فرایندهای تصفیه فاضلاب صنعتی به روش ‌هوازی

فرایندهای تصفیه فاضلاب صنعتی به روش هوازی

 

1.فرایندهای هوازی با رشد چسبیده

   1.1.ديسک بيولوژيكی دوار

در این سیستم از دیسک‌هایی از جنس پلی‌استایرن یا پلی‌اتیلن استفاده می‌شود. این دیسک‌ها روی یک شفت قرار گرفته و در داخل حوضچه حاوی فاضلاب می‌چرخند. حدود 40-35 درصد از دیسک بیولوژیکی دوار همیشه در داخل جریان فاضلاب قرار می‌گیرد. قطر دیسک‌ها معمولاً حدود 12 فوت (7/3 متر) و طول آن‌ها 25 فوت (6/7 متر) است. هر شفت باید بتواند سطح تماس حدود 9290 متر مربع ( 100000 فوت مربع) ایجاد نماید. سطح پلاستیکی مذکور شرایطی را بوجود می‌آورند که میکروارگانیسم‌ها قادرند خود را به آن چسبانده و رشد کنند. چرخش دیسک‌ها به کندی صورت گرفته و پس از گذشت چند روز فیلم میکروبی به ضخامت حدود 2 تا 4 میلیمتر بر روی دیسک‌ها تشکیل می‌شود. تصفیه فاضلاب بیشتر توسط این لایه ثابت بیولوژیکی صورت می‌گیرد. میکروارگانیسم‌های تشکیل شده که بسته به نوع فاضلاب ممکن است متفاوت باشند، روی دیسک‌ها بصورت فعال مواد آلی را جذب و تجزیه می‌نمایند. چرخش دیسک‌ها سبب تماس این فیلم میکروبی با فاضلاب و تصفیه و کاهش مواد آلی و همچنین تماس با هوا می‌گردد. میکروارگانیسم‌های اضافی که قبلاً رشد کرده و در لایه‌های زیرین قرار گرفته و بی‌هوازی هستند، از بین رفته و در اثر گردش دیسک‌ها کنده شده و این فیلم بیولوژیکی در اثر نیروی ثقل در ته حوضچه ته‌نشین می‌شود. عمل اختلاط در اثر چرخش دیسک‌ها قسمتی از این فیلم را در مایع به صورت معلق نگه می‌دارد تا اینکه همراه با جریان فاضلاب تصفیه شده از سیستم خارج شده و در نهایت در حوضچه ته‌نشینی ثانویه رسوب کند. فضای بین دیسک‌ها محیطی برای پخش فاضلاب و جریان هوا بین دیسکها می باشد. جرم میکروبی در این سیستم ، به طور همزمان روی دیسکها بصورت فیلم و در فاضلاب، بصورت معلق وجود دارند. زمانیکه سرعت چرخش دیسکها کم است ، جرم میکروبی موجود و معلق در فاضلاب خیلی ناچیزتر از جرم میکروبی موجود روی دیسکها است، بطوری که میتوان از جرم میکروبی موجود در بخش معلق در مقابل جرم میکروبی موجود روی دیسکها صرف نظر کرد. معمولا سیستم RBC شامل 2 تا 4 مرحله است که به صورت سری به هم مرتبط می باشند که این امر باعث بهبود راندمان حذف مواد آلی و تبدیل آمونیاک به نیترات خواهد شد.

مزایا و معایب دیسکهای بیولوژیکی دوار:

مزایای این سیستم ها مشابه مزایای فیلتر چکنده است. در سیستم فیلتر چکنده، فاضلاب از داخل بیومس عبور می کند در حالیکه در این سیستم ها این بیومس است که از داخل فاضلاب می گذرد. در نتیجه مراقبت نمودن از خیس شدن به حد کافی میکروارگانیسم ها بدون توجه به سرعت جریان ورودی در سیستم موجب کاهش و یا عدم نیاز به جریان برگشتی می شود.بعلاوه شدت برخورد بین بیومس و فاضلاب می تواند با تنظیم سرعت چرخش دیسک ها تغییر نماید و این عمل اجازه کنترل ضخامت فیلم میکروبی را بطور مستقیم می دهد. همچنین این تنظیم سرعت چرخش ، سرعت انتقال اکسیژن را نیز تغییر می دهد و این امر برای تأمین هوادهی مورد نیاز سودمند است. شاید بزرگترین مزیت دیسکهای بیولوژیکی دوار، کمی قدرت مورد نیاز آن می باشد. چون دیسکها شناور هستند، اصطکاک ضعیفی را بر شفت حامل خود تحمیل می کنند . به آن تعبیر که بزرگترین انرژی مورد نیاز در این سیستم ها، غلبه بر نیروی دراگ است که از طرف مایع بر دیسکها وارد می شود. در نتیجه انرژی مورد نیاز برای راهبری دیسکهای بیولوژیکی دوار ، درست معادل انرژی مورد نیاز راهبری لجن فعال است. در ضمن برای بررسی انرژی مورد نیاز هر سیستم باید کل انرژی مورد نیاز مورد بررسی قرار گیرد که شامل هضم لجن نیز می باشد. همچون فیلتر چکنده می توان ادعا کرد که در اغلب موارد این سیستم نسبت به شوک دبی بهتر عمل می کند و یا پاسخ سیستم به حالات سخت بهتر است.

بزرگترین معایب دیسکهای بیولوژیکی دوار عبارتند از:

فقدان ظرفیت ذخیره و فقدان کنترلهای عملیاتی و اینکه انتقال اکسیژن ناشی از چرخش دیسکها برای بارهای آلودگی زیاد محدودیت دارد.

   2.1. راكتور بی هوازی دارای بستر لجن و جريان رو به بالا (UASB)

این راكتور برای اولین بار در سال 1971 در دانشكده كشاورزی واخنینگن هلند ساخته شده و در سال 1980 توسط دانشمندی به نام Lettinga معرفی شد. این فرایند بی‌هوازی شامل مخزنی است كه جریان فاضلاب از كف مخزن به سمت بالا حركت می‌كند و در حین حركت به بالا از میان بستر بیولوژیكی، ( پد لجن یا لجن گرانولی) عبور می‌كند كه این امر باعث كاهش مواد بیولوژیكی فاضلاب می‌گردد. گازهای حاصل از تصفیه بی‌هوازی به طرف بالا حركت نموده و باعث اختلاط محتویات راكتور می‌شوند و در اثر آن، فاضلاب در وضع بهتری با لجن تماس حاصل می‌نمایند. گاز تولید شده از قسمت بالای راكتور جمع‌آوری می‌گردد.

مشخصات ویژه راكتور UASB عبارتند از:

  • - چسبندگی و قدرت ته نشینی زیاد بستر بیولوژیكی
  • - اختلاط محتویات راكتور از طریق گاز تولیدی
  • - جمع‌آوری گاز تولیدی توسط جدا كننده‌های گاز و امكان حصول انرژی از آن
  • - این راكتور در بارگذاری بالا بین 4015kg COD/m3. Day و زمان ماند هیدولیکی 8-3 ساعت در مطالعات نیمه صنعتی راندمان مناسب داشته است. در بارگذاری‌های بالا این زمان تا 3 روز هم می‌رسد. بدلیل زمان ماند كوتاه در این راكتورها، پساب‌هایی با غلظت COD بالا و مواد معلق كم راندمان بهتری برای تصفیه دارند، زیرا زمان برای تجزیه مواد معلق كافی نیست و لذا اگر غلظت مواد معلق فاضلاب ورودی بیشتر از 20-10 درصد غلظت COD باشد، در نظر گرفتن واحدهایی نظیر آشغالگیر ، دانه‌گیر حوض ته‌نشینی و ... قبل از راكتور برای پساب‌ها با مواد معلق بالا ضروری است.
  • - علت تشكیل لجن گرانولی (بستر بیولوژیكی) در راكتور، خاصیت چسبندگی زیاد باكتری‌های بی‌هوازی است.
  • - بدلیل حساسیت این راكتورها به شرایط PH، دما و تغییرات دبی، وجود حوضچه یكنواخت‌سازی (متعادل‌ساز) ضروری است. در تنظیم PH بین 67 از موادی چون سود و اسیدكلریدریك استفاده می‌گردد. دبی ورودی به راكتور باید یكنواخت باشد تا تغییرات عمده‌ای در گازهای متان تولیدی به وجود نیاید.

 

مشخصات فیزیكی:

  • - بدنه راكتورها از جنس بتن یا فولاد با پوشش‌های ضدخوردگی با مقطع مربع و دایره ای به ارتفاع بین 4 تا 6 متر ساخته می‌شود.
  • - در مواردی که حجم واحد راكتور بیش از 400 مترمكعب بود، از دو واحد استفاده گردد.
  • - توصیه می‌گردد تا حد امكان از پمپاژ برای ورود فاضلاب به داخل راكتور استفاده نگردد.
  • - سرعت جریان فاضلاب از نازل‌ها برای حفظ بستر بیولوژیكی 6 متر در ثانیه پیشنهاد شده است.

 

جداكننده های گاز و ناخالصی ها:

  • - گازهای تولیدی در محل جدا كننده فازهای جامد، مایع، گاز در بالای راكتور جمع‌آوری می‌شود.
  • - در محل خروج گاز برای خروج كف از سرریزها استفاده می‌شود.
  • - بر روی لوله خروجی گاز نیاز به شیر فشار و خلاء و مشعل جهت سوزاندن است.
  • - عموما از تبدیل هر كیلو COD حدود 350 لیتر گاز متان حاصل می‌گردد.
  • - وجود ذرات مناسب برای شروع كار و تماس باكتری ها - غلظت استات ورودی زیر 1000mg/L نگه داشته شود.
  • - وقتی راندمان حذف COD از 80 درصد تجاوز كرد، میزان بارگذاری به طور تدریجی افزایش یابد و راندمان از 50% كمتر نشود.
  • - در ابتدای راه‌اندازی، غلظت COD ورودی در محدوده 500 1000mg/L مناسب است و در غلظت‌های بالاتر واگردانی جریان انجام گیرد.
  • - دمای مطلوب 38-40 درجه سانتی گراد، pH بالاتر از 6/2، وجود نوترینت‌های ضروری، عناصر كمیاب و فقدان تركیبات سمی در غلظت بازدارنده
  • - وجود كلسیم و منیزیم (حداکثر 200mg/L) به قابلیت ته‌نشینی لجن كمك می‌كند.
  • - در حضور غلظت بالای پروتئین‌ها در فاضلاب، pH بالاتر از 6/5 نگه داشته شود و برای تجزیه كامل پروتئین‌ها مراقبت به عمل بیاید.
  • - برای حفظ پوشش لجن در حالت تعلیق و حذف لجن حجیم (لجن با ته‌نشینی ضعیف)، سرعت جریان رو به بالا 0/9-0/6 حفظ شود.

 

از مزايای روش راكتور بی هوازی دارای بستر لجن و جريان رو به بالا (UASB) می‌توان به مورد زير اشاره نمود:

  • - راندمان مناسب در تصفیه فاضلاب‌هایی با بار آلی بالا (COD=1500-50000 mg/L)
  • - تولید مقدار لجن پایین
  • - كاهش استفاده در زمین تصفیه‌خانه (بارگذاری UASB حدودا 10 برابر روش‌های تصفیه هوازی است).
  • - این روش مولد انرژی قابل مصرف به شكل 75% متان است.
  • - فرایند این روش نیاز به انرژی بسیار كمی دارد. (انرژی بسیار زیادی در بخش هوادهی در روش‌های تصفیه هوازی مصرف می‌شود.)

 

از معايب اين روش می‌توان به موارد زير اشاره نمود:

  • - راهبری دشوار برای حفظ لجن گرانولی
  • - لزوم نگهداشتن حرارت بین 30 تا 38 درجه سانتیگراد، برای ممانعت از كاهش راندمان
  • - حساسیت زیاد در برابر تغییرات pH
  • - كنترل دشوار سیستم جداكننده گاز در بهره برداری
  • - طولانی بودن راه‌اندازی فرایند جهت ایجاد بستر لجن

 

2. راكتور بی هوازی با بستر شناور (AFBR)

این راكتور حاوی دانه‌های ریزی همچون شن یا كربن فعال گرانوله است كه باكتری‌ها به آن می‌چسبند. سرعت نسبتا بالای جریان رو به بالای فاضلاب باعث بلند شدن حامل‌های بیوفیلم تا نقطه‌ای می‌شود كه نیروی منفی شناوری تقریبا برابر نیروی اصطكاک رو به بالای ناشی از آب باشد. آنگاه ارتفاع بستر شناور ثابت می‌شود. در حالت عادی قسمتی از پساب به ورودی برگشت داده می‌شود. تا سرعت رو به بالای زیاد، حتی در موقعی كه دبی فاضلاب پایین است، حفظ شود. اغلب در این راكتور پساب از میان یك بستر شنی كه رشد میكروبی روی آن انجام شده رو به بالا حركت می‌كند. در عین حال امتیاز قابل توجهی در استفاده از كربن فعال گرانوله به عنوان بستر برای تصفیه فاضلاب‌های حاوی مواد سمی ولی قابل جذب، نظیر تركیبات فنولی مشاهده شده است. مقدار خروجی كه باید برگشته و با سوبسترا مخلوط شود، بوسیله غلظت پساب و سرعت شناورسازی تعیین می‌شود. بارگذاری حجمی بسترهای شناور می‌تواند به شدت زیاد باشد و به نزدیک 100Kg COD/m3.day برسد. معمولا این راكتورها قابلیت تصفیه با بارهای آلی زیاد را ندارند.

1.2. راكتور تماس بی هوازی (AC)

در این فرایند ابتدا فاضلاب وارد یک واحد بی‌هوازی شده که دارای اختلاط مکانیکی با میکسر است. همچنین سیستم دارای یک تانک ته‌نشینی است که لجن را به واحد بی‌هوازی برگشت می‌دهد. در مرحله جداسازی به منظور حداقل کردن جامدات شناور از یک حذف کننده گاز استفاده می‌گردد.

مشکلی که به طور مستمر در این راکتور‌ها دیده می‌شود، میل جامدات بیولوژیکی برای صعود در تانک ته‌نشینی در اثر حباب‌های گاز تولید شده و بنابراین اتلاف جامدات بیولوژیکی در پساب می‌باشد که وجود یک حذف کننده گاز بین تانک اختلاط کامل و تانک ته‌نشینی می‌تواند این مشکل را حل کند. با برگشت لجن از تانک ته‌نشینی به راکتور بی‌هوازی، زمان ماند کمتر شده و پساب خروجی با کیفیت بالاتری حاصل می‌گردد. معمولا از این راکتورها برای فاضلاب‌هایی با جامدات بالا و غلظت مواد محلول آلی زیاد استفاده می‌گردد. برای راهبری این راکتورها برای فاضلاب‌هایی با جامدات بالا و غلظت مواد محلول آلی زیاد استفاده می‌گردد. برای راهبری این راکتورها دمای 32 درجه سانتی‌گراد و زمان ماند جامدات 10 روز پیشنهاد می‌گردد. البته به ازای هر 11 درجه کاهش دمای بهره‌برداری این زمان دوبرابر می‌شود.

2.2. راكتور فيلتر بی‌هوازی

این راکتورها شامل بستری از جنس پلاستیک، سنگ، میکا، زئولیت و دیگر مواد مؤثر بر رشد باکتری‌های بی‌هوازی بر روی آن هستند. جریان می‌تواند به سمت بالا یا به سمت پایین باشد. محیط فیلتر که جامدات بیولوژیکی را در خود نگه می‌دارد، می‌تواند مکانیسمی برای جداسازی جامدات و گاز تولید شده در فرایند هضم داشته باشد. مدیای مورد استفاده باید از نوع زبر و نامنظم با سطح ویژه بین 90 300m3/m2 باشد. چون باکتری‌ها بر روی این مدیا می‌مانند و با جریان خروجی شسته نمی‌شوند، دستیابی به زمان‌های ماند جامدات طولانی حتی تا 100 روز هم در این راکتورها دیده شده است که این مقادیر بالا را می‌توان با زمان‌های ماند هیدرولیکی کوتاه به دست آورد. امروزه از مدیاهایی از جنس سرامیک یا پلاستیک در شکل‌های مختلف استفاده می‌کنند که حجم فضای خالی در این مدیاها بین 95-85 درصد است. همچنین سطح ویژه بالایی را به طور نمونه 100m3/m2، فراهم می‌کنند که افزایش رشد میکروبی را در پی دارد. فیلترهای بی‌هوازی کم بار هستند و در بارگذاری آلی تا حدود 4Kg COD/m3.day راندمان خوبی دارند. دوره راه‌اندازی در این راکتورها بسته به نرخ بارگذاری آلی می‌تواند بین 3 تا 9 ماه طول بکشد. کاربرد این راکتورها در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی با نسبت COD/BOD5 پایین است. مهمترین دغدغه استفاده از این راکتورها، گرفتگی ناشی از رشد جامدات بیولوژیکی، جامدات معلق ورودی و مواد معدنی رسوب کرده می‌باشد. بنابراین فیلترهای بی‌هوازی برای فاضلاب‌هایی با میزان جامدات معلق پایین خوب کار می‌کنند.

3.2. راكتور ناپيوسته متوالی بی هوازی

امروزه راکتور ASBR، به عنوان یک فرایند رشد معلق مورد توجه قرار گرفته است. که جداسازی جامدات از مایع و مرحله واکنش در یک محفظه مشابه می‌باشد. و خیلی شبیه به SBR است. موفقیت راکتور ASBR همانند آنچه در راکتور UASB مشاهده شد، به تشکیل یک لجن گرانوله با ته‌نشینی خوب بستگی دارد.

بهره برداری از راکتور ASBR شامل چهار مرحله است:

  • - تغذیه
  • - واکنش
  • - ته نشینی
  • - تخلیه/خروج پساب

در حین واکنش، اختلاط مناسب به مدت چند دقیقه در هر ساعت انجام می‌شود تا توزیع یکنواخت جامدات و مواد آلی فراهم شود.

امکان انجام فرایند در راکتورهای آزمایشگاهی در دمای 25-5 درجه سانتی‌گراد برای تصفیه مواد آلی مصنوعی شیر خشک غیر چرب با میزان COD ورودی 600mg/L به اثبات رسیده است.

بارگذاری آلی فرایند به وسیله انتخاب زمان ماند هیدرولیکی بین 6 تا 24 ساعت تغییر داده شده بود. در دمای 25 درجه سانتی‌گراد و بار آلی حجمی 1.2 2.4Kg COD/m3.day، حذف 92 تا 98 درصد COD بدست آمد.

حذف COD در دمای 5 درجه سانتی‌گراد برای بارگذاری COD در محدوده 0.9 2.4Kg COD/m3.day به تریتب بین 75-85 درصد بود.

یک مشخصه مهم راکتور ASBR، سرعت ته‌نشینی لجن در حین دوره ته‌نشینی قبل از تخلیه پساب است. زمان ته‌نشینی مورد استفاده تقریبا 30 دقیقه است.

سرعت تولید گاز و حذف مواد آلی، دقیقا قبل از ته‌نشینی و در پایان دوره واکنش، کمتر است و شرایط بهتری را برای ته‌نشینی جامدات فراهم می‌کند.

بعد از زمان مناسب بهره‌برداری، یک لجن متراکم گرانوله توسعه پیدا میکند که مقدار جداسازی جامدات از گاز را بهبود می‌بخشد. در این فرایند، SRT در مقدار زمان ماند هیدرولیکی بین 24-6 ساعت به ترتیب 200-50 روز است.