تماس دهنده های بیولوژیکی چرخشی (RBC)

• مهندسی فاضلاب
• آخرین بروزرسانی: 16 شهریور 1395

تماس دهنده های بیولوژیکی چرخشی (RBCs) اولین بار در سال ۱۹۶۰ در آلمان غربی نصب گردیدند و بعداً در ایالات متحده آمریکا معرفی شدند. صدها RBC در سال ۱۹۷۰ نصب شد و فرآیند در تعدادی از گزارشها مرور گردید (U.S.EPA , 1985 , 1984 ; WEF , 1998 , 2000)؛ یک RBC شامل تعدادی صفحات مدور که در فضایی نزدیک قرار دارند و پلی استایرن یا پلی وینیل کلرید است که در فاضلاب غوطه ور هستند و دور آن می چرخند (شکل ۱ ملاحظه شود). صفحات پلاستیکی استوانه ای به یک محور افقی متصل اند و با اندازه های تقریبی قطر (۱۲ft (3/5m و طول (۲۵ft (7/5m، واحد استاندارد، ارائه می گردند.مساحت صفحات برای یک واحد استاندارد، حدود (۱۰۰,۰۰۰ft (9,300m و واحدبا چگالی بالاتر صفحات نیز با مساحت سطح تقریبی (۱۵۰,۰۰۰ft^۲ (13,900m^۲ در دسترس اند. واحد RBC به طور جزئی (به طور نمونه ۴۰%) در یک مخزن شامل فاضلاب غوطه ور است و صفحات به آهستگی با دور تقریبی ۱/۶-۱ rev/min می چرخند (شکل ۱ ملاحظه شود). محرکهای مکانیکی معمولاً جهت چرخش واحدها استفاده می گردند، اما واحدهای با محرک هوا نیز نصب شده اند. در واحدهای با محرک هوا، ردیفی از فنجانها به محیط صفحات وصل شده و هوادهی پخشیده برای جهت دادن هوا به فنجانها برای چرخیدن مورد استفاده واقع می گردد. چون صفحات در خارج از فاضلاب می چرخند، هوادهی با قرار دادن در معرض اتمسفر انجام می گردد. فاضلاب از طریق صفحات به طرف پایین جریان می یابد و لجن گیری مواد جامد اتفاق می افتد. سامانه های RBC، یک صافی چکه ای، نیاز به پیش تصفیه زلال سازی اولیه یا توری های ریز و شفاف شده ثانویه برای جدا نمودن مایع / مواد جامد دارند.

شکل ۱ – انواع واحدهای RBC شامل: (a) نوع RBC مرسوم، محرک مکانیکی و ورودی هوای اختیاری، (b) نوع RBC مرسوم در واکنشگاه ناپیوسته، (c) نوع RBC غوطه ور مجهز به فنجانهای گیرنده هوا (هوا به دو صورت چرخشی و هوادهی صفحات زیستی استفاده می گردد) و (d) نوع RBC غوطه ور مجهز به فنجانهای گیرنده هوا (از مؤسسه اِنویرِکس).

طراحی یک RBC غوطه ور نیز در اوایل سال ۱۹۸۰ معرفی گردید ولی در کاربردها با محدودیت مواجه شد. شناوری ۷۰ تا ۹۰% و واحدهای با محرک هوا جهت تأمین اکسیژن و چرخش مورد استفاده واقع شد. محاسن مورد ادعا برای واحد غوطه ور بارهای روی محور یا یاتاقانها را کاهش داده، کنترل (( زیست توده )) توسط هم زدن با هوا بهبود یافته، توانایی استفاده از دسته های بزرگتر صفحات و بازسازی نمودن، هوادهی مخازن موجود، تسهیل می گردد. بنابراین، به دلیل سطوح نسبتاً پایین، اکسیژن حل شده در مایع، تجزیه فعالیت بیولوژیکی توسط واحدهای غوطه ور ممکن است با اکسیژن محدود گردد. جهت جلوگیری از رشد جلبک، حفظ صفحات پلاستیکی از تأثیرات در معرض فرابنفش و جلوگیری از افت حرارتی بیش از اندازه در هوای سرد زمستان، واحدهای RBC پوشانده می شوند (شکل ۱-۱۱b ملاحظه شود).

تاریخچه نصب های RBC به دلیل طراحی نامناسب مکانیکی و نبود درک کامل از فرآیندهای بیولوژیکی، مشکل ساز بوده است. از کار افتادگی ساختاری محورها، صفحات و تکیه گاه های صفحه سامانه ها اتفاق افتاده است. توسعه رشد زیاد ((زیست توده)) و مشکلات لجن گیری، به محور مکانیکی منتهی شده و صفحات از کار می افتند. خیلی از این مشکلات در غیاب حفاظت در طراحی و پیامدهای مقیاس سازی از واحد نیمه صنعتی به واحدهای با مقیاس کامل است. بسیاری از مشکلات مربوط به نصب های اولیه، حل شده و تعدادی از نصب های RBC به طور موفقیت آمیزی در حال بهره برداری هستند.

ملاحظات طراحی فرآیندی

شباهت های زیادی بین ملاحظات طراحی RBC و آنهایی که برای صافی های چکه ای تشریح گردید، وجود دارد. هر دو سامانه، مساحت سطح زیست توده بزرگ را توسعه داده روی انتقال جرم اکسیژن و زیرلایه ها از توده مایع به زیست توده، اعتماد می گردد. پیچیدگی فیزیکی و مشخصات هیدرودینامیکی نیاز دارد که طراحی فرآیند RBC بر اساس اطلاعات اصولی و از واحد نیمه صنعتی و نصب های میدانی است. همانند صافی های چکه ای، بار آلی روی بازده زدایش RBC تأثیر گذاشته و بار نیتروژن پس از رسیدن به غلظت حداقل BOD روی بازده نیترات سازی تأثیر می گذارد. در مقابل صافی چکه ای، جایی که جریان فاضلاب به یک نظام هیدرولیکی جریان نهرگونه نزدیک شود، واحدهای RBC در یک حوضچه شامل فاضلاب می چرخند، به طوری که حوضچه های با تیغه های مجزا برای تولید منافع طراحی واکنشگاه های بیولوژیکی مرحله ای، مورد نیازند. طراحی سامانه RBC بایستی شامل ملاحظات زیر باشد:

1. مرحله ای شدن واحدهای RBC
2. شرایط بار
3. مشخصات خروجی
4. طراحی زلال کننده ثانویه

نمونه ای از اطلاعات برای RBC در جدول ۱ ارائه می گردد.

مرحله بندی واحدهای RBC

مرحله بندی جداسازی صفحات RBC، از سری های سلول ها مستقل است. بر اساس انتقال جرم و اصول سینتیک بیولوژیکی، سرعت های زدایش زیرلایه ویژه بالاتر، در زیست توده ها، در غلظت های زیرلایه توده مایع رخ خواهد داد. از آنجا که غلظت زیرلایه خروجی پایین و سرعت های زدایش زیرلایه ویژه بالا عموماً هدف تصفیه نهایی است، نیاز به کاهش مساحت صفحه، می تواند تنها با استفاده از مرحله بندی واحدهای RBC، مشخص گردد.

جدول ۱ – نمونه طراحی اطلاعات جهت تماس دهنده های بیولوژیکی چرخشی

a: دمای فاضلاب بالا (۵۵^oF (13^oC

توجه:

g/m^۲.d×۰/۲۰۴=Ib/10^۳ft^۲.d

m^۳/m^۲.d×۲۴/۵۴۲۴=gal/ft^۲.d

نمونه ای از فرآیند کاربرد RBC شامل تعدادی واحد به صورت سری است. تعدادی از مراحل به اهداف تصفیه، با دو یا چهار مرحله از زدایش BOD و شش مرحله یا بیشتر جهت نیترات سازی است. مراحل می توانند با استفاده از تیغه ها در یک مخزن یا با استفاده از مخازن مجزا به صورت سری انجام شود.

مرحله بندی تغییرات، شرایط را در جایی که ریزاندامگان(میکروارگانیسم های) مختلف می توانند تغییر درجاتِ از مرحله به مرحله، نشو و نما (رشد) نمایند، ترقی می دهد. درجه توسعه در هر مرحله، در درجه اول به غلظت آلی حل شده در توده مایع مرحله بستگی دارد. از آنجا که فاضلاب از طریق سامانه جریان می یابد، هر مرحله بعدی یک ورودی با غلظت آلی نسبت به مرحله قبلی را دریافت می نماید. به عنوان نمونه، ترتیب مرحله ای RBC در شکل ۲ روشن می گردد.

برای واحدهای کوچک، محورهای محرک RBC به طور موازی در جهت جریان با دسته های صفحه مجزا شده توسط تیغه ها، جهت داده می شود (شکل ۲a ملاحظه شود). در نصب های بزرگتر، محورها به طور عمود نسبت به جریان با مراحل مختلف به صورت سری برای تشکیل واحد فرآیندی، سوار می گردد (شکل ۲b ملاحظه شود). جهت حمل بار روی واحدهای اولیه، مرحله خوراک (شکل ۲d ملاحظه شود)، ممکن است مورد استفاده واقع گردد. دو یا تعداد بیشتری واحد با جریان موازی بایستی نصب شوند، به طوری که واحدها بتوانند از حداقل ظرفیت ممکن یا تعمیرات مجزا گردند. ساخت مخزن ممکن است با بتن مسلح یا فولاد، با ارجحیت واحدهای کوچکتر باشد. در سامانه های تصفیه ای که از RBCs برای زدایش BOD استفاده نمایند، از پیش تصفیه فاضلاب صنعتی، زدایش BOD ترکیبی و نیترات سازی، سومین نیترات سازی و نیترات زدایی، مورد کاربرد واقع شده اند. محاسن اصلی فرآیند RBC برای ساده سازی عملیات و هزینه های نسبتاً پایین انرژی است.

شکل ۲ – نمونه ای از ترکیب مرحله ای RBC:
(a) جریان موازی به محور، (b) جریان عمود بر محور، (c) نمای RBCs با جریان عمود بر محور، (d) مرحله جریان خوراک، (e) جریان خوراک موازی با محور به تدریج کاهش می یابد.

تاریخچه شرایط بار RBC

بر اساس تجربه، کارایی سامانه RBC به سرعت بار سطح ویژه کل مربوط است و BOD محلول برای زدایش BOD و NH_۴-N جهت نیترات سازی است. برای تصفیه موفق، بایستی در قابلیت انتقال اکسیژن سامانه باشد. کارایی ضعیفی، مشکلات بو و لجن گیری زیست توده در هنگامی که تقاضا به واسطه بار BOD از قابلیت انتقال اکسیژن تجاوز نماید، رخ می دهد. مشخصه این مشکل، توسعه بِگیاتوآ (Beggiatoa) کاهش باکتری های اکسنده گوگرد، روی قسمت خارجی زیست توده، در هنگام جلوگیری از لجن است (۱۹۸۴ , U.S.EPA). یک زیست توده ضخیم می تواند برای ایجاد وزن کافی جهت تنش طول ساختاری صفحات پلاستیکی و محور، توسعه یابد.

تحت شرایط بار اضافی، شرایط هوازی، عمق لایه پیوست را توسعه می دهد. سولفات به H_۲S احیا می گردد که به لایه خارجی زیست توده، جایی که اکسیژن در دسترس است، نفوذ می نماید. بگیاتوآ، یک باکتری رشته ای است که قادر به اکسایش H_۲S و سایر ترکیبات گوگرد احیا شده جهت تشکیل زیست توده مایل به سفید سخت است که تحت شرایط تنشی چرخش RBC عادی لجن گیری نمی کند. در طراحی واحدهای RBC، انتخاب بار BOD به حد کافی پایین برای واحدهای اولیه در طراحی مرحله ای برای جلوگیری از بار اضافی است. مشکلات اکثراً توسط بارگذاری های آلی بخصوص در اولین مرحله، ایجاد می گردد.

از آنجا که BOD محصول خیلی سریع در اولین مرحله سامانه RBC مصرف می گردد، اکثر سازندگان تأسیسات RBC یک بار BOD محلول خاص را در محدوده    برای اولین مرحله، مشخص می نماید، با فرض اینکه ۵۰% جزء BOD محلول، کل بار BOD، در محدوده از ۲۴ تا ۳۰ است. برای برخی از طراحی ها که شامل فاضلابهای با قدرت بالاتر است، شرایط با جدا نمودن جریان به واحدهای چندتایی در اولین مرحله یا استفاده یک مرحله تزریق خوراک، در شکل ۲ نشان داده شده است.

برای تیترات سازی، روش طراحی برای سامانه های RBC می تواند خیلی شبیه به مورد نشان داده شده برای سومین نیترات سازی صافی های چکه ای پس از اینکه غلظت BOD در واحدهای RBC قبل از نیترات سازی تهی شود، باشد. غلظت BOD کمتر از ۱۵mg/L ، بایستی قبل از اینکه جمعیت نیتره کننده قابل توجه بتواند در صفحات RBC توسعه یابند، بایستی تأمین گردد (پاندو و میدل بروکز ، ۱۹۸۳). حداکثر سرعت زدایش سطح نیتروژن مشاهده شده حدود ۱/۵g N/m^۲.d است (U.S.EPA , 1985)، که کاملاً شبیه مقادیر مشاهده شده برای صافی های چکه ای است.

مشخصات خروجی

سامانه های تصفیه RBCs برای تأمین تصفیه ثانویه یا سطوح پیشرفته قابل طراحی اند. مشخصات BOD خروجی برای تصفیه ثانویه با فرآیندهای لجن فعال خوب عملیاتی شده، قابل مقایسه است. در جایی که یک خروجی نیتره شده مورد نیاز باشد، RBCs برای تأمین تصفیه ترکیبی جهت BOD و نیتروژن آمونیاک یا برای تأمین نیترات سازی خروجی ثانویه جداگانه، قابل استفاده است. نمونه محدوده های مشخصات خروجی در جدول ۱ نشان داده می شود. یک اصلاح فرآیند RBC که در آن یک محور پایه صفحه ای که کاملاً غوطه ور شده، برای نیترات زدایی فاضلاب بکار رفته است (شکل ۳ ملاحظه شود).

شکل ۳ – میزان سرریز زلال کننده صافی چکه ای، به عنوان تابعی از عمق آب در حاشیه زلال کننده؛ مورد توصیه (پذیرفته شده از WEF ، ۲۰۰۰).

وسایل فیزیکی برای فرآیند RBC

عناصر اصلی یک واحد RBC و اهمیت آنها در فرآیند، در این بخش تشریح می گردد. تأمین کننده های تأسیسات RBC در طراحی های صفحات، محورها و تکیه گاه های آکنه و طراحی های پیکربندی، با هم تفاوت دارند. عناصر اصلی طراحی یک سامانه RBC شامل محور، مواد صفحه و پیکربندی، محرک سامانه، دیوارکشی و مخازن ته نشینی است.

محورها

محورهای RBC، برای تکیه گاه و چرخش صفحات پلاستیکی، استفاده می شوند. حداکثر طول محور در حال حاضر به (۲۷ft (8/23m با (۲۵ft (7/62m که با صفحات اشغال می گردد، محدود می شود. طول های کوتاه تر محور در محدوده از ۲۵-۵ فوت یا ۷/۶۲-۱/۵۲ متر نیز در دسترس اند. اشکال محور، بستگی به سازنده، شامل مربعی، گرد و هشت ضلعی است. محورهای فولادی برای جلوگیری در مقابل خوردگی پوشش داده می شوند و محدوده ضخامت در محدوده ۱/۲۵-۰/۵ اینچ یا ۳۰-۱۳ میلیمتر است (۱۹۹۸ , WEF). جزئیات ساختاری و عمر مورد انتظار برای محور و صفحه در ملاحظات طراحی مهم است.

مواد صفحه

پلی اتیلن با چگالی بالا، ماده ای است که برای ساخت اکثر صفحات RBC استفاده می گردد که در پیکربندی ها یا طراحی های موج دار، در دسترس است. افزایش موج دار در مساحت سطح در دسترس، پایداری ساختاری را افزایش می دهد. نمونه های صفحات موج دار RBC، بر اساس مساحت کل صفحات روی محور، به طور عادی با چگالی پایین (با استاندارد)، چگالی متوسط و چگالی بالا دسته بندی می گردند. صفحات با چگالی استاندارد، در صورتی که صفحات با مساحت سطح ۱۰۰,۰۰۰ft^۲ یا ۹۳۰۰m^۲ بر محور (۲۷ft (8/23m محور، دارای فضاهای بین صفحات بزرگترن، معمولاً به مراحل نمودار جریان RBC، منتهی می گردند. دستگاه های با صفحه با چگالی متوسط تا بالا دارای مساحت سطح ft^۲ ۱۲۰,۰۰۰-۱۸۰,۰۰۰ یا  16,700-11,000m^۲ بر محور (۲۷ft (8/23m هستند و به طور نمونه در مراحل میانی و نهایی در یک سامانه RBC، جایی که لایه های نازکتر رشد بیولوژیکی استفاده می گردد، رخ می دهد.

محرک سامانه ها

اکثر واحدهای RBC با واحدهای محرک مکانیکی که به طور مستقیم به محور مرکزی وصل شده اند، می چرخند. موتورها به طور نمونه در محدوده ۷۵-۵ hp یا  5/6-3/7 KW به ازای هر محور است. واحدهای با محرک هوا نیز در دسترس اند. دستگاه با محرک هوا شامل صفحات پلاستیکی عمیق پیوسته به محیط صفحات، یک خط اصلی هوای قرار گرفته در زیر صفحات و یک کمپرسور هواست. جریان هوای ضروری جهت انجام طراحی سرعت های حدود ۱۹۰scfm یا  5/3m^۳/min برای یک محور با چگالی استاندارد و ۲۷۰scfm یا  7/6m^۳/min برای محور با چگالی بالاست. آزاد شدن هوا در ظرف باعث ایجاد شناوری (نیروی موجب چرخیدن محور) می گردد. ویژگی های سرعت متغیر می تواند جهت تنظیم سرعت چرخشی محور، ارائه شود.

مخزن

مخزن برای سامانه های RBC در حد ۰/۱۲gal/ft^۲ یا  0/0049m^۳/m^۲ مساحت صفحه بهینه شده، که به حجم مرحله ۱۲,۰۰۰gal یا ۴۵m^۳ برای یک محور با مساحت صفحه ۹۳۰۰m^۲ منجر می گردد. بر اساس این حجم، زمان ماند از ۱/۴۴h جهت یک بار هیدرولیکی ۲gal/ft^۲.d یا ۰/۸۰m^۳/m^۲.d ، ارائه می گردد. نمونه ای از عمق (۵ft (1/5m جهت اصلاح، ۴۰% غوطه وری صفحات است.

ضمائم

درپوش های پلاستیکی فایبرگلاس مسلح، معمولاً روی هر محور ارائه می گردند. در برخی حالات، واحدها جهت حفاظت در مقابل سرمای هوا، بهبود دسترسی ها یا به دلایل زینتی در ساختمان جا داده می شوند. RBCs، ضمیمه می شوند تا: (۱) صفحات پلاستیکی را از تجزیه به واسطه نور فرابنفش حفاظت نمایند؛ (۲) سامانه را از دمای پایین حفاظت نمایند؛ (۳) صفحات وسیله را از خسارت حفاظت کنند و (۴) تشکیل جلبک در فرآیند را کنترل نمایند.

مخازن ته نشینی

مخازن ته نشینی برای RBCs شبیه مخازن ته نشینی صافی چکه ای است که در آن تمامی لجن از مخازن ته نشینی به تأسیسات فرآوری خارج می گردد. نمونه ای از سرعت های سرریز برای مخازن ته نشینی با RBCs، به کار رفته شبیه مطالب تشریح شده برای صافی های چکه ای با آکنه پلاستیکی است.

طراحی فرآیند RBC

روشهای طراحی تجربی توسعه یافته برای سامانه های RBC بر اساس واحد نیمه صنعتی و داده واحد با مقیاس کامل است و ملاحظه چنین عواملی اصلی، به طریقی که مساحت سطح صفحه و بارهای ویژه برحسب g/m^۲ disk area.d باشد، روشهای طراحی سامانه های RBC مرحله ای جهت زدایش BOD و نیترات سازی، در این بخش ارائه می گردد.

زدایش BOD

مدل های طراحی زدایش BOD در سامانه های RBC در (WEF , 2000) مرور می گردد. در مقایسه، طراحی مدل ها بارگذاری های BOD توصیه شده پایین تر نسبت به مورد تعیین شده از نوشته سازنده و آنچه که در برخی حالات وجود داشته، شبیه زدایش BOD در زیر ۹۰%، منتج می گردد. از اینها، یک مدل درجه دوم توسط اُپاتکن (Opatken) (1985 , U.S.EPA) برای نیازمندی های تخمین مساحت سطح RBC انتخاب می گردد، به طوری که مدل با داده حاصل از نه واحد با مقیاس کامل توسعه یافته و شامل طراحی های واکنشگاه مرحله ای است.

مدل های درجه دوم توسط گرادی ات آل (۱۹۹۹) به واحدهای SI تبدیل شد و عبارتها به جهت منتقل نمودن مساحت سطح صفحه، تبدیل گردید. مدل می تواند برای تخمین غلظت محلول BOD در هر مرحله، مورد استفاده واقع گردد:

معادله ۱

که در آن:

S_n: غلظت BOD در مرحله n ، برحسب mg/L

A_s: مساحت سطح صفحه روی مرحله n ، برحسب m^۲

Q: شدت جریان ، برحسب m^۳/d

خواهد بود.

به دلیل اینکه معادله ۱ تنها برای غلظت های BOD به کار می رود، نسبت sBOD/BOD خروجی زلال کننده ثانویه، برای طراحی غلظت BOD خروجی در حد ۰/۵ فرض می گردد. به همین ترتیب، بدون داده غلظت sBOD برای خروجی اولیه تزریق شده به سامانه RBC، یک نسبت sBOD/BOD در حد ۰/۵ تا ۰/۷۵ قابل فرض است. به دلیل اینکه طراحی sBOD است، سرعت بارگذاری آلی واحد محلول اولین مرحله RBC، برای تعیین مساحت صفحه اولین مرحله باشد و غلظت BOD خروجی از معدله ۱، بایستی مساوی یا کمتر از ۱۵-۱۲ sBOD/m^۲.d باشد. دستورالعمل های محاسباتی برای اندازه یابی یک سامانه RBC جهت زدایش BOD که در جدول ۲ خلاصه شده است.

جدول ۲ – دستورالعمل محاسباتی برای طراحی یک فرآیند تماس دهنده بیولوژیکی چرخشی (RBC)

توجه: g/m^۳.d × ۰/۰۶۲۴ = Ib / 10^۳ ft^۳.d

نیترات سازی

سامانه های تصفیه ای که واحدهای RBC را به کار می برند، می تواند برای توسعه نیتره کردن زیست توده ها برای نیترات سازی خروجی های ثانویه در بارهای پایی sBOD ، جایی که نیترات سازی می تواند برای سامانه های زدایش BOD رخ دهد، مورد استفاده واقع شوند. برای سومین نیترات سازی همین دستورالعمل جهت طراحی صافی های چکه ای، دنبال می شوند. مقدار ۱/۵g N/m^۲.d r_n.max بر اساس نتایج آزمون میدانی مورد توصیه است (۱۹۸۴ , US.EPA). برای زدایش BOD ترکیبی و نیترات سازی، از نیترات سازی ممانعت شده و یا با افزودن sBOD به واحد RBC ، از آن جلوگیری می گردد. باکتری های نیتره کننده می توانند برای فضای روی صفحه RBC، یک بار که غلظت sBOD  به ۱۰ تا ۱۵mg/L کاهش یابد، رقابت نمایند. غلظت sBOD باقیمانده در مخزن RBC به بار مربوط خواهد شد. پانو و میدل بروکز (۱۹۸۳)، رابطه ای جهت نشان دادن تأثیر بار sBOD ، روی سرعت های نیترات سازی، ارائه نمودند:

معادله ۲

که در آن:

F_m: جزئی از سرعت نیترات سازی ممکن بدون تأثیر sBOD

sBOD: بارگذاری BOD محلول، برحسب g/m^۲.d

خواهد بود.

در سرعت بارگذاری sBOD معادل ۱۰g BOD/m^۲.d ، پیشگویی می شود که سرعت نیترات سازی صفر می شود.

مشخصات منبع مورد استفاده:

[restrict level=1]
نام کتاب: مهندسی فاضلاب تصفیه و استفاده مجدد (جلد سوم)

مؤلف: شرکت متکف و ادی

مترجم: مهندس محمدرضا نفری

ناشر: انتشارات انجمن خوردگی ایران

ویرایش: چهارم

نوبت چاپ: اول

تاریخ نشر: تابستان ۱۳۸۹

صفحات مورد استفاده: ۱۶۶۸ تا ۱۶۸۳ (فصل نهم)

[/restrict]