تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال و بررسی پارامترهای موثر در کنترل آن

لجن فعال چیست؟

فرآيند لجن فعال يكي از روشهای زیستی هوازی برای تصفيه فاضلاب است که بیش از یک قرن است به این منظور استفاده می شود. این روش، روش ساده اي است که توسط باکتري ها (در غلظت­هاي بالا) در تانک­ها رخ می دهد. این باکتري ها که اکثر هتروتروفیک  هستند، به همراه برخی پروتوزوآها و سایر میکروب ها مجموعا لجن فعال را تشکیل می دهند. فاضلاب ورودی به تصفیه خانه بعد از گذراندن مراحل اولیه تصفیه (آشغال گیری و دانه گیری) که منجر به حذف و 70-50% درصد کل جامدات ورودی می شود، وارد حوض هوادهی می گردد. لجن فعال از مواد آلی و ترکیبات مغذی موجود در فاضلاب تغذیه کرده و باعث کاهش غلظت آن ها در فاضلاب می شود و به این ترتیب بر غلظت توده جرم سلولی لجن فعال افزوده می گردد. در حقیقت آلودگی از شکل مواد غذایی آلی به شکل زیست توده میکروبی تبدیل می گردد. بعد از حوض هوادهی، فاضلاب وارد حوض ته نشینی شده و با ایجاد شرایط سکون مناسب، توده های سلولی و فلاک ها در حوض ته نشینی از پساب جدا می گردد. پساب خروجی برای تصفیه بیشتر و ضدعفونی به واحدهای بعدی انتقال می یابد. مقداری از لجن ته نشین شده، برای حفظ غلظت مناسب توده میکروبی به داخل حوض هوادهی برگردانده می شود و باقیمانده آن بر اساس شرایط طراحی و سن لجن، دفع می گردد.

اساس کار تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال

برای بهتر درک کارکرد لجن فعال، می ‌توانیم به ساز و کار و روش تصفیه فاضلاب با استفاده از این فرآیند پرداخته و نیازمندی ‌های اساسی برای استفاده از لجن فعال را مورد بررسی قرار دهیم. این نیازمندی‌ ها عبارتند از مخزن هوادهی، مخزن ته نشینی و سیستم برگشت لجن فعال که در هر مرحله از تصفیه، وظایف خاص خود را دارند. میکروارگانیسم ‌ها و باکتری ‌های موجود در فاضلاب صنعتی یا بهداشتی به مدت زمان مشخصی در تصفیه‌خانه قرار می ‌گیرند و زمان لازم برای انجام واکنش‌ های بیولوژیکی به آنها اختصاص داده می ‌شود. برای رشد این باکتری ‌ها در مخازن، تزریق هوا ضروری است تا علاوه بر تأمین مواد غذایی، اکسیژن لازم نیز فراهم گردد. با استفاده از تجهیزات مختلفی مانند هوادهی سطحی شناور، هوادهی سطحی ثابت و هوادهی عمقی، مقدار مناسبی از هوا به فاضلاب تزریق می ‌شود و باکتری ‌ها تکثیر می ‌شوند. این باکتری‌ ها با مصرف مواد آلی موجود در فاضلاب، عمل تصفیه را انجام می ‌دهند و پساب به مرحله بعدی منتقل می ‌شود. در مرحله بعدی، باکتری‌ ها و میکروارگانیسم ‌ها به هم متصل شده و به صورت توده ‌های سنگین‌تر از فاضلاب در کف مخزن ته نشینی جا می ‌گیرند. لازم به ذکر است که پس از ته نشین شدن توده ‌های باکتری و میکروارگانیسم متصل به یکدیگر در کف مخزن، فاضلاب تصفیه شده از مخزن خارج می ‌شود و برای مصارف بعدی مورد استفاده قرار می‌ گیرد. لجن ته نشین شده در کف مخزن مجدداً وارد مخزن هوادهی می ‌شود و برای تصفیه فاضلاب ‌های ورودی استفاده می ‌شود. این عمل به عنوان لجن فعال برگشتی شناخته می‌ شود.

انواع فرآیند لجن فعال

با توجه به تأثیر بسیار مطلوب استفاده از لجن فعال در تصفیه خانه ‌های بزرگ صنعتی و بهداشتی، روش ‌های مختلفی به این شیوه ارائه شده‌ اند که هرکدام بر اساس شرایط محیطی و نوع فاضلاب مورد استفاده قرار می ‌گیرند. از جمله مهم ‌ترین انواع لجن فعال می‌ توان به گزینه‌ های زیر اشاره نمود:

لجن فعال با هوادهی گسترده (EAAS)

یکی از معمول ‌ترین انواع لجن فعال، EAAS یا لجن فعال با هوادهی گسترده است که برای تصفیه خانه ‌های کوچک استفاده می ‌شود. در این روش، ابتدا آشغالگیر دستی یا مکانیکی نصب می‌ شود تا ذرات بزرگ و معلق در فاضلاب به آن متصل شوند. هوادهی در لجن فعال با هوادهی گسترده با استفاده از تجهیزات مکانیکی قدرتمند مانند دیفیوزر یا هوادهی شناور انجام می‌ شود. پس از هوادهی، مواد آلی توسط باکتری ‌ها حذف می ‌شوند و بخشی از لجن به عنوان لجن فعال برگشتی به مرحله قبل باز می‌ گردد و بقیه از مخزن تخلیه می ‌شود. از ویژگی ‌های مهم تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال با هوادهی گسترده می ‌توان به سن بالای لجن (20 تا 30 روز) و مدت زمان نگهداری هیدرولیکی یا HRT حدود 24 ساعت اشاره نمود که شرایط مناسبی برای حذف مواد آلی از فاضلاب فراهم می‌ کنند.

فرآیند رآکتور بیولوژیکی غشایی (MBR)

در تصفیه فاضلاب با استفاده از روش لجن فعال MBR، از یک نوع سیستم غشایی در مخزن هوادهی استفاده می ‌شود که به اتمام منجر به حذف مرحله ته نشینی در روش معمول لجن فعال می‌شود. در این روش، از ممبران ‌های رشته ‌ای یا لوله ‌ای که در فاضلاب غرق شده ‌اند، استفاده می‌ شود. با انجام عمل هوادهی در فاضلاب و انجام فرآیندهای بیولوژیکی میان باکتری ‌ها، میکروارگانیسم‌ ها و مواد آلی، توده ‌های چسبیده لجن در فاضلاب شکل می‌ گیرند. با عبور فاضلاب از ممبران، جلوگیری از ورود ذرات معلق به آنها صورت می ‌گیرد و پساب ‌ها زلال‌سازی می‌ شوند. این روش کمتری فضا را اشغال می‌ کند و به دلیل راندمان بالاتر، کمترین میزان لجن تولید می ‌کند.

فرآیند رآکتور ناپیوسته متوالی (SBR)

از دیگر روش ‌های تصفیه فاضلاب با استفاده از لجن فعال، می‌ توان به روش SBR اشاره نمود که با نام راکتور ناپیوسته متوالی شناخته می‌ شود. این روش شامل دو راکتور و مخزن پر و خالی شونده است که در آن فرآیندهایی مانند تغذیه یا پر شدن راکتور، هوادهی، ته نشینی، تخلیه و سکون به صورت متوالی انجام می ‌شود. در کل، تمام عملیات مشابه روش لجن فعال در این روش انجام می ‌شود، با این تفاوت که تمامی آنها در دو مخزن خالی و پر شونده و به صورت متوالی صورت می ‌پذیرند.

فرآیند رشد چسبیده (IFAS)

فرآیند IFAS معمولاً به عنوان یک راه حل مقاوم سازی برای سیستم های لجن فعال معمولی که ظرفیت آن ها بیش از حد است، نصب می شود. فرآیند IFAS نوعی فرآیند بیولوژیکی با رشد چسبیده می باشد. در این فرآیند میکروارگانیسم ها بر روی مدیاها تشکیل شده و یک لایه بیولوژیکی به نام بی فیلم را تشکیل می دهند. لایه بیوفیلم در حقیقت یک ساختار غیر یکنواخت بسیار پیچیده بوده و اعتقاد بر این است که این لایه دارای منافذ عمودی و افقی زیادی است که فاضلاب از بین آنها عبور می کند.

فرآیند رشد معلق (MBBR)

در این فرآیند وجود مدیاها باعث می شود نسبت سطح به حجم در مخزن هوادهی زیاد شده و بنابراین حجم مخزن هوادهی کمتر خواهد شد. این کاهش حجم مخزن هوادهی سبب کاهش هزینه ساخت تصفیه خانه فاضلاب می شود. مزیت این فرآیند این است که مدیاها به سبب تحرک و تلاطم، نسبت به گرفتگی مقاومت بیشتری دارند. برهمکنش بین مدیاها سبب کنده شدن و ازبین رفتن باکتری های اضافی روی سطح مدیا می شود.

مزایای فرآیند لجن فعال

فرآیند لجن فعال یک فرآیند بیولوژیکی است که در تصفیه فاضلاب استفاده می ‌شود. این فرآیند شامل استفاده از میکروارگانیسم ‌های مختلفی مانند باکتری ‌ها و قارچ‌ ها برای تجزیه و تصفیه آلاینده ‌های موجود در فاضلاب است. در زیر به برخی از مزایای فرآیند لجن فعال اشاره شده است:

کارایی تصفیه بالا: فرآیند لجن فعال به دلیل استفاده از میکروارگانیسم‌ های زنده و فعال، به طور موثر آلاینده ‌های آلی و غیرآلی را از فاضلاب حذف می‌ کند، که منجر به بهبود کیفیت آب و تأمین آب سالم برای مصارف مختلف می ‌شود.

انعطاف‌پذیری: فرآیند لجن فعال به راحتی قابل تنظیم و تطبیق با شرایط مختلف آب و فاضلاب است. این انعطاف ‌پذیری به مدیران تصفیه ‌خانه ‌ها اجازه می‌ دهد تا با تغییرات در جریان آب، میزان آلاینده‌ ها و سایر عوامل مرتبط، فرآیند را بهینه کنند.

تولید انرژی: در فرآیند لجن فعال، لجن تولید شده از فاضلاب مورد استفاده قرار می‌ گیرد. این لجن می ‌تواند منبعی از انرژی باشد. به عنوان مثال، می‌توان از فرآیند تولید گازهای گرمایی همچون متان که توسط میکروب ‌های موجود در فرآیند لجن فعال تولید می ‌شود، برای تولید برق  استفاده کرد.

کاهش آلودگی محیط ‌زیست: استفاده از فرآیند لجن فعال به کاهش آلودگی هوا و آب کمک می ‌کند. این فرآیند با حذف آلاینده‌ های موجود در فاضلاب، می ‌تواند به حفظ سلامت محیط‌زیست کمک کند و اثرات منفی بر روی تنوع زیستی و اکوسیستم‌ های آبی را کاهش دهد.

کاهش هزینه ‌ها: اگرچه اجرای و نگهداری یک سیستم لجن فعال هزینه ‌بر است، اما در مقایسه با روش ‌های دیگر تصفیه فاضلاب، می ‌تواند صرفه ‌جویی در هزینه ‌ها را به ارمغان بیاورد. به عنوان مثال، تولید انرژی از لجن و کاهش نیاز به مواد شیمیایی برای پردازش فاضلاب می ‌تواند هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد.

با توجه به مزایای فوق، می‌توان گفت که فرآیند لجن فعال یکی از روش‌ های مؤثر و پرکارایی برای تصفیه فاضلاب است که در حفظ محیط‌زیست و تأمین آب سالم برای جامعه نقش مهمی ایفا می ‌کند.

معایب فرآیند لجن فعال

نیاز به فضای زیاد: برای اجرای فرآیند لجن فعال، نیاز به مکان‌ های بزرگ و مناسب است. ساختارهای پرهزینه و فضاهای وسیعی برای طراحی و ساخت پکیج تصفیه فاضلاب لازم است که این موضوع ممکن است یکی از معایب این فرآیند باشد.

حساسیت به شرایط محیطی: فرآیند لجن فعال حساسیت زیادی نسبت به شرایط محیطی دارد. تغییرات دما، pH، و مقادیر مواد شیمیایی می ‌توانند کارایی این فرآیند را تحت تأثیر قرار دهند.

مشکلات در مدیریت لجن: مدیریت و دفع لجن تولید شده در این فرآیند ممکن است یک چالش باشد. لجن تولید شده نیاز به پردازش و دفع مناسب دارد که ممکن است موجب هزینه ‌های اضافی و چالش ‌های زیست محیطی شود.

نیاز به نگهداری و نظارت دقیق: برای حفظ کارایی و عملکرد بهینه فرآیند لجن فعال، نیاز به نگهداری و نظارت دقیق بر سیستم وجود دارد که این موضوع می ‌تواند هزینه ‌های اضافی و زمان‌بری را افزایش دهد.

بنابراین، هرچند فرآیند لجن فعال در تصفیه فاضلاب مزایای قابل توجهی دارد، اما نیازمند مدیریت دقیق، هزینه ‌های قابل توجه و توجه به مسائل زیست محیطی است.

کاربرد فرآیند لجن فعال

فرآیند لجن فعال یکی از روش ‌های پرکاربرد و مؤثر در تصفیه فاضلاب است و در تصفیه‌ خانه‌ های فاضلاب شهری، تصفیه خانه های فاضلاب صنعتی، پکیج های تصفیه فاضلاب بهداشتی و مراکز درمانی و پکیج های تصفیه فاضلاب شهری به عنوان یک فرآیند اصلی مورد استفاده قرار می‌ گیرد.

شاخص های راهبری فرآیند لجن فعال

غلظت مواد آلی

فاضلاب عمدتاً از کربن آلی (هم به صورت محلول و هم به صورت ذرات معلق) تشکیل شده است. کربن آلی موجود در فاضلاب عموما به واسطه پارامتر BOD قابل اندازه گیري است. این شاخص، میزان اکسیژن مصرفی در حین اکسیداسیون بیوشیمیایی مواد آلی را نشان می دهد. در حقیقت، طی این فرایند چندین فرایند مختلف دیگر رخ می دهند. به محض اکسید شدن مواد آلی، محصولات حاصل از این واکنش براي تولید سلول هاي جدید و ادامه حیات سلولی سلول­هاي قبلی مصرف می شود. نهایتاً زمانی که تمام مواد آلی موجود در فاضلاب به مصرف رسید، سلول مواد داخل خود را براي ادامه حیات و تنفس داخلی مصرف می کند. اکسیژن لازم براي انجام این واکنش ها به عنوانBOD نهایی (UBOD) تعبیر می شود. شاخص دیگري که محتوای مواد آلی فاضلاب را منعکس می کند، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی(COD) است که میزان اکسیژن مصرفی در طول یک آزمایش را مشخص می کند. در این روند مواد آلی موجود در فاضلاب به طریق شیمیایی اکسید می گردد. به دلیل اینکه برخی از مواد کربنی در یک فاضلاب شهري به شکلی است که براي دریافت بیولوژیکی در دسترس نمی باشد، مقدار BOD از COD کمتر است. در حالت کلی نسبتCODبهBODدر فاضلاب بهداشتی بین 1.5 تا 2 می باشد. غلظت BOD (یا حتیCOD)در فاضلاب بسته به طبیعت و منشاء فاضلاب و همچنین ویژگی هاي سیستم جمع آوري فاضلاب می تواند متفاوت باشد. همواره در مورد یک نمونه فاضلاب مقدار COD به 2 دلیل اصلی از مقدار BOD5 بیشتر خواهد بود. این 2 دلیل عبارتند از 1) باکتري هایی که در فرایند لجن فعال دخیل هستند، نمی توانند برخی از ترکیباتی که در آزمایشCODبه طریق شیمیایی اکسید می شوند را تجزیه کنند. 2) برخی از کربن هایی که در حین آزمایشBOD₅ از نمونه حذف می شوند، اکسید نمی شوند، بلکه به گونه های جدید تبدیل می گردند. یعنی آزمایشBOD فقط کربن هاي قابل تجزیه بیولوژیکی که در حقیقت به وسیله باکتري ها اکسید می شوند را اندازه گیري می کند. براي کنترل فرایندهاي بیولوژیکی در تصفیه خانه، لازم است که در مورد بار آلی فاضلاب ورودي اطلاعات لازم به دست آورده شود.

غلظت نیتروژن

از دیگر موارد مهم در فاضلاب محتوای نیتروژن است. نیتروژن به اشکال مختلف از شکل احیاشده مانند آمونیاك تا شکل اکسیدشده مانند نیترات در فاضلاب وجود دارد. نیترات محصول فرایند نیتریفیکاسیون است که طی آن آمونیاك به نیترات اکسید می شود. آمونیاك محلول به هر دو شکل مولکول آمونیاك و یون آمونیوم در حالت تعادل و در موازنه وجود دارد. غلظت نسبی هر کدام از آنها بهpHو دما بستگی دارد. در صورتیکهpHو دما بالا باشد، تعادل به سمت مولکول آمونیاك خواهد رفت. نیتروژن در فاضلاب عمدتاً شامل آمونیاك و نیتروژن آلی است و عموماً مقادیر بسیار ناچیزي نیتروژن اکسید شده (نیتریت یا نیترات) وجود دارد.

غلظت فسفر

فسفر یک ماده مغذي لازم براي رشد بیولوژیکی است و اگر به میزان کافی در سیستم وجود نداشته باشد، می تواند رشد را محدود و راندمان فرایند تصفیه را پایین آورد. این موضوع به خصوص در سیستم هایی که از ته نشینی هاي اولیه پیشرفته استفاده می کنند موضوع مهمی است. در این سیستم ها، انعقاد و ته نشینی اضافی که به وسیله اضافه کردن نمک هاي شیمیایی براي بالا بردن راندمان حذف جامدات به کار می رود، می تواند میزان فسفر کل در دسترس براي فرایندهاي بیولوژیکی را کاهش دهد.

غلظت مواد جامد

مواد جامد در فاضلاب به 2 دسته کلی مواد معلق و محلول تقسیم بندي می شود. جامدات کل در فاضلاب خام شامل تمام جامداتی است که بعد از تبخیر و خشک کردن نمونه، باقی می ماند. ذرات جامد از لحاظ اندازه متفاوت می باشند و از کوچک تا بزرك به شکل ­هاي محلول، کلوئیدي و معلق دسته بندي می گردند. هر دو دسته کلوئیدي و معلق می توانند به وسیله فرایندهاي انعقاد و ته نشینی از سیستم حذف شوند، اما ذرات محلول که حاوي کربن، نیتروژن و فسفر غیرقابل تجزیه بیولوژیکی می باشند، حذف نمی شوند و به جریان خروجی از تصفیه خانه راه پیدا می کنند.

دما

دماي فاضلاب ورودي از این جنبه که روي فرایندهاي بیولوژیکی اثر می گذارد، اهمیت دارد. دماي بهینه براي فعالیت باکتري ها 25-35 درجه سانتیگراد می باشد، اما میکروارگانیسم ها توانایی انطباق پذیري براي دماهایی خارج از این محدوده را نیز دارا می باشند. دماهاي پایین و سرد به­خصوص روي فرایند نیتریفیکاسیون اثرگذار است. دلیل این امر نرخ رشد پایین میکرارگانیسم های مسئول انجام این فرایند هستند. به همین سبب براي جبران باید زمان ماند طولانی تري در سیستم ایجاد گردد. دماهاي پایین همچنین میزان اکسیژن محلول در فاضلاب را بافزایش می دهد که این موضوع می تواند عملکرد دنیتریفیکاسیون را در صورتی که به تانک آنوکسیک هوا داده می شود را کاهش دهد. به همین صورت، در فصول گرم سال میزان اکسیژن محلول در سیستم کاهش پیدا می کند و منجر به کاهش فعالیت بیولوژیکی میکروارگانیسم ها می شود.

pH

pH در حقیقت غلظت یون هیدروژن است و به دلیل دامنه محدود مناسب برای فعالیت باکتری ها (6-9) مهم و با اهمیت است.

پارامترهای موثر در کنترل فرآیند بیولوژیکی لجن فعال

جامدات معلق مخلوط مایع

در اثر خشک کردن زیست توده باکتریایی میزان جامدات معلق مخلوط مایع (MLSS) حاصل می شود. MLSS عمومادر کنترل فرایند به عنوان شاخصی براي زیست توده استفاده می شود. ممکن است اینگونه تصور شود که با بالا بردنMLSS به دلیل اینکه میکروارگانیسم هاي بیشتري در محیط وجود خواهند داشت، سرعت مصرفBOD افزایش می یابد، ولی باید دانست کهMLSS بالا مشکلات جدي را در هوادهی ایجاد می کند و همچنین ته نشین شدن لجن در تانک ته نشینی را با اختلال مواجه می کند.

زمان ماند هیدرولیکی یا بارگذاري حجمی

این پارامتر زمان متوسطی است که فاضلاب در تانک بیولوژیکی سپري می کند. این پارامتر حاصل تقسیم حجم مخزن بر دبی جریان می باشد. زمان ماند هیدرولیکی (HRT) باید به اندازه اي زیاد باشد تا بتواند درصد زیادي ازBOD را از سیستم حذف کند.

سن لجن

سن لجن (SRT) یعنی زمان باقی ماندن میکروارگانیسم ها در سیستم که از حاصل تقسیم حجم راکتور برMLSS که از سیستم خارج می شود، بدست می آید. ته نشین شدن لجن با سن لجن وابسته است، به نحوي که سن بسیار پایین لجن مربوط به لجن لخته نشده می باشد که در نتیجه ته نشینی نامناسبی را به همراه خواهد داشت.

نتیجه گیری

استفاده از فرآیند لجن فعال در تصفیه فاضلاب یک روش کارآمد و موثر است که بهبود کیفیت آب و حفظ محیط زیست را تضمین می ‌کند. این فرآیند با استفاده از فعالیت میکروبی لجن، مواد آلی و آلاینده‌ های دیگر فاضلاب را به طور کامل تجزیه و تخریب می‌ کند، که منجر به کاهش آلودگی محیط زیست و بهبود کیفیت آب می ‌شود. همچنین، استفاده از این فرآیند باعث افزایش بازدهی تصفیه فاضلاب و کاهش هزینه ‌های مربوط به تصفیه می ‌شود. از این رو، به نظر می ‌رسد که فرآیند لجن فعال یکی از روش ‌های اصلی و مؤثر در تصفیه فاضلاب است که باید در سیاست ‌ها و برنامه ‌های مرتبط با محیط زیست و بهداشت عمومی در نظر گرفته شود.