بررسی و امکان سنجی کاربرد فرآیند پیشرفته IDEA در تصفیه فاضلاب شهری

درحال مشاهده: بررسی و امکان سنجی کاربرد فرآیند پیشرفته IDEA در تصفیه فاضلاب شهری

ادعونی اهدای خون

بررسی و امکان سنجی کاربرد فرآیند پیشرفته IDEA در تصفیه فاضلاب شهری

۱۳۸۹/۰۹/۲۱

12:0

امیرحسین ستوده بیدختی

در سیستم های تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی از فرآیندهای مختلفی استفاده می شود. یکی از مشهورترین این فرآیندها، لحن فعال (یا به صورت خاص لجن فعال از نوع هوادهی گسترده) است که در بیشتر نقاط دنیا به کار گرفته می شود.

با تحقیقات گسترده ای که بر روی این سیستم صورت گرفته است. فرآیندهای تکمیل شده مختلفی از لجن فعال معرفی گردیده است. یکی از این فرآیندهای تکمیل شده لجن فعال SBR و در سال های اخیر سیستم پیشرفته ای به نام IDEA می باشد.

IDEA فرآیند ساده، پیشرفته و اقتصادی است که برای تصفیه فاضلاب جوامع کوچک به کار می رود و استانداردهای زیست محیطی پساب خروجی را با شرایط مناسبی برآورده می سازد. در واقع IDEA که نوع پیشرفته ای گسترده می باشد.

از مزایای این سیستم علاوه بر اکسیداسیون مواد آلی گزینه می توان به نیترات زائی، نیترات زدائی، ته نشینی جامدات، عدم نیاز به حوض ته نشینی اولیه و جداسازی پساب تصفیه شده از لجن ته نشین شده اشاره کرد.

هوادهی دوره ای فاضلاب رشد باکتری ها را تسریع کرده و سبب تجزیه مواد آلی به محصولاتی از قبیل آب، دی اکسیدکربن، سلول های جدید و نمک های نیتراته می گردد.

در این فرآیند تصفیه کامل شامل سه مرحله پیوسته هوادهی، ته نشینی جامدات و جداسازی جریان خروجی می باشد.

امروزه همزمان با رشد فزاینده فناوری زیستی، سیستم های تصفیه فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی فاضلاب نیز به صورت قابل ملاحظه ای توسعه یافته اند. از این میان، فرآیندهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب با توجه به ماهیت خاص آن و تنوع انواع ارگانیزم های دخیل در انجام واکنش های بیولوژیکی شکل و ابعاد مختلفی را به خود گرفته است.

فرآیندهائی از قبیل فرآیندهای مختلف لجن فعال، صافی چکنده، لاگوت های هوادهی، برکه های تثبیت، فیلترهای بی هوازی و هوازی و ... از جمله مواردی می باشند که می توان به آنها اشاره نمود.

همزمان با شناخت واکنش های بیولوژیکی و اصول کینتیکی مربوطه، استفاده از فرآیندهای مناسبتر به منظور کاهش و حذف آلاینده های خاص و مشکل ساز مطرح گردید، فسفر و نیتروژن که به عنوان عناصر محدودکننده رشد موجودات ریز گیاهی در منابع آب سطحی شناخته می شوند، از جمله آلاینده هائی می باشند که از طریق فرآیندهای متعارف تصفیه فاضلاب به طور مناسب قابل حذف نبوده و همراه با پساب خروجی از تصفیه خانه های فاضلاب به منابع زیست محیطی وارد شده و باعث مشکلات خاصی نظیر حذف اکسیژن محلول آب، رشد سریع توده های گیاهی، تهدید زندگی موجودات آبزی، پدیده مغذی شدن منابع آبی و ... را فراهم می نمایند.

از سوئی عدم توانائی فرآیندهای متعارف تصفیه فاضلاب در حذف ترکیب سنتتیک سخت تجزیه پذیر یا غیرقابل تجزیه بیولوژیکی موجود در فاضلاب نظیر انواع ترکیبات داروئی و سایر ترکیبات شیمیائی و نفتی لزوم دستیابی به فرآیندهای پیشرفته و مناسب را در جهت حذف اینگونه آلاینده ها با اهمیت می سازد.

ضمن آنکه افزایش جمعیت و توسعه سریع کلان شهرها در شرایط کنونی وضعیتی را ایجاد کرده است که به علت عدم دسترسی به زمین ارزان قیمت و مناسب، افزایش ظرفیت هیدرولیکی و فرآیندی تصفیه خانه ها از طریق توسعه فیزیکی ابعاد تصفیه خانه عملاً میسر نبوده یا با مشکلات بسیار حادی روبرو است و در نتیجه جوامع انسانی به ویژه در شهرهای بزرگ را با معضلات زیست محیطی متعددی مواجه نموده است.

لذا انجام مطالعات لازم و بررسی های دقیق کارشناسی به منظور دسترسی به راهکارهای مناسب و فرآیند جدید و مطلوب جهت مرتفع ساختن مشکلات زیست محیطی به عنوان یک اصل مهم و غیرقابل انکار باید در دستور کار کلیه سازمان ها و نهادهای درگیر با این موضوع قرار گیرد.

● توصیف فرآیند

روش متعارف تصفیه فاضلاب شامل انواع مختلفی از فرآیندهای لجن فعال بود که در بیشتر نقاط دنیا به کار گرفته می شد. در بیشتر نقاط دنیا، نیاز برای ساختن واحدهای کوچک تصفیه فاضلاب بسیار بیشتر از واحدهای بزرگ می باشد. در این میان سیستم هوادهی گسترده می تواند گزینه مناسبی باشد. یک زنجیره معمولی تصفیه فاضلاب برای سیستم هواده یگسترده شامل پیش ته نشینی مکانیکی؛ هوادهی، ته نشینی و کلززنی می باشد.

یکی از سیستم هائی که در تصفیه خانه های کوچک می تواند به کار گرفته شود فرآیند راکتورهای ناپیوسته متوالی (SER) می باشد. فرایند SBR یکی از روش های اصلاح شده لجن فعال است. در بعضی از نقاط دنیا مطالعات زیادی در تبدیل راکتورهای ناپیوسته متوالی به واحدهای هوادهی گسترده انجام شده است (به خصوص استرالیا). در فرآیند SBR تنها از یک حوضچه استفاده می گردد و فاضلاب بعد از ورود به حوضچه هوادهی شده، با ایجاد شرایط مسکون (در همان حوضچه) پساب جدا می گردد.

در سال ۱۹۷۰، استفان جونز در استرالیا سیستم پیشرفته ای از SBR را معرفی کرد که با نام فرآیند IDEA مشهور شد. اولین واحد IDEA ساخته شده در انگلستان به نام ”Bathurst Box“ معروف شده بود. استفاده از این روش باعث می شود که جریان بتواند به صورت مستمر وارد سیستم شود. در این حالت، نیاز به هیچ بخش مکانیکی خاصی برای تغییر جریان به حوضچه های متعدد نمی باشد.

در سیستم IDEA پس از عبور فاضلاب از واحد اشغالگیری، جریان از طریق بخش های مشخص شده ای مستقیماً وارد حوضچه راکتور می گردد که تصفیه بیولوژیکی و جداسازی جامدات در آن به صورت متناوب انجام می گیرد. در این حالت احتیاجی به یکنواخت سازی جریان و حوضچه های متعدد نمی باشد.

هر چرخه عملیات تصفیه در هر روز ۴ تا ۶ بار اتفاق می افتد. هر کدام از این چرخه ها شامل سه فاز می باشد: هوادهی، ته نشینی و جداسازی. این چرخه ها ممکن است برای حصول درجه بالاتری از حذف نیتروژن و فسفر تغییراتی بیابد (۱ و ۲).

▪ تصفیه مقدماتی

مانند هر سیستم تصفیه دیگر، سیستم IDEA وقتی خوب کار می کند که جامدات غیرآلی از فاضلاب جداسازی شده باشند. در بیشتر سیستم های تصفیه IDEA کوچک از واحد آشغالگیر میله ای استفاده می کنند معمولاً در واحدهای بزرگتر از واحدهائی مانند سپتیک تانک استفاده می شود که قادر به جداسازی جامدات معلق و شناور می باشد.

▪ کالکتر یکنواخت کننده سرعت جریان ورودی (IVE) این بخش سرعت جریان ورودی را تنظیم و از تلاطم های ایجاد شده جلوگیری می کند. علاوه بر این کالکتر IVE سرع های هیدرولیکی جریان رو به پائین را که به واسطه جریان ورودی ایجاد می گردد، تغییر می دهد بنابراین از اغتشاش بیومس در تمام الگوهای جریان د طی فاز ته نشینی و جداسازی جلوگیری می کند.

▪ بخش Omni Flow

بخش Omni Flow (ناحیه پیش واکنش) شکل مکعبی یا استوانه ای دارد و جریان از کف حوضچه به طرف بالا قرار داده می شود این حالت باعث می گردد که تا ۳۶۰ درجه فضای باز بین کنار قسمت انتهائی بخش Omni Flow و کف حوضچه وجود داشته باشد. این نوع طراحی باعث ایجاد نسبت پائینی از جریان هیدرولیکی به سطح مقطع حوضچه می گردد (عموماً کمتر از ۳:۱). آهنگ انتقال پائین بین ناحیه پیش واکنش و راکتور باعث می گردد که جریان به آرامی از میان زیست توده عبور کند و در هنگام فاز ته نشینی و جداسازی، شستشوی جامدات اتفاق نیافتند.

ناحیه پیش واکنش ایجاد شده در درون بخش Omni Flow مجزا، با نسبت F:M بالا، بر مشکلات ناشی از بارگذاری هیدرولیکی و آلی پیک زودگذر غلبه می کند جذب BOD۵ اولیه تتا حدود ۷۰ الی ۸۰ درصد توسط بیومس ها به دست آمده است. به واسطه نسبت F:M بالا، رشد ارگانیسم های رشته ای کند می گردد و در نتیجه احتمال باکینگ لجن ضعیف می گردد (۳)

▪ سیستم هوادهی

سیستم هوادهی IDEA بسته به خصوصیات حوضچه، حجم فاضلاب و میزان آلودگی شامل چهار سیستم هوادهی است. از هر چهار نوع سیستم هوادهی دیفیوزری (حباب ریز، حباب درشت و ...) می توان در این سیستم استفاده نمود. ولی پرکاربردترین سیستم هوادهی، دیفیوزرهای با حباب ریز می باشد. مزیت عمده این سیستم ها نسبت به سیستم های تصفیه متداول مانند SBR به صورت زیر است:

ساخت ساده

هزینه سرمایه گذاری و راهبری پائین تر

همه واکنش ها در یک راکتور رخ می دهد

راهبری ساده به لحاظ تخصصی

حداقل نیاز به حمایت های تکنیکی

حذف BOD و جامدات معلق

حذف مواد مغذی کمکی در طی فرآیند

وجود چرخه خشک و مرطوب در راکتور

● خصوصیات فرآیندی سیستم IDEA

فاضلاب پیش تصفیه شده (آشغالگیر و شن گیر) مستقیماً وارد راکتور می گردد که در آن تصفیه بیولوژیکی و حذف جامدات به صورت همزمان صورت می گیرد و جامدات در یک تانک منفرد ته نشین می گردند؛ بنابراین نیازی برای تانک های ته نشینی مجزا نمی باشد. هوادهی دوره ای فاضلاب رشد باکتری ها را تسریع می کند و باعث تجربه مواد آلی به آب و سازمان های جدید و محصولات فرعی مانند دی اکسیدکربن و نمک های نیترات می گردد هوادهی به صورت منظم قطع می گردد، در نتیجه لجن و میکروارگانیسم ها ته نشین می شوند.

در این حالت مایع زلال روئی از آن خارج می گردد. یکی از مزایای قطع هوادهی، ایجاد شرایط مناسب برای رشد باکتری های بی هوازی و تبدیل نیترات به گاز نیتروژن می باشد. به صورتی که نیتروژن از فاضلاب به خوبی حذف می گردد. برای کنترل نسبت F:M مقداری از لجن به صورت مرتب حذف می شود. جریان خروجی از تانک باید گندزدائی شود تا در پساب از نظر میکروبی شرایط مناسب را پیدا کند.

در یک واحد بزرگ ساخته شده در انگلستان که از هواده دیفیوزی استفاده می کردند بیش از ۹۰% جامدات و مواد آلی از فاضلاب حذف گردیدند. همچنین مقداری از موادمغذی کمکی مانند ازت و فسفر نیز حذف شدند.

حوضچه های راکتور IDEA، جمعیت MLSS از Img/I تا ۱۰،۰۰۰mg/I را در خود گسترش می دهند. غلظت DO در آنها بین (۳ ۰) می باشد. بنابراین شوک بارگذاری های آلی در آن کمتر اثر گذارده و در نتیجه حذف فسفر و نیتروژن در سیستم به خوبی انجام می گیرد. از آنجائی که فرآیند IDEA مشابه با هوادهی گسترده در زمان مانند سلولی بالا راهبری می شود، بنابراین لجن کمتری تولید می گردد.

در فرآیند IDEA، مانند همه فرآیندهای تصفیه هوازی، آلودگی توسط باکتری های هوازی با مصرف اکسیژن کاهش می یابد. در طی فاز هوادهی فرآیند IDEA، باکتری ها به صورت طبیعی رشد می کنند و از مواد آلی و اکسیژن استفاده می کنند. محصولات جانبی این فرآیند دی اکسیدکربن و آب می باشد. این فرآیند به صورت زیر می باشد:

(۱)

BoD۵+O۲ > CO۲+H۲o

▪ حذف ازت و فسفر در سیستم IDEA

۱) نیترات زائی

نیتروژن در فاضلاب به دو شکل نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیاکی وجود دارد. در فرآیند IDEA، نیتروژن آمونیاکی و آلی به وسیله دو فرآیند طبیعی متوالی (باکتری های هوازی) به نیترات تبدیل می شوند. در اولین مرحله، نیتروزومونوس ها NH (مثبت ۴) را به نیتریت و در مرحله دوم نیتروباکترها نیتریت را به نیترات تبدیل می کنند.

(۲)

NH+۴ + ۳/۲O۲ >NO ۲ + ۲H+H۲O

(۳)

NO ۲ + ۱/۲O۲ > NO

۲) نیترات زدای

در فرآیند IDEA، باکتری ها از کربن آلی برای تبدیل نیترات به کار نیتروژن، آب و دی اکسیدکربن استفاده می کنند. این فرآیند در یک محیط آنوکسیک اتفاق می افتد که باکتری های نیترات زدا اکسیژن را از مولکول های نیترات تهیه می کنند و سبب تبدیل نیترات به گاز ازت می شوند.

(۴)

NO۳+ کربن > N۲+H۲O+CO۲

۳) حذف فسفر

تحت شرایط ایجاد شده توسط فرآیندی IDEA، حذف فسفر از طریق بیولوژیکی صورت می گیرد. میکروارگانیسم های موجود در مایع مخلوط قادر به حذف مقداری از فسفر فاضلاب هستند.

▪ طراحی فرآیند

هر چرخه استاندارد IDEA، چهار ساعت طول می کشد که شامل فازهای زیر است:

۱) فاز هوادهی و واکنش (۲ ساعت)

۲) فاز ته نشینی (۱ ساعت)

۳) فاز جداسازی (۱ ساعت)

در تمام مراحل چرخه جریان ورودی قطع نمی گردد. در دو فاز انتهائی (ته نشینی و جداسازی) هوادهی قطع می گردد و جداسازی جامدات و پساب در طی چرخه در زمان قطع هوادهی اتفاق می افتد.

نویسندگان: بهنام هوشیاری
دکترای مهندسی عمران محیط زیست دانشگاه تهران
احمد سبزعلی
۱) Intermittent Decanting Extended Aeration References
۱) Eckenfelder, W.W. Jr., Goronszy, M.C., and Quirk, T.P., The activated sludge Process: state of the art, CRC Crit. Rev. Environ. Control. ۱۵, ۱۱۱, ۱۹۸۵
۲) Irvine, R.L>, Technology assessment of sequencing batch reactors, Natl. Tec. Inf. Serv., PB۸۵ ۱۶۷۲۴۵/AS, ۱۹۸۵
۳) Irvine, R.L., Ketchum, L.H., Jr., Breyfogle, R.E., and Barth, E.F., Municipal application of sequencing batch treatment at Culver, Indiana, J.Water Pollut. Control Fed., ۵۵. ۴۸۴, ۱۹۸۳
۴) Irvine, R.L., Ketchum, L.H., Jr.,Arora, M.L.and Barth, E.F., An organic loading study of full scale sequencing batch reactors, J.Water Pollut, Control Fed, ۵۷, ۸۴۷,۱۹۸۵
۵) Irvine, R.L.,Murthy, D.V.S., Aurora, M.L., Copeman, J.L.,and Heidman, J.A.,An analysis of the full scale SBR at Grundy Center, lowa, J.Water Pollut. Control Fed, ۵۹,۱۳۲,۱۹۸۷
۶) Herzbrun, P.A.,Irvine, R.L.,and Malinowski, K.C.,Biological treatment of hazardous waste in sequencing batch reactors, J.Water Pollut. Control Fed., ۵۷,۱۱۶۳,۱۹۸۵
۷) Staszack, C.N., Full Scale Demonstration of a Sequencing Batch Reactor for a Hazardous Waste Disposal Site, Report ۸۵ ۲۱, New York State Energy Research and Development Authority, Albany, NY ۱۹۸۵
۸) Irvine, R.L.۵۰jka, ۵.A., and Colarruotolo, J.F., Enhanced biological treatment of leachates from industrial landfills, Hozardous Wastes, ۱,۱۲۳,۱۹۸۴
۹) Irvine, R.L., Applications of Sequencing Batch Reactors for Treatment of Municipal and Industrial Wastewaters, Research Grant, National Sciece Foundation&#۰۳۹;s Program of Research Applided to National Needs, July ۱۹۷۶ to April ۱۹۷۹
۱۰) Alleman, J.E.and Irvine, R.L., Nitrification in the sequencing batch biological reactor J.water Pollut. Control Fed., ۵۳.۲۷۴۷.۱۹۸۰
۱۱) Alleman, J.E, and Irvine, R.L., Storage induced denitrification using sequencing batch reactor operation, Water Res., ۱۴,۱۴۸۳.۱۹۸۰
۱۲) Ketchum, L.H., Jr.,Irvine, R.L.,Breyfogle, R.E.,and Manning, J.F., Jr.,A comparison of biological and Chemical phosphorus removals in continuous and sequencing batch reactors.J.Water Pollut. Control Fed., ۵۹, ۱۳.۱۹۸۷
۱۳) Manning, J.F., Jr.and Irvine, R.L., The biological removal of phosphorus in a sequencing batch reactor, J.Water Pollut. Control Fed., ۵۷, ۸۷, ۱۹۸۵
۱۴) Dennis, R.W. and Irvine, R.L. Effect of fill to react ratio on sequencing batch biological reactors, J.ater Pollut. Control Fed., ۵۱, ۲۵۵, ۱۹۷۹
۱۵) Chiesa, S.C., and Irvine, R.L., Growth and Control of filamentous microbes in activated sludge:an integrated hypothesis, Water es, ۱۹, ۴۷۱, ۱۹۸۵
۱۶) Chiesa, S.C., Irvine, R.L., and Manning, J.F., Jr., Feast/ famine growth requirements and activated sludge population selection, Biotechnol, Bioeny., ۲۷.۵۶۲.۱۹۸۵
۱۷) Murthy, D.V.S., Irvine, R.L.,and Hallas, L.E., Biodegradation of a herbicide wastestream in a sequencing batch reactor, paper presented at the Am. Inst. Chem. Eng. Annu. Met., New York City, November, ۱۹۸۷
۱۸) Brenner, A., Irvine, R.L., Ketchum, L.H., Jr., Kulpa, C.F., Jr., and Moreau, J.P., Treatabiity studies for on site biological remediation of soils and leachates.
contaminated by coal conversion residuals and by products.J.Hozordous Mater.,in press.۱۹) Irvine, R.L.and Busch, A.W., Sequencing batch biological reactors an overview, J. Water Pollut. Control Fed., ۵۱, ۲۳۵, ۱۹۷۹
۲۰) Palis, J.C. and Irvine, R.L., Nitrogen removal in a low loaed single tank sequencing batch reactor, J.Water pollut. Control Fed., ۵۷, ۸۲, ۱۹۸۵
۲۱) Superfund Strategy (Washington, DC:U.S. Congress, Office of Technology Assessment, OTA ITE ۲۵۲,April (۱۹۸۵