بخشی از مقاله
چکیده
اخیرا فعالیتهای پژوهشی بر روی توسعه گرانولهای هوازی لجن فعال در راکتورهای ناپیوسته متوالی متمرکز شده است. گرانولسازی هوازی، یک تکنولوژی جدید و امید بخش در امر تصفیه پساب میباشد. بیوراکتور حاوی لجن گرانوله تلفیقی هوازی- بیهوازی برای تصفیه و حذف همزمان ترکیبات کربن، نیتروژن و فسفر کارایی بالایی دارد. در این سیستم راکتورهای ناپیوسته متوالی به دلیل امکان حذف همزمان موادآلی، نیتروژن، فسفر و COD بسیار مورد توجه قرار گرفته است و در مقایسه با سیستم لجن فعال متداول، دارای مزیتهای قابل توجهی می باشد.
هدف از این مقاله بررسی مروری فرآیند تصفیه گرانولی هوازی لجن در حذف آلاینده های فسفر و نیتروژن است که متمرکز بر روی فرآیند گرانول سازی هوازی لجن، راکتور مورد استفاده برای این فرآیند و مقیاس های غالب بکار گرفته شده برای طراحی آن در تصفیه پساب های سنتزی و حقیقی و در نهایت حذف آلایندههای فسفر و نیتروژن می باشد.
.1 مقدمه
در حال حاضر، حدود پنج میلیون ماده آلی مشخص و ثبت شده در جهان وجود دارد که هر سال تعداد دیگری ماده شیمیایی جدید به این فهرست اضافه می گردد. امروزه حضور ترکیبات آلی سمی و مقاوم به تجزیه بیولوژیکی در فاضلاب های شهری و صنایع و همچنین در برخی موارد در منابع آب به یک بحث جدی جهانی تبدیل شده است. یکی از مهمترین مشکلات سیستم های تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی متداول کنونی، نیاز آنها به مساحت زیاد برای تصفیه و ته نشینی لجن لخته ای ونیز میزان زیاد لجن مازاد تولیدی - به واسطه رشد میکروارگانیزم ها - می باشد.
بهطوریکه مقدار قابل توجهی از هزینه نهایی تصفیهخانههای فاضلاب صرف از بین بردن لجن مازاد می گردد - مشکلات عمده در دفع لجن شامل حذف آب و افزایش در صد ماده جامد یا کاهش رطوبت لجن - . علاوه بر این یک سیستم تصفیه فاضلاب کامل بایستی دارای فرآیندهای مختلف تصفیه شامل حذف مواد آلی، نیتریفیکاسیون و دینیتریفیکاسیون و حذف بیولوژیکی فسفر باشد که در حوضچه های مختلف صورت می گیرد.
از آنجا که سیستم های قدیمی از جمله سیستم لجن فعال تنها بعضی از مواد آلی را به طور کامل حذف می کند و فسفر و نیترات باقی مانده در این پساب های خروجی، آب های زیر زمینی را آلوده کرده و امکان استفاده مجدد از پساب خروجی را مشکل ساز می نماید و همینطور جمع مواد مغذی - کربن، نیتروژن و فسفر - تخلیه شده به آب های سطحی موجب مشکلات جدی و گاهی غیر قابل جبران بر خصوصیات اکولوژیکی آب ها و سلامت جانداران از جمله انسان می شود و همچنین به عنوان یک تهدید برای اصلاح فاضلاب های با شدت آلودگی بالا برای انواع مختلف سیستم های هوازی و بی هوازی به کار برده، مطرح شده اند. در نتیجه نیاز به یک سیستم جامع و کارا در جهت حذف کامل این آلاینده ها شدیدا مورد نیاز می باشد.
یک سیستم کامل نیازمند سیرکولاسیون جریان زیاد مایع و همچنین زمان ماند بالا و در نتیجه حجم بالای راکتور می باشد. مطالعات اخیر نشان داده اند که فناوری گرانول سازی و استفاده از سیستم های تصفیه گرانولی هوازی، دارای توانایی بالا و قابل استفاده در اصلاح فاضلاب های آلوده و حذف همزمان موادآلی، نیتروژن، فسفر و کربن همراه با سودمندی های فنی و اقتصادی می باشد. بعد از آنکه اولین بار استفاده از گرانول های هوازی در راکتور های ناپیوسته متوالی در سال 1997 گزارش شدند، این تکنولوژی به مدت بیش از ده سال است که مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.
از طرف دیگر، سیستم های لجن گرانولی جایگزین های مناسبی برای سیستم های لجن فعال* مرسوم هستند و باعث کاهش تولید لجن در واحد های تصفیه پساب می گردند. اگرچه مقدار لجن تولیدی کم می باشد ولی همواره نیاز به تصفیه مجدد دارند. طبق گزارش های ارسال شده، میزان لجن تولید پساب در اتحادیه اروپا از 5/5 میلیون تن ماده خشک در سال 1992 به 10/1 میلیون تن در سال 2008 رسیده است و تخمین زده شده است که این مقدار به 13 میلیون تن در سال 2020 می رسد.
مطابق با کمیسیون اروپا این افزایش اساسا به علت اجرای دستورالعمل 91/271/EEC جهت تصفیه پساب شهری و همچنین افزایش تعداد خانواده ها مرتبط، با میزان پساب و سطح تصفیه آن می باشد. دفع لجن مازاد بیش از 50 درصد کل هزینه های عملیاتی واحد تصفیه پساب می باشد. میزان این زباله که در زمین های مورد مصرف کشاورزی پراکنده است تقریبا نزدیک 40 درصد مقدار کل تولید شده در اتحادیه اروپا است که این توسط دستورالعمل 86/278/EEC تنظیم شده است.
مفهوم لجن تولید شده از پساب از اهمیت زیست محیطی و اقتصادی بالایی برخوردار می باشد که این باعث بررسی و مطالعه هر چه بیشتر بر روی واحد تصفیه پساب می گردد. در این بین کاهش لجن در منشا تولیدی آن با استفاده از روش جایگزین، جالب و مورد توجه محققین می باشد. و در واقع می توان گفت که بکار گرفتن تکنولوژی گرانول هوازی به جای روش معمول لجن فعال در واحد تصفیه پساب باعث کاهش مقدار لجن تولید شده در حین تصفیه ثانویه می گردد.
با این حال توسعه بیومس گرانول هوازی به عنوان امری نو مطرح است و تحقیقات انجام گرفته به طور عمده بر روی ایجاد پارامترهای بهینه در جهت عملکرد مناسب راکتور، تشکیل ترکیبات بهم فشرده هوازی و افزایش مقیاس راکتورها از مقیاس آزمایشگاهی به آزمایشی و در نهایت به واحدهای صنعتی و مقیاس بزرگ متمرکز می باشد.
.2 سیستم لجن فعال گرانولی
گرانول هوازی کره ای از تجمع بهم فشرده میکروبی - خود تجمع میکروبی - با مرزهای مشخص است که متفاوت با بیو فیلم، به دلیل عدم نیاز به حامل های بیرونی برای دانه بندی، می باشد. این سیستم در مقایسه با لجن فعال دارای مزایایی از جمله، گرانول دارای اندازه بزرگتر، ساختار فشرده تر و توانایی استقرار بهتری بوده که از این رو برای حفظ غلظت های بالای بیومس در راکتور، جداسازی مواد شناور و عملکرد خوب راکتور آسان و مناسب می باشند و علاوه بر این توانایی استقرار عالی، ساختار میکروبی قوی و متراکم، توانایی حفظ بالای بیومس، قابلیت تحمل زیاد در مقابل بارگذاری بالای ترکیبات آلی از ویژگی های دیگر آن ها در مقایسه با سیستم لجن فعال می باشد.
بنابراین بهترین کیفیت پساب، بالاترین راندمان تصفیه و بهترین دامنه شوک بارگذاری با غلظت های متغیر، از 95 تا200 یا از 2000 تا 5000 میلی گرم بر لیتر را دارا می باشند. علاوه بر این به دلیل ساختار پیچیده و قوی گرانول ها، گرانولهای هوازی در مقابل مواد شیمیایی سمی و بار شوک سمی انعطاف پذیر می باشند. قطر گرانولهای تشکیل شده حدود 4-1 میلی متر می باشد که قسمتهای خارجی هوازی و قسمتهای داخلی به صورت بی هوازی می باشد که امکان انجام همزمان پدیده های نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون را میسر می سازد.
و به دلیل اینکه در این سیستم لجن به صورت متراکم و گرانولی با قدرت ته نشینی بالا توسعه می یابد، به زیست توده در راکتور اجازه رشد با دانسیته بالا و غلظت های بالای توده میکروبی را می دهد که بخاطر گرادیان نفوذ ترکیبات مختلف در گرانول های توسعه یافته و وجود توده های میکروبی مختلف، فرآیندهای مختلف تصفیه که در سیستم های متداول در تانک های مختلف صورت می گیرد، بطور همزمان در یک راکتور امکان پذیر خواهد بود، در نتیجه حذف همزمان مواد آلی، نیتروژن و فسفررا در یک راکتور سبب می شود و همچنین به دلیل سرعت ته نشینی بالای گرانول ها، نیازی به وجود تانک ته نشینی نیز در سیستم های تصفیه نوین نخواهد بود و فضای مورد نیاز برای تصفیه فاضلاب کاهش می یابد و به دنبال آن بخاطر سادگی فرآیند، هزینه احداث واحد های تصفیه فاضلاب نیز کاهش می یابد.
هرچند که شرایط عملیاتی لجن گرانولی هوازی به شدت توسط فاکتورهایی چون، ساختار و پیکربندی راکتور، ترکیبات زیر لایه، فشار انتخابی، نسبت حجم تبادلی، نیروی برش هیدرودینامیکی، نرخ بار گذاری مواد آلی*، استراتژی تغذیه و زمان چرخه محدود می باشد.
و آنچه که در مطالعات انجام گرفته مشخص است، امروزه، گرانولاسیون لجن هوازی ، به عنوان فرآیندی پیشرفته با مکانیسم ناشناخته، قادر است به یکی از تکنولوژی های آتی و امیدوار کننده تصفیه بیولوژیکی پساب تبدیل شود. اگرچه تا به امروز با وجود فرضیه های گوناگون و مدل های ریاضی پیشنهاد شده، همواره مدل های تئوری، برای بیان مکانسیم گرانول سازی هوازی دارای کمبود می باشند.
همانگونه که در قبل نیز اشاره شد، گرانول سازی بیولوژیکی، تجمع میکربی فشرده و متراکم شکل یافته از میکروارگانیسم های مختلف است. گرانول های بیولوژیکی، دارای خصوصیات خاص برای ایجاد توانایی بالا در حفظ و نگهداری بیومس، ساختار میکربی متراکم برای فاضلاب های حاوی مقدار بالای مواد آلی و نرخ بارگذاری بالای مواد میکربی هستند. همچنین گرانول ها توانایی ته نشینی خوب، زمان ماند بالای بیومس و تحمل مقادیر بالای مواد سمی را نیز دارا می باشند. گرانوله شدن، فرایندی جالب توجه در تحقیقات مهندسی و یک نوآوری در تصفیه بیولوژیکی فاضلاب های شهری و صنعتی است.
در مقایسه با فرایند لجن فعال متداول، تکنولوژی گرانول های هوازی، در جایی که بیومس مجبور به رشد در یک توده بهم فشرده در راکتور ناپیوسته متوالی است، مزایایی دارند. از جمله این که در فرایند تشکیل گرانول، ساختار میکروبی فشرده تری تشکیل می شود که دارای ته نشینی مناسب تر بوده و قابلیت بالایی در تحمل شوک های وارده است، اقامت بهتر و حفظ بیومس بالاتری داشته، قابلیت حذف همزمان بیولوژیکی را دارد
