فرآیند تصفیه به کمک لجن فعال

فرآیند تصفیه به کمک لجن فعال

این فرآیند را آردن و لاکت در سال 1914 در انگلستان ابداع نمودند. در روش تصفیه به کمک لجن فعال، فاضلاب را وارد استخرهایی نموده و بطور مصنوعی هوا را در مجاورت آن قرار می دهند تا اکسیژن آن بصورت محلول در فاضلاب درآمده و موجب زندگی و تولید مثل باکتری ها گردد.

در این نوع پکیج تصفیه فاضلاب، فاضلاب پس از دریافت اکسیژن در استخرهای هوادهی و کاهش میزان اکسیژن خواهی بیوشیمیایی آن، وارد استخرهای ته نشینی شده و ذرات معلق که باکتری های هوازی روی آنها قرار گرفته اند، با هم لخته هایی را تشکیل داده و بنام لجن فعال در استخرته نشینی نهایی ته نشینی می شوند. برای افزایش بازده استخرهای هوادهی، قسمتی از این لجن فعال ته نشین شده را دوباره همراه فاضلاب خام وارد استخر هوادهی می سازند و لذا این روش بنام لجن فعال نامیده می شود.

آشنایی با روش تصفیه به کمک لجن فعال

محل ورود لجن برگشتی و مقدار آن از جمله عواملی هستند که در بازده استخرهای هوادهی نقش بسزایی دارند. وارد نمودن هوا در استخرهای هوادهی به دو منظور انجام می گیرد. نخست رساندن اکسیژن به باکتریها و دوم شناور نگهداشتن لخته های نگهدارنده باکتری ها.

انواع مختلف فرآیند لجن فعال با توجه به تقاط کاربرد هوا، زمان ماند، شکل رآکتور و روشهای وارد کردن هوا به شرح زیر می باشد:

الف) روش هوادهی گسترده

این روش مبتنی بر بارگذاری کم در استخرهای هوادهی می باشد. این میزان بارگذاری موجب می شود که باکتریها با اکسیژن فراوان و مواد غذایی نسبتا کمتری مواجه شده و لذا مواد آلی موجود در فاضلاب را بصورت کاملتری مورد استفاده قرار دهند.

ب) روش هوادهی متعارف

ج) روش هوادهی تدریجی

در این روش شدت هوادهی به فاضلاب را در طول استخر به تدریج کاهش می دهند.

د) روش هوادهی چند مرحله ای

در این حالت مقدار هوادهی در طول استخر ثابت، ولی فاضلاب به تدریج وارد استخر می شود. به طوریکه در مراحل مختلف با ورود فاضلاب خام، کاهش نیاز فاضلاب قبلی به اکسیژن جبران می شود.

ه) روش هوادهی مکرر

در این روش پس از هوادهی و ته نشینی، فاضلاب را دوباره به استخر هوادهی بعدی هدایت و هوادهی را تکرار می کنند و سپس مجددا وارد استخر ته نشینی دیگری می نمایند.

و) روش هوادهی به لجن برگشتی

در این روش برای مؤثر نمودن کارکرد لجن برگشتی، پس از برداشت از استخر ته نشینی نهایی، نخست آنرا هوادهی کرده و سپس با فاضلاب خام در می آمیزند.

ز) روش هوادهی پربار

بررسی حذف بیولوژیکی دترجنت آنیونی توسط سیستم لجن فعال

کارخانه جفرسون ویل دومین کارخانه بزرگ از چهار کارخانه داخلی شرکت کلگیت پالمولیو می باشد. تولیدات این کارخانه مشتمل بر انواع صابونهای صنعتی و بهداشتی بنام پالمولیو، ول بیوتی بار، شوینده های مختلف، تمیز کننده ها، گلیسیرین و یک خط کامل تولید مواد آرایشی بود. این کارخانه باعث تولید فاضلابی می شد که وارد رودخانه اوهایو می شد. ورود این فاضلاب به داخل رودخانه باعث بوجود آمدن لکه عظیمی از کف در محل خروجی فاضلاب کارخانه شده بود. این امر همچنین باعث مسمومیت تعداد بیشماری ماهی و آبزیان گوناگون رودخانه گردیده بود. گزارش این واقعه به همراه گزارشی از تصفیه خانه فاضلاب بزرگ شهر مبنی بر ایجاد مشکلاتی که در اثر تخلیه این فاضلاب در سیستم آن بوجود آمده بود، عموم مردم را با مسائل و مشکلات بوجود آمده توسط کارخانه مزبور واقف ساخت و بعد از آن سازمان حفاظت محیط زیست منطقه را بر آن داشت که کارخانه مزبور را به ساخت تصفیه خانه ای به منظور تصفیه فاضلاب خود ملزم سازد.

تصفیه خانه ای که در این کارخانه احداث و بهره برداری شد، یک سیستم لجن فعال از نوع هوادهی گسترده بود و مشخصات و واحدهای مختلف این تصفیه خانه و همچنین شرایط عملیاتی آن بصورت زیر بوده است:

1- ایستگاه پمپاژ به منظور پمپاژ فاضلاب جمع آوری شده به حوضچه متعادل سازی.

2- حوضچه متعادل سازی به ظرفیت 420000 گالن.

3- حوضچه هوادهی به ظرفیت 560000 گالن و زمان ماند 20 ساعت.

4- حوضچه ته نشینی ثانویه به ظرفیت 72000 گالن.

5- نوع فرآیند تصفیه، لجن فعال از نوع هوادهی گسترده و منبع مورد استفاده برای جبران کمبود نیتروژن، اوره بوده است.

6- اکسیژن محلول حداقل برابر 5/0 میلی گرم بر لیتر بوده است.

7- حداکثر مقدار آلکیل بنزن سولفانات خطی ورودی برابر 260 میلی گرم بر لیتر و حداقل آن برابر 10 میلی گرم بر لیتر بوده است.

از آنجا که راه اندازی این سیستم در فصول پائیز و زمستان که متوسط درجه حرارت در حوضچه هوادهی در این مدت 15- 10 درجه سانتیگراد بوده است، باعث کم شدن فعالیت باکتریها گردید، بطوریکه باعث تجمع مواد فعال سطحی در حوضچه هوادهی شد و غلظت آن در حوضچه به 450 میلی گرم بر لیتر افزایش یافت و سیستم فعالیت خود را از دست داد. بعد از پی بردن به علت این مشکل، لجن برگشتی از حوض ته نشینی ثانویه توسط بخار حاصل از دیگ بخار، گرم شد و بدین ترتیب درجه حرارت حوض هوادهی به 20 درجه سانتیگراد رسید و سیستم کم کم شروع به فعالیت نمود.

در بهره برداری از تصفیه خانه مزبور، اشاره نشده است که چه مقدار از مواد فعال سطحی در اثر هوادهی بصورت کف در سطح حوضچه های هوادهی تجمع می یابند. از طرفی مشکل تولید انبوه کف، فرآیند تصفیه و بهره برداری از تصفیه خانه را با مشکل مواجه ساخته بود. بطوریکه این مشکل به یک معضل تبدیل شده بود. جهت کاهش مشکل تولید کف، جریان باد از یک طرف حوض هوادهی بطرف دیگر آن برقرار شد و بدین ترتیب تجمع کف در سطح حوض کاهش یافت.

لازم به ذکر است که سورفاکتانهای غیر یونی و کاتیونی نیز تحت شرایط لجن فعال تا حدی متلاشی می گردند.

جذب سطحی

در حالت کلی، جذب سطحی روش جمع آوری مواد قابل حلی است که در یک سطح مشترک مناسب، بصورت محلول قرار دارند. این سطح مشترک می تواند بین مایع و یک گاز، یک جامد یا مایع دیگر باشد. اگر چه در واحد شناورسازی، عمل جذب سطحی در فصل مشترک هوا- مایع مورد استفاده قرار می گیرد، ولی در این مبحث حالت جذب فقط در سطح مایع – جامد مورد بحث قرار خواهد گرفت.

بیشتر فاضلابهای صنعتی محتوی مواد آلی ئی هستند که مقاوم و سرسخت بوده و حذف آنها از طریق فرآیندهای مرسوم تصفیه زیستی، دشوار یا غیر ممکن است. نمونه ای از این گونه مواد آلکیل بنزنهای سولفونانه می باشد. این مواد می توانند از طریق جذب آنها روی یک سطح جامد فعال گرفته شوند. معمولترین ماده جاذب مورد استفاده، کربن فعال می باشد. البته راههای دیگری نیز برای تصفیه مواد مقاوم به روشهای زیستی وجود دارند که عبارتند از: اسمز معکوس، انجماد، اکسیداسیون شیمیایی، تقطیر و جذب روی خاکهای معدنی.

اقتصادی بودن روشهای اسمز معکوس،منجمد سازی، و تقطیر هنوز ثابت نشده است و توسعه آنها هنوز تکامل نیافته است. بنابراین جذب سطحی روی کربن و خاکهای معدنی بهترین روشها می باشند و در این بین کربن فعال بدلیل قابلیت جذب فراوان و قابلیت احیاء نمودن مجدد، از نظر اقتصادی روش خوبی به شمار می رود.

برای انجام آزمایش جذب و تعیین ایزوترم مؤافق با فاضلاب، از یک نوع کربن فعال پودری استفاده می شود. در این بررسی، از آنجا که بمنظور تصفیه فاضلابهای حاوی مواد شوینده، ناگزیر از کاربرد فرآیندهای تصفیه شیمیایی ( انعقاد و لخته سازی ) استفاده می شود، لذا فاضلابی که بدین منظور انتنخاب شد، فاضلابی بود که پس از عمل انعقاد با کلرید فریک حاصل شده بود. در این روش ابتدا 500 میلی گرم بر لیتر کربن برای دوره های زمانی گوناگون با فاضلاب مخلوط می شود و درجه جذب در فاصله زمانی انتخاب شده تعیین می گردد. در مطالعات و آزمایشات بعدی باید زمان اختلاط کافی برای رسیدن به تعادل بالای 90 درصدی یا بیشتر بکار گرفته شود. معمولا یک زمان تماس دو ساعته برای رسیدن به تعادل بالای 90 درصد کافی است و اولین آزمایش باید زمان تماس 24 ساعته داشته باشد.

اگر میزان تعادل پس از 2 ساعت بیشتر از 90 درصد 24 ساعته باشد، آزمایش 2 ساعته را می توان بکار برد. سپس مقادیر گوناگون کربن برای فواصل زمانی انتخاب شده با فاضلاب مخلوط می شود و پس از آن کربن توسط صافی گرفته می شود و غلظت باقیمانده در محلول اندازه گیری می شود و در نهایت این داده ها و اطلاعات مطابق با ایزوترمهای مورد نظر ترسیم می گردد.

نتایج نشان داده اند که زمان 2 ساعته برای رسیدن به میزان جذب بالای 90 درصد کافی است. پس از حصول این نتیجه مقادیر گوناگون کربن فعال به محلولها افزوده شده و به مدت 2 ساعت، توسط همزن مخلوط شده وسپس محلولهای مورد نظر از صافی اندازه گیری می شوند. لازم به یادآوری است که دمای نمونه ها در طول آزمایش ثابت و برابر 5/23 درجه سانتیگراد می باشد.

تولید کربن فعال

کربن فعال از مواد گوناگونی که محتوی چوب، لیگنین، ذغال بیتومینوس و باقیمانده های نفتی باشند، ساخته می شود. این عمل با گرم کردن مواد تا حدی گداختگی برای رهایی هیدروکربن ها و با تغذیه میزان ناکافی هوا برای ادامه عمل احتراق صورت می پذیرد. سپس ذرات ذغال برای فعال شدن در دمای بالا در معرض یک گاز اکسید کننده قرار می گیرند. این گاز در ساختمان ذغال تولید منافذی کرده و در نتیجه یک سطح داخلی بزرگ تولید می نماید. معمولا طبقه بندی کربن فعال به دو صورت پودر و دانه می باشد. کربنهای گرانولی از مواد آلی ذغال بیتومینوس یا لیگنیت ساخته می شوند که برای تصفیه فاضلاب در حد وسیعی بکار برده می شوند.

بررسی جذب سطحی توسط کربن فعال

یک سطح جامد در تماس با یک محلول، به سبب غیر بالانس بودن نیروهای سطحی به انباشته شدن یک لایه سطحی از مولکولهای محلول منجر می شود. اگر پیوند های موجود بین ماده جذب شده و جاذب بسیار قوی باشد، واکنش برگشت ناپذیر بوده و گفته می شود که عمل جذب سطحی شیمیایی صورت گرفته است.

از سوی دیگر،اگر پیوندهای موجود بسیار ضعیف بوده و مشابه پیوندهایی باشند که توسط نیروهای واندروالسی تشکیل می شوند، گفته می شود که عمل جذب سطحی فیزیکی صورت گرفته است. جذب فیزیکی از انقباض مولکولی در منافذ ریز جامد نتیجه می شود. عموما مواد دارای بیشترین وزن مولکولی، قابل جذب ترین مواد هستند.

میزان جذب از طریق نرخ انتشار و نفوذ مولکولهای محلول به داخل منافذ ریز ذرات کربن کنترل می شود. این منافذ با افزایش غلظت محلول زیاد می شود و با زیاد شدن دما، افزایش می یابد.

ظرفیت جذبی کربن برای یک محلول به هر دو عامل کربن و محلول بستگی دارد. زنجیره های شاخه ای بیشتر قابل جذب هستند. زیاد بودن طول زنجیر، حلالیت آنرا کاهش می دهد که در نتیجه به افزایش میزان جذب منجر می شود. سرعت جذب مواد فعال کننده ( شوینده ها ) با کاهش PH افزایش می یابد.

تحقیقات انجام شده در خصوص جذب سطحی مواد شوینده

در تحقیقی که توسط بل در سال 1973 انجام گرفت، سینتیک جذب سطحی مواد آلی بوسیله کربن با استفاده از رآکتورهای کاملا مخلوط و غیر پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. موادی که برای آزمایش و بدست آوردن مدل انتخاب گردید، گروهی با  جرم مولکولی متوسط، LABS برابر جرم مولکولی دودسیل بنزن بود.

جذب سطحی در سیستم غیر پیوسته در ظروف یک لیتری که دائما به هم زده می شود، انجام گرفت.محلولهای حاوی مواد شوینده کاملا یکنواخت شده و مقدار مشخصی کربن به آن افزوده می شود. در زمانهای مختلف، نمونه آزمایشی برداشته شده و غلظت ماده جذب شونده اندازه گرفته می شود. در سیستمهای جریان دار نیز سینتیک جذب بررسی گردیده است. تمام آزمایشات در دمای آزمایشگاه با نوسان حدود 2 درجه سانتیگراد انجام شده است و نتایج این بررسی به قرار زیر است:

1-مدل جذب فرض شده، فرآیند جذب بر حسب زمان را در سیستمهایی که انتقال درون ذره ای اولیه اعمال می شود، بصورت خطی پیش بینی می کند.

2-دلیل متفاوت بودن این مدل با مدل غیر خطی دیگران ( گامتلت و پاکهام ) طبیعت سیستم غیر پیوسته تشخیص داده شده است و این مطالب، غیرخطی بودن مدل مورد استفاده در پروژه را تأیید می کند.

مدل فرض شده بر طبق سینتیک جذب توسط کربن فعال از محلول مایع با توجه به تعادل جذب – دفع بدست آمده است که شامل موارد زیر است:

الف) نفوذ ماده جذب شونده از لایه فیلم.

ب) جذب بر روی سطح خارجی فعال و پر شدن همزمان حفره های بزرگ.

ج) مهاجرت ماده جذب شونده از حفره های بزرگ به حفره های میانی.

د) پر شدن حجم حفره های میانی و انتقال به حفره های کوچک.

ه) پر شدن حفره های کوچک و جذب نهایی.

سینتیک غیرخطی جذب سطحی در سیستم غیر پیوسته، بر اثر کاهش غلظت ماده جذب شونده در رآکتور است و خاصیتی از فرآیند جذب نیست.

برای مشاهده ادامه مقاله تصفیه به کمک لجن فعال می توانید مقاله تجزیه شوینده موجود در آب آلوده به کمک اشعه فرابنفش را مشاهده نمائید.