فرآيند لجن فعال
فرآيند لجن فعال يكي از روشهاي زیستی هوازي براي تصفيه فاضلاب است که بیش از یک قرن است به این منظور استفاده میشود. این روش، روش سادهاي است که توسط باکتريها (در غلظتهاي بالا) در تانکها رخ میدهد. این باکتريها که اکثر هتروتروفیک هستند، به همراه برخی پروتوزوآها و سایر میکروبها مجموعا لجن فعال را تشکیل میدهند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، فاضلاب ورودی به تصفیهخانه بعد از گذراندن مراحل اولیه تصفیه (آشغالگیری و دانهگیری) که منجر به حذف و 70-50% درصد کل جامدات ورودی میشود، وارد حوض هوادهی میگردد. لجن فعال از مواد آلی و ترکیبات مغذی موجود در فاضلاب تغذیه کرده و باعث کاهش غلظت آنها در فاضلاب میشود و به این ترتیب بر غلظت توده جرم سلولی لجن فعال افزوده میگردد. در حقیقت آلودگی از شکل مواد غذایی آلی به شکل زیست توده میکروبی تبدیل میگردد. بعد از حوض هوادهی، فاضلاب وارد حوض ته نشینی شده و با ایجاد شرایط سکون مناسب، تودههای سلولی و فلاکها در حوض ته نشینی از پساب جدا میگردد. پساب خروجی برای تصفیه بیشتر و ضدعفونی به واحدهای بعدی انتقال مییابد. مقداری از لجن ته نشین شده، برای حفظ غلظت مناسب توده میکروبی به داخل حوض هوادهی برگردانده میشود و باقیمانده آن بر اساس شرایط طراحی و سن لجن، دفع میگردد.
اگرچه این فرایند به نظر ساده است، اما کنترل فرایند تصفیه بسیار مشکل میباشد، زیرا متغیرهاي تاثیرگذار زیادی بر فرآیند تصفیه وجود دارند.
عوامل تاثیرگذار بر فرآیند تصفیه لجن فعال
محتوای آلی فاضلاب
فاضلاب خانگی عمدتاً از کربن آلی (هم به صورت محلول و هم به صورت ذرات معلق) تشکیل شدهاست. کربن آلی موجود در فاضلاب عموما به واسطه پارامتر BOD قابل اندازهگیري است. این شاخص، میزان اکسیژن مصرفی در حین اکسیداسیون بیوشیمیایی مواد آلی را نشان میدهد. در حقیقت، طی این فرایند چندین فرایند مختلف دیگر رخ میدهند. به محض اکسید شدن مواد آلی، محصولات حاصل از این واکنش براي تولید سلولهاي جدید و ادامه حیات سلولی سلولهاي قبلی مصرف میشود. نهایتاً زمانی که تمام مواد آلی موجود در فاضلاب به مصرف رسید، سلول مواد داخل خود را براي ادامه حیات و تنفس داخلی مصرف میکند. اکسیژن لازم براي انجام این واکنشها به عنوانBODنهایی (UBOD) تعبیر میشود. شاخص دیگري که محتوای مواد آلی فاضلاب را منعکس میکند، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی(COD) است که میزان اکسیژن مصرفی در طول یک آزمایش را مشخص میکند. در این روند مواد آلی موجود در فاضلاب به طریق شیمیایی اکسید میگردد. به دلیل اینکه برخی از مواد کربنی در یک فاضلاب شهري به شکلی است که براي دریافت بیولوژیکی در دسترس نمیباشد، 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 ویژگیهاي سیستم جمع آوري فاضلاب میتواند 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 آزمایشBOD5از نمونه حذف می شوند، اکسید نمی شوند، بلکه به گونه های جدید تبدیل می گردند. یعنی آزمایشBODفقط کربن هاي قابل تجزیه بیولوژیکی که در حقیقت به وسیله باکتري ها اکسید می شوند را اندازهگیري می کند. براي کنترل فرایندهاي بیولوژیکی در تصفیه خانه، لازم است که در مورد بار آلی فاضلاب ورودي اطلاعات لازم به دست آورده شود.
محتوای 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.
محتوای فسفر
فسفر یک ماده مغذي لازم براي رشد بیولوژیکی است و اگر به میزان کافی در سیستم وجود نداشتهباشد، می تواند رشد را محدود و راندمان فرایند تصفیه را پایین آورد. این موضوع بهخصوص 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 اضافهکردن 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.
مواد جامد
مواد جامد در فاضلاب به 2 دسته کلی مواد معلق و محلول تقسیمبندي 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 تصفیهخانه 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 سانتیگرادمی 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 تهنشینی 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 تقسیمحجم راکتور بربرMLSS اي 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.
بارگذاري لجن یا نسبتF/M
نرخ رشد زیست توده و نرخ تنفس (یاهمان نرخ حذف) با افزایشBOD، افزایش می یابند. یعنی نرخ حذفBODدر تانک بیولوژیکی با زیست توده لجن متناسب است. زیست توده بالاتر، نرخ بالاتر حذفBODرا نیز به همراه خواهد داشت. به منظور اندازه گیري میزان غذاي در دسترس به ازاي واحد زیستتوده، BODتقسیم برMLSSخواهد شد. عدد بدست آمده که بارگذاري لجن نامیده می شود، عمدتا با نام نسبتF/Mیا غذا به میکروارگانیسم شناخته می شود. نسبتF/Mیک پارامتر مفید در بهره برداري از تصفیهخانه فاضلاب است.
اگرچه فرآیند لجن فعال به سبب مزایای زیاد همچون کیفیت پساب خروجی بالا مورد استفاده گسترده ای قرار گرفتهاست، اما با توجه به مطالعه مروری که اخیرا توسط جمعی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر و پژوهشگران کشورهای ترکیه و اروپا در مورد معایب فرآیند لجن فعال مطرح شدهاست، نمی تواند به عنوان یک فرآیند پایدار برای تصفیه فاضلاب در نظر گرفته شود.
منابع
Tchobanoglus, George, Franklin Burton, and H. David Stensel. "Wastewater engineering: Treatment and reuse." American Water Works Association. Journal 95.5 (2003): 201.-2077
