تصفیه فاضلاب به روش USBF

مقدمه

یک فرآیند جدید تصفیه بیولوژیکی فاضلاب خانگی که این روزها در اصلاح لجن فعال ارائه شده است، فیلتراسیون لجن بالارونده (USBF) است. این فرآیند هوازی است و با استفاده از  بستر لجن در جداکننده مخزن ته نشینی عمل می کند. تمام لخته های بیولوژیکی و جامدات معلق که در حوضچه هوادهی وجود دارند از این بستر عبور می کنند. در این مقاله عملکرد یک فرآیند USBF تک مرحله ای برای ساخت پکیج تصفیه فاضلاب خانگی در مقیاس آزمایشگاهی مورد بررسی قرار میگیرد.

آشنایی با فرآیند تصفیه فاضلاب به روش USBF

راکتور بی هوازی لجن بالارونده (UASB) از زمان توسعه خود در هلند، مقبولیت گسترده ای در تصفیه فاضلاب های صنعتی پیدا کرده است. برای طیف گسترده ای از فاضلاب ها در مقیاس خانگی و صنعتی استفاده شده است. این پذیرش از سادگی، صرفه جویی و امکان بازیابی انرژی ناشی می شود. مطالعات بر روی راکتورهای UASB بسیار زیاد است. و اگرچه نتایج متناقضی مشاهده شده است، اما محققان در مورد کارایی راکتور در تصفیه فاضلاب های با مقاومت بالا تا متوسط با بستری که به راحتی قابل هیدرولیز هستند، اتفاق نظر دارند. همچنین سطح موفقیت در تصفیه فاضلاب در کشورهای گرمسیری را به ثبت رسانده است. به همان اندازه، موفقیت در آب و هوای سرد و در تصفیه فاضلاب های حاوی مواد پیچیده یا سمی ثبت نشده است. تلاش‌های بسیاری از محققان منجر به تغییرات و تغییرات بسیاری در راکتور UASB شده است که دامنه کاربرد این تأسیسات بسیار مهم را گسترش داده است. راکتورهای UASB می‌توانند برای تصفیه تقریباً هر نوع فاضلابی در صورت اصلاح مطابق با آن استفاده شوند.راکتور بی هوازی لجن بالارونده (UASB) یک جایگزین امیدوارکننده برای استفاده در پکیج های تصفیه فاضلاب خانگی است که برای غلبه بر نقاط ضعف ذاتی مخزن سپتیک معمولی طراحی شده است. در مقیاس صنعتی نیز به دلیل تولید لجن کم، امکان بازیافت انرژی، زمان نگهداری هیدرولیک پایین (HRT) و زمان نگهداری مواد جامد بالا، مقبولیت گسترده ای پیدا کرده است. این راکتور پرکاربردترین راکتور بی هوازی برای پکیج تصفیه فاضلاب صنعتی است. طبق بررسی جهانی از تاسیسات تصفیه، راکتورهای UASB 739  شصت درصد از 1229 واحد تصفیه بی هوازی را تشکیل می دادند. مشخص شد که ژاپن، آلمان، هلند، ایالات متحده آمریکا و هند به ترتیب با 162، 115، 92، 83 و 79 تاسیسات تصفیه بی هوازی، کشورهای پیشرو در تصفیه فاضلاب بی هوازی هستند. از مزایای هضم بی هوازی می توان به هزینه کم، سادگی عملیات، تولید لجن کم و تولید بیوگاز اشاره کرد. بهره برداری و نگهداری یک راکتور UASB به کمتر از 1% هزینه سرمایه آن در سال نیاز دارد.

دلایل استفاده از UASB در تصفیه فاضلاب

فرآیند UASB به هیچ پکینگ یا مواد پشتیبانی نیاز ندارد. با این حال، با استفاده از لایه لجن دانه ای فعال و قابل ته نشینی بالا، راندمان حذف SS  بالا و نیاز شیمیایی اکسیژن (COD) را به دست می آورد. برخلاف اکثر واحدهای تصفیه دیگر، راکتور UASB به جای جریان افقی معمولی جریان عمودی دارد. این نوع عملیات تماس بین لجن انباشته شده بی هوازی و فاضلاب ورودی را بهبود می بخشد که به نوبه خود حذف جامدات معلق را به دلیل به دام افتادن جامدات و ذرات آلی زیست تخریب پذیر بی هوازی محلول توسط بستر لجن بهبود می بخشد. یک جداکننده سه فاز (گاز، جامد و مایع) در نزدیکی بالای راکتور، جداسازی موثر بیوگاز تولید شده در راکتور را فراهم می کند و همچنین لجن پراکنده شده را به بستر لجن برمی گرداند. حرکت رو به بالا محصولات گازی هضم بی هوازی باعث ایجاد تلاطم کافی برای حفظ محتوای راکتور در حالت سیال می شود. اگرچه هیچ اختلاط خارجی اعمال نمی شود، تلاطم ایجاد شده توسط حرکت رو به بالا گازها باعث می شود راکتور UASB به یک راکتور جریان کاملا مخلوط نزدیک شود. با این حال، این لزوماً در مورد راکتورهای UASB که فاضلاب های کم مقاومت را تصفیه می کنند صدق نمی کند. از این رو، اختلاط داخلی ممکن است در راکتورهایی که فاضلاب را در دمای پایین (<20 درجه سانتیگراد) کار می کنند، بهینه نباشد، تا حدی به دلیل ویسکوزیته مایع بالا در چنین دماهایی و تولید بیوگاز ضعیف مشاهده کرد که راکتورهای UASB که فاضلاب شهری را در دمای بین 20 تا 30 درجه سانتیگراد تصفیه می کنند را می توان راکتورهای کاملاً مخلوط با اختلاط آهسته اضافی فرض کرد. در حالی که آنهایی که در دمای بسیار پایین تر کار می کنند تمایل دارند هیدرولیک جریان پلاگین داشته باشند. مشکلات عملیاتی مربوط به اختلاط ضعیف نیز می تواند در مراحل اولیه بهره برداری از راکتورهای UASB به دلیل تولید ناکافی گاز رخ دهد.

فعالیت باکتری در راکتور USAB

کارایی یک راکتور UASB تا حد زیادی به سلامت و فعالیت جمعیت میکروبی در راکتور بستگی دارد. تثبیت بی هوازی مواد آلی در یک راکتور UASB برای تشکیل متان یک فرآیند ظریف و پیچیده است که شامل باکتری های هیدرولیتیک، اسید زا، استوژن و متانوژن می باشد. هیدرولیز یک مرحله محدود کننده سرعت است که می تواند با پیش تیمارهای مکانیکی، شیمیایی و حرارتی و ازن زنی بهبود یابد. هیدرولیز یک فرآیند وابسته به دما است که در دماهای ترموفیل مورد علاقه است. در حالی که اسیدی شدن به pH وابسته است، در pH بهینه 6 و دماهای مزوفیل بین 34 تا 36 درجه سانتیگراد مورد علاقه است. شرایطی مانند HRT کوتاه و pH پایین که برای رشد اسیدوژن ها مطلوب است، برای متانوژن ها مهار می شوند. این مشاهدات برای دما صدق نمی کند، زیرا همچنین مشخص شده است که فعالیت باکتری های اسید زا و متانوژن در شرایط گرمادوست (55 درجه سانتیگراد) به ترتیب حدود 1.8 و 1.6 برابر با شرایط مزوفیل (36 درجه سانتیگراد) است. همچنین هضم ترموفیل دارای مزایای زمان ماند کمتر، نرخ ضد عفونی بالاتر پاتوژن ها و ویسکوزیته کمتر است. با این حال، هزینه نگهداری راکتورهای UASB در دماهای ترموفیل باید در مقابل راندمان اضافی راکتور سنجیده شود.

کاربرد روش تصفیه فاضلاب به روش USBF در صنایع

• آبجوسازی و صنعت نوشیدنی
• صنعت تقطیر و تخمیر
• صنایع غذایی
• خمیر و کاغذ.

مزایا استفاده از روش تصفیه فاضلاب به روش USBF

• در طی فرآیند تصفیه مقداری انرژی بیوگاز با ارزش تولید می شود که می تواند برای استفاده های دیگر جمع آوری شود.
• ضایعات جامد زیستی بسیار کمتری در مقایسه با فرآیند هوازی تولید می‌شود، زیرا بیشتر انرژی موجود در فاضلاب به شکل گازی تبدیل می‌شود و در نتیجه انرژی بسیار کمی برای رشد سلول‌های جدید باقی می‌ماند.
• نیاز به انرژی کم برای فرآیند تصفیه
• مواد مغذی مورد نیاز کمتر
• سیستم می تواند برای مدت طولانی بدون خرابی جدی خاموش شود
• می تواند بارهای شوک آلی را به طور موثر اداره کند.

معایب استفاده از روش تصفیه فاضلاب به روش USBF

• تصفیه بی هوازی نمی تواند کیفیت تخلیه آب های سطحی را بدون تصفیه ثانیویه به دست آورد.
• ترکیبات گوگرد کاهش یافته تولید می شوند که باید از نظر خوردگی، بو و ایمنی به درستی مورد توجه قرار گیرند.
• دوره راه اندازی طولانی تر
• یک محدوده دمایی مناسب برای فرآیند بی هوازی (15 تا 35 درجه سانتیگراد) مورد نیاز است، بنابراین در برخی کشورها در فصول سرد قابل اجرا نیست.
• برخی تجهیزات (مانند pH متر، دماسنج و غیره) و کارکنان حرفه ای برای نظارت بر وضعیت داخلی راکتور ضروری است.
• هزینه عملیاتی بالا

نتیجه گیری

راکتورهای UASB با موفقیت در طیف گسترده ای از فاضلاب ها در مقیاس خانگی و صنعتی به کار گرفته شده اند. راندمان بالای راکتورهای UASB می تواند به اطمینان حاصل شود که کیفیت پساب با استانداردهای تعیین شده برای تخلیه پساب مطابقت دارد. کارایی راکتورهای UASB تا حد زیادی به فعالیت میکروارگانیسم های دخیل در هضم بی هوازی زباله ها بستگی دارد. تشکیل اولیه گرانول ها مدت زمان لازم برای راه اندازی راکتورهای UASB را کوتاه می کند. با این حال، تشکیل گرانول های بسیار بزرگ باعث کاهش راندمان طولانی مدت راکتور می شود. HRT های طولانی لزوماً به عملکرد بهتر راکتور تبدیل نمی شوند زیرا این می تواند منجر به گرسنگی جمعیت میکروبی شود و در نتیجه شکار را ضروری کند. علاوه بر این، با افزایش HRT، زمان مورد نیاز برای حذف واحد اضافی COD افزایش می‌یابد و هزینه عملیات نیز افزایش می‌یابد. HRT یک راکتور UASB باید به گونه ای انتخاب شود که تعادلی بین در دسترس بودن سوبسترا و مصرف بستر توسط میکروارگانیسم ها برقرار شود. راکتورهای UASB با سرعت بالا معمولاً با استفاده از مواد یا پیکربندی راکتورهایی به دست می‌آیند که بر پارامترهای عملیاتی کلیدی مانند pH، ویژگی‌های لجن، دانه‌بندی، تولید VFA و تولید بیوگاز تأثیر می‌گذارند. مقدار و ترکیب بیوگاز تولید شده در راکتور UASB به شرایط عملیاتی بستگی دارد. بیوگاز تولید شده در طی هضم بی هوازی در راکتورهای UASB دارای پتانسیل عظیم انرژی تجدیدپذیر است.