می کنند. به این دلیل، زمان ماند به حداقل می رسد. و نتیجتاً اندازه حوضچه تماس معمولاً کوچکتر از حوضچه هوادهی در سایر روشهای فرآیند لجن فعال می باشد.
شکل ۴ – دیاگرام فرآیند تثبیت تماسی
۴- هوادهی گسترده (Extended Aeration)
روش هوادهی گسترده اکثراً برای تصفیه فاضلاب های صنعتی به کار می رود. اینگونه فاضلاب ها غالباً دارای مواد آلی محلول پیچیده هستند و باکتری ها برای شکستن این مولکول های مرکب به زمان ماند طولانی نیاز دارند. هوادهی گسترده (شکل ۵)، شبیه فرآیند متداول با جریان پیستونی است، اما زمان ماند هیدرولیکی در این روش، طولانی بوده و میکرووب ها در فاز خودخوری قرار دارند. طراحی تجهیزات هوادهی نه بر اساس اکسیژن لازم بلکه بر مبنای میزان اختلاط لازم انجام می گیرد.
مزیت اول این روش آن است که عملاً به علت زمان ماند طولانی در حوضچه هوادهی، یکنواخت سازی نیز صورت می گیرد و بدین ترتیب سیستم از شوک های بار آلی در امان می ماند. مزیت دوم آن (( تولید لجن کمتر )) بدلیل هضم تعدادی از باکتری ها در حوضچه هوادهی است. غالباً در این روش از حوض ته نشینی اولیه استفاده نمی شود.
شکل ۵ – دیاگرام فرآیند هوادهی گسترده
۵- گودال اکسایش (Oxidation Ditch)
گودال های اکسایش شبیه روش جریان پیستونی هستند با این تفاوت که حوضچه هوادهی به جای مستطیل بودن، مدور است و این حوضچه مدور را گودال اکسایش یا گودال تثبیت گویند. همچنین به جای هواده های سطحی از هواده های برسی چرخان استفاده می شود. هوادهی، موجب جریان مدور فاضلاب با سرعت ۰/۲۵ تا ۰/۳ متر در ثانیه شده بنابراین شرایط لازم برای معلق نگهداشتن لجن های فعال تأمین می شود. با این سرعت، مایع مخلوط در مدت ۵ تا ۱۵ دقیقه یک چرخش کامل را در راکتور طی می کند و مقدار جریان کانال به اندازه ای است که می تواند فاضلاب ورودی را ۲۰ الی ۳۰ برابر رقیق نماید. در نتیجه، سینتیک این فرآیند بر اساس راکتور با اختلاط کامل اما با جریان پیستونی در طول کانال در نظر گرفته می شود. هرچه فاضلاب در کانال پیش رود، غلظت DO باقیمانده آن کاهش می یابد بنابراین دنیتریفیکاسیون نیز ممکن است اتفاق بیفتد.
شکل ۶ – دیاگرام گودال های اکسایش
۶- تغذیه مرحله ای (Step Feed)
فرآیند تغذیه مرحله ای عبارت است از ورود فاضلاب ته نشین شده از ۳ تا ۴ نقطه به درون حوضچه هوادهی با جریان پیستونی به منظور یکنواخت کردن F/M و کاهش حداکثر اکسیژن مورد نیاز (شکل ۷). فرآیند تغذیه مرحله ای بدلیل داشتن غلظت بالای MLSS، در مقایسه با فرآیند متداول پیستونی با حجم مساوی، سن لجن زیادتری را ایجاد می نماید. این فرآیند می تواند در شرایط تثبیت تماسی نیز مورد بهره برداری قرار گیرد که در این صورت، فاضلاب ورودی، به آخرین گذرگاه وارد می گردد.
شکل ۷ – دیاگرام فرآیند تغذیه مرحله ای
۷- فرآیند کراس
فرآیند کراس، شکل تغییر یافته (( فرآیند هوادهی مرحله ای مورد استفاده برای فاضلاب های با کمبود نیتروژن )) است. در این روش، از لجن و مایع رویی هاضم غیرهوازی به ترتیب برای بهبود کیفیت ته نشینی فلاک های بیولوژیکی و تأمین نیتروژن مورد نیاز استفاده می گردد. همان طوری که در شکل ۸ ملاحظه می شود، قسمتی از لجن برگشتی حوضچه ته نشینی ثانویه، در یک راکتور نیتریفیکاسیون با مایع رویی هاضم غیرهوازی مخلوط می شود و نهایتاً به راکتور اصلی هوادهی با جریان پیستونی عودت داده می شود. علاوه بر فراهم شدن نیتروژن مورد نیاز، در صورت وقوع کمبود اکسیژن، نیترات حاصله به عنوان الکترون گیرنده عمل می کند.
شکل ۸ – دیاگرام فرآیند کراس
۸- راکتورهای متوالی با جریان ناپیوسته (Sequencing Batch Reactor)
SBR، یک راکتور با اختلاط کامل از نوع پر و خالی شونده است که همه مراحل فرآیند لجن فعال، در آن راکتور اتفاق می افتند. برای تصفیه فاضلاب شهری با جریان مداوم، حداقل ۲ واحد SBR مورد استفاده قرار می گیرند بطوری که یکی از آنها مرحله تغذیه و دیگری مراحل هوادهی، ته نشینی و تخلیه را طی می نماید. هر سیکل از SBR معمولاً شامل ۳ پر شدن، ۲ ساعت هوادهی، ۰/۵ ساعتته نشینی و ۰/۵ ساعت تخلیه می باشد (شکل ۹). در این فرآیند، عملاً حوض ته نشینی ثانویه حذف می شود و دفع لجن مازاد، بطور نرمال در مرحله هوادهی صورت می گیرد. البته در مرحله استراحت (Idle) نیز می توان به دفع لجن مازاد نمود.
شکل ۹ – مراحل راکتور SBR
۹- فرآیند بیولاک (Biolac Process)
سیستم تصفیه فاضلاب به روش بیولاک، یک سیستم اختصاصی فرآیند لجن فعال با هوادهی گسترده است که از خصوصیات اصلی آن می توان به زمان ماند جامدات زیاد، بار آلی کم و هوادهی با حداقل انرژی اشاره نمود.
طبق شکل ۱۰، این سیستم دارای (( زنجیره های هوادهی پاندولی متحرک مستغرق مجهز به دیفیوزرهای تولید کننده حباب های ریز )) در ساختار لاگون ساده است که سطح آن توسط لایه های ژئوتکستایل و یا پلی اتیلن سنگین استربندی می شود و فرآیندهای ته نشینی ثانویه و هوادهی معمولاً در یک حوض توسط بافل هایی از هم می شوند.
دیفیوزرها به زنجیره هوادهی متصل هستند و در محدوده مشخصی از لاگون حرکت می کنند. زنجیره های هوادهی با حرکت ملایم و اختلاط کامل، مصرف انرژی را به حداقل می رسانند. هوادهی طولانی در بیولاک سبب شده تا حجم لجن تولیدی در مقایسه با سایر فرآیندها کمتر باشد. ضمن اینکه لجن دفعی از فرآیند بیولاک نیاز به تثبیت ندارد.
این فرآیند به دلیل سن بالای لجن (۴۰ تا ۷۰ روز) و بکارگیری تایمر الکترونیکی به منظور کنترل هواده هامی تواند برای انجام نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون نیز در نظر گرفته شود. نسبت F/M در این فرآیند، ۰/۰۴ تا ۰/۱ و مقدار MLSS در آن، ۱۵۰۰ تا ۵۰۰۰ میلی گرم در لیتر می باشد.
شکل ۱۰ – دیاگرام فرآیند بیولاک
مشخصات منبع مورد استفاده:
[restrict level=1]
نام کتاب: تصفیه فاضلاب شهری
مؤلف: دکتر حسن خرسندی
ناشر: انتشارات اندیشه رفیع
نوبت چاپ: اول
تاریخ نشر: ۱۳۹۳
صفحات مورد استفاده: ۹۳ تا ۱۰۲ (فصل چهارم)
[/restrict]
باسلام، سوالی که برای من مطرح شده اینکه حذف BOD5 در کدام قسمت اتفاق میوفتد ؟ فقط مخزن هوادهی ؟یا هم مخزن هوادهی و هم ته نشینی ثانویه؟؟