فاضلاب شهری

فاضلاب شهری 

به فاضلاب حاصل از مناطق مسکونی، که شامل ضایعات انسانی (ادرار و مدفوع)، فاضلاب بیمارستانها، آشپزخانهها، شست و شو، فاضلاب صنایع کوچک و روان آبهای سطحی است، فاضلاب شهری گفته میشود. فاضلاب شهری ترکیبی پیچیده شامل آب، مواد آلی، مواد معدنی و زیست‌توده‌های بیماریزا است، به همین سبب در صورت تصفیه نشدن، برای انسان و محیط زیست بسیار مضر خواهند بود. فاضلاب تصفیهنشده، مستقیما در محیطهایی همچون رودخانهها و دریا تخلیه میشوند و سبب مرگ آبزیان و آسیب جدی به سلامت انسان میشود. از طرفی کاهش ذخایر آبی در سراسر جهان نیز نگرانیهای بسیاری را ایجاد کردهاست. به همین سبب، مطالعه و ایجاد روشهای مناسب تصفیه فاضلاب به منظور استفاده مجدد یا حذف آلودگی به یک زمینه مهم تبدیل شدهاست.

جریان و ترکیب فاضلاب شهری، در زمان و مکانهای مختلف با توجه به نوع و میزان فعالیت انسانها، متفاوت است. فاضلاب شهری با توجه به غلظت مواد آلی به 3 دسته فاضلاب شهری با مقاومت بالا، فاضلاب شهری با مقاومت متوسط و فاضلاب شهری با مقاومت ضعیف طبقهبندی میشوند. در جدول 1 مشخصات فاضلاب شهری نشان دادهشدهاست. همانطور که در جدول 1 نشان داه شده است غلظت COD فاضلاب شهری در محدوده mg/L 200-1000 است. همچنین COD فاضلاب شهری با مقاومت متوسط در محدوده mg/L 400-500 است..

جدول 1: مشخصات فاضلاب شهری

 انرژی موجود در فاضلاب شهری

فاضلاب به طور عمده شامل دو نوع انرژی شیمیایی و حرارتی است. انرژی شیمیایی فاضلاب از محتوای مواد آلی آن سرچشمه می‌گیرد و در پیوندهای شیمیایی مولکول‌های آلی موجود است. مواد کربنی موجود در فاضلاب بیشترین مقدار انرژی کل فاضلاب را تشکیل می‌دهند (66/1 کیلووات ساعت بر متر مکعب). همچنین مقدار انرژی مواد نیتروژنی نیز 3/0 کیلووات ساعت بر متر مکعب می‌باشد. هنگامی که پیوندهای شیمیایی مولکول‌های آلی شکسته شوند، مقدار مشخصی از انرژی آزاد می‌شود. محتوای انرژی شیمیایی فاضلاب شهری می‌تواند به COD بیان شود، که حدود 6/12 کیلوژول بر گرم COD است. در حقیقت، پارامتر COD یک شاخص مناسب برای نشان دادن پتانسیل بازیابی انرژی فاضلاب است. علاوه براین فاضلاب شهری به عنوان منبع انرژی حرارتی نیز در نظر گرفته می‌شود. دمای فاضلاب شهری تقریباً در طول یک سال ثابت است. از آنجا که فاضلاب به خطوط فاضلاب منتقل می‌شود، تغییر در دمای محیط تاثیری قابل توجهی بر دمای فاضلاب ندارد. محتوای انرژی حرارتی فاضلاب شهری در حدود 7 کیلووات ساعت بر متر مکعب است که توسط پمپ‌های حرارتی این انرژی قابل بازیابی برای مصارف گرمایش و سرمایش است. تولید انرژی فاضلاب شهری سالانه حدود 70-140 گیگاوات و معادل آن 52-104 میلیون تن نفت است.

مصرف انرژی در تصفیهخانههای فاضلاب شهری

روشهای مختلف تصفیه فاضلاب و دفع لجن، علاوه بر مصرف انرژی به صورت برق، به گاز طبیعی و یا سایر سوختها نیز نیاز دارند. انرژی مورد نیاز تصفیهخانه فاضلاب به موقعیت کارخانه، وسعت کارخانه و نوع فرآیند تصفیه و سیستم هوادهی بستگی دارد.

 مصرف انرژی در تصفیهخانه فاضلاب شهری با تکنولوژیهای مختلف

تصفیهخانههای فاضلاب شهری، به طور معمول شامل مراحل تصفیه اولیه، ثانویه و پیشرفته میباشند. در مقایسه با سایر مراحل، مرحله تصفیه اولیه یا مقدماتی، با توجه به نوع طراحی و بهرهبرداری، به انرژی کمتری نیاز دارد. در مرحله ثانویه، میزان مصرف انرژی، به فناوری مورد استفاده بستگی دارد. در فرآیند CAS، هوادهی در تصفیه ثانویه بیشترین انرژی را در طول فرآیند نیاز دارد. در اکثر تصفیهخانههای فاضلاب شهری، حدود 50%-60% از مصرف انرژی مربوط به بخش هوادهی است درحالیکه تصفیه لجن، 15%-25% و تهنشینی ثانویه، 15% از کل انرژی الکتریکی را مصرف میکند. در مقایسه با فرآیند CAS، سیستم تصفیه نهر اکسیداسیون، به دلیل زمان ماند هیدرولیکی (HRT) طولانیتر فاضلاب و اکسیژن موردنیاز بیشتر، به انرژی بیشتری نیز نیاز دارد. در شکل 1 انرژی مورد نیاز فرآیندهای مورد استفاده در واحد تصفیه ثانویه و در شکل 2 مقدار انرژی مورد نیاز در قسمتهای مختلف فرآیند CAS نشان دادهشدهاست. همانطور که در شکل 1 مشخص است، در بین فرآیندهای ذکرشده، فرآیند CAS کمترین نیاز انرژی را دارد و مطابق شکل 2 حدود 60% این نیاز انرژی مربوط به بخش هوادهی است. واحد تصفیه پیشرفته فاضلاب شهری مانند اسمز معکوس نیز به دلیل حذف مواد مغذی، مصرف انرژی بالایی دارند. 

شکل 1: مصرف انرژی واحد تصفیه ثانویه با تکنولوژیهای مختلف.

شکل 2: انرژی مورد نیاز بخشهای مختلف فرآیند CAS.

مصرف انرژی در تصفیهخانه فاضلاب شهری با اندازههای متفاوت

اندازه تصفیهخانه فاضلاب تاثیر قابل توجهی بر میزان انرژی مصرفی دارد به طوری که، با افزایش اندازه تصفیهخانه فاضلاب و به تبع آن افزایش جریان فاضلاب ورودی، انرژی مصرفی تصفیهخانه کاهش مییابد. با افزایش میزان فاضلاب، دستگاهها و تجهیزات میتوانند در راندمان بالاتری کارکنند. بعلاوه ممکن است در تصفیهخانههای فاضلاب کوچک افراد متخصص آموزشدیده مانند تصفیهخانههای بزرگ وجود نداشتهباشد و به همین سبب تفاوت معنیداری در مدیریت انرژی رخ میدهد.

مصرف انرژی در تصفیهخانه فاضلاب شهری در مکانهای متفاوت

مصرف انرژی در تصفیهخانه فاضلاب تابع مکان احداث تصفیهخانه است. تعداد تصفیهخانهها در یک منطقه، کیفیت پساب خروجی مورد نیاز و روش متداول تصفیه در یک مکان خاص، همگی بر انرژی مصرفی تصفیهخانه فاضلاب شهری تاثیرگذارند.

فرآیند متعارف تصفیه فاضلاب شهری

به‌دلیل وجود مواد آلی، مواد معدنی و زیست‌توده‌های بیماریزا در فاضلاب شهری تصفیه آن همواره مورد توجه بسیاری قرار داشتهاست. روش متداول تصفیه فاضلاب شهری، استفاده از فرآیند CAS جهت تصفیه هوازی فاضلاب و فرآیند هضم بیهوازی در راستای هضم و تصفیه لجن هوازی تولیدشده (پسماند لجن) در مرحله هوازی می‌باشد . 

فرآیند لجن فعال متعارف

در فرآیند CAS حذف COD و نیتروژن (موادمغذی) به طور همزمان صورت میگیرد. در اصل، اکسیداسیون مواد آلی و نیتریفیکاسیون (تبدیل آمونیاک به نیتریت و نیترات) در یک تانک هوازی رخ میدهد. سپس پساب تصفیه‌شده به حوض تهنشینی واردشده تا لجن فعال و پساب از یکدیگر جدا شوند. به منظور حذف مواد زائد نیتروژندار، پساب حاصل به یک تانک انوکسیک منتقل میشود تا طی دنیتریفیکاسیون، نیترات به گاز نیتروژن تبدیل شود ]7[. 

 چالشهای فرآیند لجن فعال متعارف

• مصرف انرژی بالا

همانطور که پیشتر ذکر شد، مصرف انرژی فرآیند CAS به واسطه واحد هوادهی که حدود 60% انرژی مصرفی را شامل میشود، زیاد است. از آنجا که انرژی الکتریکی بر اساس احتراق سوختهای فسیلی تولید میشود، نگرانی‌هایی را در زمینه کمبود ذخایر نفتی، تولید گازهای گلخانهای و گرمایش زمین ایجاد کردهاست.

• اکسیداسیون مواد آلی

فرآیند CAS اساسا برای حذف مواد آلی از طریق اکسیداسیون آنها طراحی شدهاست. به همین سبب به انرژی زیادی برای اکسیداسیون و حذف مواد آلی نیاز دارد و امکان بازیابی انرژی فراهم نمیشود. در شکل 3 موازنه جرمی COD در بخشهای مختلف فرآیند لجن فعال نشان دادهشدهاست. همانطور که در شکل 3 دیده می‌شود %30 COD در فرایند CAS اکسید شده و به صورت CO2 از فاضلاب خارج می‌شود و تنها حدود %60 آن به‌صورت لجن از فاضلاب جدا می‌شود. سپس توسط فرایند هضم بی‌هوازی تنها حدود %33 COD با تبدیل به گاز متان به‌صورت انرژی قابل بازیابی است. 

شکل 3: موازنه جرمی COD در بخشهای مختلف فرآیند CAS.

• تولید پسماند لجنی زیاد

 بازده رشد لجن معمولا 3/0– 5/0 گرم زیست توده بر گرم COD حذفشده است که منجر به تولید مقدار زیادی پسماند لجن میشود. هزینه دفع این پسماند بالا است به طوری که حدود 25%-65% کل هزینه عملیاتی را در برمی‌گیرد. با افزایش جمعیت و شهرنشینی، دفع پسماند لجنی در خاک نیز محدودتر شده و سوزاندن آن نیز منجر به ایجاد گازهای گلخانهای و خاکستر میشود.

فرآیند هضم بی‌هوازی

فرآیند هضم بی‌هوازی بیش از 20 25 سال است که برای تصفیه فاضلاب شهری استفاده می‌شود. هضم بی‌هوازی یک فرآیند چند مرحله‌ای است که در آن مواد آلی به متان و کربن‌دی‌اکسید تبدیل می‌شوند. در فرآیندهای اولیه، هیدرولیز و تخمیر مواد آلی توسط باکتریها انجام میشود و در فرآیندهای بعدی اکسیداسیون بیهوازی اسیدهای آلی و الکل به استات رخ میدهد.

چالشهای فرآیند هضم بیهوازی

کیفیت پایین پساب تصفیه‌شده، باقی‌ماندن متان محلول در خروجی و حذف ناچیز مواد مغذی و عملکرد نامطلوب در دمای پایین به‌دلیل افت عملکرد میکروبی برای هیدرولیز مواد جامد و تولید متان، استفاده از فرآیند بی‌هوازی را با محدودیت جدی مواجه کرده‌است. اما مشکل اصلی فرآیند هضم بی‌هوازی این است که برای پایداری سیستم و بازده مناسب فرآیند، به خوراکی با COD بیش از  mg/L1000 میلیگرم بر لیتر نیاز می باشد. فاضلاب شهری به‌دلیل غلظت کم مواد آلی برای استفاده مستقیم در این فرآیند و تولید بیوگاز دارای چالش‌های فراوانی می‌باشد. به‌همین سبب برای بهبود بازده تولید بیوگاز، به فناوری‌های جدیدی نیاز است. بازدهی پایین در فرآیند هضم بیهوازی را میتوان با استفاده از سیستم MBR بیهوازی برطرف کرد. سیستم MBR بیهوازی به واسطه بالا نگه‌داشتن غلظت زیست‌توده امکان فعالیت برای زیست‌‌توده‌هایی که با سرعت پایین رشد میکنند را فراهم آورده است. در این سیستم‌ کیفیت خروجی حتی در دماهای پایین تر از 6 درجه سانتیگراد نیز مطلوب گزارش شدهاست. بنابراین، MBR بی‌هوازی یک فناوری جذاب برای تصفیه بی‌هوازی فاضلاب شهری است. با این وجود محدودیت‌های چشم‌گیری در کاربرد عملی این فناوری وجود دارد. از جمله آن میتوان به گرفتگی غشاء و از بین رفتن متان محلولباقی ماندن بخش قابل توجهی از متان در فاز مایع  اشاره کرد که هر دو معمولاً با دمای پایین فاضلاب تشدید می شوند.

منبع

فریدی زاد، غزاله،. عبداله زاده شرقی، الهام،. بنکدارپور، بابک،." فرایند لجن فعال با نرخ بالا: بینش جدید برای بازیابی انرژی از فاضلاب شهری. مهندسی شیمی ایران، دوره، 19. شماره، 113، صفحه، 28-46، 1399