مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در تصفیه فاضلاب اصل موازنه جرم مواد است که براساس آن جرم مواد پیش و پس از تبدیل و واکنش‌ها محاسبه می‌شود.

1-2- رآکتور

 تصفیه‌ فاضلاب که شامل عملیات واحد فیزیکی و فرایندهای واحد شیمیایی و زیست‌شناختی می‌شود در جایگاه­ها و یا حوضچه‌هایی صورت می‌گیرد که رآکتور نامیده می‌شوند.

1-3- تاریخچه تصفیه غشایی فاضلاب

در سال ۱۷۴۸ فیزیکدان فرانسوی به­نام Jean Antonie Nollet برای اولین بار پدیده­ای که امروزه به نام اسمز شناخته می­شود، فرایندی که در آن آب از غشایی نیمه­تراوا عبورکرده و تا برقراری حالت تعادل از محلول مایع با غلظت کمتر به سوی محلول مایع با غلظت بیشتر حرکت می­کند، را توصیف کرد. دویست سال بعد، محققان این پدیده را برای ابداع اولین سیستم اسمز معکوس به­کار گرفتند. آنان دریافتند که با اعمال نیرو(energy) (به­صورت فشار و یا خلاء) به یک محلول مایع با آلاینده­های بیشتر، آب کماکان قادر است در غشا حرکت کرده، آلاینده­ها را باقی گذارده و آبی عاری از آلاینده را خارج کند(شکل۱-۱). به عبارت دیگر به­منظور حذف ذرات بسیار کوچکی همچون نمک­ها، ویروس­ها، آفت­کش­ها و بیشتر ترکیبات آلی می­توان آب را تحت فشار بالا و یا در خلاء به غشاهایی نازک هدایت کرد. سیستم های اسمز معکوس(RO) اولین گونه­های سیستمهای غشایی بودند که درتصفیه­خانه­های پیشرفته فاضلاب به­کار گرفته شدند. این موارد اولیه محدود به احیا/استفاده مجدد آب و یا تغذیه آب زیرزمینی بوده و از نظر جغرافیایی محدود به مناطقی بودند که با کمبود آب روبرو بودند. سیستم­های اسمز معکوس را می­توان به­منظور حذف یون­ها و جامدات محلول و همچنین حذف مواد آلی از جریان خروجی نوع سوم(tertiary) با کیفیت بالا به­منظورجلادهی(polish) به جریان خروجی پایانی برای استفاده مجدد و یا تغذیه (Recharge) آب­های زیرزمینی به­کار برد.

سابقه استفاده از غشاء برای صاف کردن به اوایل قرن ششم بازمی­گردد. دردهه سوم قرن بیستم غشاها برای جداسازی، خالص­سازی و یا غلیظ­سازی محلول­ها به ویژه سیال­های حاوی میکروارگا نیزمها مورد استفاده قرار گرفت. سیرتکاملی این پدیده با انجام پژوهش­هایی بر روی ساخت انواع غشاها ساخت فرآیند به گونه­ای ادامه یافت که درحال­حاضر این فرایند یکی از شیوه­های اصلی شیرین­سازی آب دریا محسوب می­شود. فرآیندهای غشایی طی2دهه گذشته، کاربردهای متنوعی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی یافته­اند. امروزه علاوه بر تصفیه آب و پساب؛ استفاده از این فن­آوري در فرآیند تولید و پالایش مواد نیز جذابیت زیادی پیدا کرده است. فرایندهای غشایی به شیوه­های فیزیکی برای جداسازی حلال از نمک­های محلول در آن با استفاده از غشاءهای نیمه­تراوا اطلاق می­شود. این فرآیند در سال­های اخیر پیشرفت­های زیادی داشته است .

مهم­ترین زمینه­های رقابت فن­آوری غشایی با فرايندهای کلاسیک در صنعت نفت عبارتند از:

۱- شیرین­سازي گاز ترش (حذف CO₂ و H₂s  از گاز طبیعی).

۲- بازیافت و خالص­سازي هیدروژن از جريان­هاي گازی نظير بازيافت هیدروژن از گازهاي خروجی واحدهای پالایشگاهی نظیر هیدروکراکر، هیدروتریتر، FCC و غیره.

۳- بازیافت هیدروژن از گازهای خروجی واحدهای تولید آمونیاک.

4- تنظیم نسبت اجزای گاز سنتز به منظور استفاده در انواع فرآيندهای تبدیلات گازی حذف بخار آب از هوا و گاز طبيعي.

۵-  بازیافت وجداسازي هیدروکربن­هاي سنگین از جریان گاز طبیعي و سایر جریان­های گازی.

6- تولید نیتروژن ازهوا و تولید هوای غنی از اکسیژن.

یکی دیگر از زمینه­هايی که طی سال­های اخیر به شدت مورد توجه قرارگرفته، راکتورهای غشایی هستند که با انجام همزمان واکنش شیمایی و جداسازی، بسیاري از محدودیت­های فرآيندهای کلاسیک را مرتفع می­كنند. بخش قابل­توجهی ازتحقيقات در زمينه راكتورهاي غشايي، با واكنش­هاي تبديلات گازی و نیز سایرتبدیلات شیمایی در صنایع پتروشیمی و پالایش نفت مرتبط است. چنانچه اين تحقيقات به نتايج مطمئنی براي استفاده در مقیاس صنعتی دست یابد، آینده بسیاری از فرآیندها را در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی تحت­تاثیرخود قرارخواهد داد به این دلایل، لزوم همگامی بخش تحقیقات کشور ما با تحقیقات جاری در دنیا، در این زمینه کاملا محسوس است .

فرآیندهای غشایی به نام­های زیر نامیده می­شوند: غشاها را به­صورت کلی بواسطه­ی اندازه­ی منفذ غشا، فشار اعمال شده، WMCO و براساس اندازه کوچکترین ذره که تحت­تأثیر نیروی فشاری از غشاء عبور می­کند دسته­بندی می­کنند: 

الف) میکرو فیلتراسیون       Micro filtration      

ب) اولترا فیلتراسیون           Ultra filtration

پ) نانو فیلتراسیون            Nano filtration

ت) اسمز معکوس    Revers osmosis – hyper filtration

ساز و کارحذف آلاینده­ها در میان گونه­های مختلف غشاها به­شکل چشمگیری متفاوت است. مایکروفیلتراسیون وUF، یون­ها و بطورکلی­تر جامدات محلول را حذف نمی­کنند؛ مایکروفیلتراسیون می­تواند باکتری­ها و موجودات ذره­بینی (microorganism) با ابعاد بزرگتری را حذف کند؛ آلترافیلتراسیون نیز قادر به حذف برخی ویروس­ها می­باشد؛ اسمز معکوس بیشتر جامدات منجمله نمک­های محلول و یون­های فلزی را حذف می­کند.

با توجه به آلاینده­های اختصاصی مورد نظر در سیستم تصفیه­ی فاضلاب و با توجه به اهداف کیفی جریان خروجی، باید گونه­ی مناسبی از غشا انتخاب شود.

رآکتور MBR همانطور که از نامش پیداست به صورت بیولوژیکی و غشایی می­باشد.

1-4- بیوراکتورهای غشایی (MBR)

ترکیب فرآیندهای بیولوژیکی با جداسازی غشای (Membrane Separation) یکی از جدیدترین تکنولوژی­های تصفیه فاضلاب می­باشد که به سرعت درحال رشد در این صنعت است. راکتورهاي بيولوژيکي MBR که از يک راکتور بيولوژيکي (بيوراکتور) با بيومس معلق و ممبران­هاي ميکروفيلتراسيون با قطر ‌منافذ 4-1 ميکرون جهت جداسازي جامدات تشکيل شده­اند داراي کاربردهاي زيادي در تصفيه فاضلاب هستند. این سیستم­ها ممکن است با بیورآکتورهای دارای بیومس معلق هوازی یا بی­هوازی استفاده شوند. سیستم­های ممبران می­توانند فاضلاب خروجی را به کیفیت فاضلاب خروجی حاصل از ترکیب ته­نشینی ثانویه و میکروفیلتراسیون برسانند. جایگزین واحدهای ته­نشینی، فیلتراسیون شنی و گندزدایی می­شوند که در روش­های سنتی لجن­ فعال Conventional Activated Sludge(CAS) برای جداسازی مواد معلق استفاده می­شدند.

فرآیندهای لجن فعال متداول(دربالا)، membrane bio reactor (در پایین)

سيستم‌هاي MBR ممکن است با بيوراکتورهاي داراي بيومس معلق هوازي يا بي‌هوازي استفاده شوند. سيستم‌هاي ممبران مي توانند فاضلاب خروجي را به کيفيت فاضلاب خروجي حاصل از ترکيب ته نشيني ثانويه و ميکروفيلتراسيون برسانند.  MBRها براي تصفيه فاضلاب‌هاي بهداشتي و صنعتي و استفاده مجدد آب کاربرد دارند.

شکل ساده در توصیف فرآیندهای  MBR

در واقع سيستم­هايMBR عمليات ميکروفيلتراسيون و تصفيه بيولوژيکي را در يک واحد فرآيندي انجام مي­دهند. بنابراين به­عنوان يک واحد کمکي براي ته­نشيني ثانويه و فيلتراسيون هستند و يا کلاً نياز به اين واحدها را برطرف مي­نمايند. توانايي حذف ته­نشيني ثانويه و عملکرد در غلظت MLSS  بالاتر مزاياي زير را به همراه دارد:

1- بارگذاري حجمي بالاتر و بنابراين زمان ماند هيدروليکي کوتاهتري مي­تواند اعمال گردد.

2- زمان ماند سلولي (SRT) بالاتري با کاهش توليد لجن رخ مي­دهد.

3- عملکرد در DO هاي پايين و امکان نيتريفيکاسيون _– دي نيتريکاسيون همزمان در طرح‌هاي با SRT بالا.

4- جريان خروجي با کيفيت بالا در پارامترهاي کدورت، باکتري، TSS وBOD.

5- فضاي  بسیار کمتري براي تصفيه فاضلاب مورد نياز است.

6-  تعداد مراحل فرآیندی کمتر برای دستیابی به کیفیت بیشتر در خروجی.

7-  کارکرد در MLSS بالاتر نسبت به روش سنتی.   

8- کاهش میزان لجن تولیدی.

9- حذف نگرانی­ها در خصوص قابلیت ته­نشینی لجن.  

10-  قابلیت تصفیهBOD  های بالا در مقایسه با روش سنتی.    

11-  میزان کدورت خیلی پایین در پساب تصفیه شده.

12-   هزینه پایین تر بهره­برداری با توجه به ثبات عملکرد.

- مضرات MBRها شامل :

1) هزينه سرمايه گذاري بالا.

2) عمر کوتاه ممبران.

3) هزينه بالاي تعويض پريوديک ممبران‌ها.

4) هزينه هاي انرژي بالاتر.

5)گرفتگی زودرس و نياز به کنترل گرفتگي (Fouling) ممبران مي باشد.

سيستم‌هاي MBR دو شکل کلي دارند:

1- ممبران در داخل بايوراکتور غوطه­ور است.

2- ممبران خارج از بايوراکتور قرار مي­گيرد.

در نوع اول، غشا  ميکروفيلتراسيون مستقيماً درون راکتور لجن فعال قرار دارد. مدولهای MBR از نوع مستغرق در تانک بیولوژیک (لجن فعال) یا در تانک جانبی قرار می­گیرند و تحت عملیات وکیوم در حالی­که توده زیستی(Biomass) در پشت غشاء باقی می­ماند آب از درون غشاء و مدول عبور کرده و خارج می­شود.

مدول‌هاي ممبران شامل ممبران‌ها، ساپورت آنها، اتصالات ورودي و خروجي خوراک و يک ساپورت اصلي مي­باشد. ممبران‌ها در معرض يک خلاء (کمتر از 50 کيلو پاسکال) قرار مي­گيرند که آب صاف را از درون ممبران‌ها بيرون مي­کشد درحالي­که جامدات در راکتور باقي مي­مانند. براي حفظ TSS درون راکتور و براي تميز نگه داشتن سطح خارجي ممبران‌ها، هواي فشرده در پايه مدول ممبران توزيع مي­شود، همانطور که حباب‌هاي هوا به سطح حرکت مي­کنند، شستشوي سطوح ممبران رخ  مي­دهد، هوا همچنين اکسيژن کافي را براي تامين شرايط هوازي تامين مي­کند.

شکل مربوط به MBR غوطه­ور

در MBR هاي نوع دوم،  لجن فعال از بيوراکتور به ممبران پمپ مي­شود و موادجامد درون ممبران باقي مانده و فاضلاب صاف خارج مي­شود. نيروي محرک فشاري است که بوسيله سرعت بالا درون ممبران ايجاد مي­شود. جامدات باقيمانده در ممبران مجدد به راکتور لجن فعال برگردانده مي­شوند. ممبران­ها براي جدا شدن جامدها بطور پريوديک Back wash شده و به صورت شيميايي براي جلوگيري از افت فشار تميز مي­شوند.

با جايگزين کردن اين نوع جداسازي به­جاي ته­نشيني ثانويه، ممبران مشکلات تورم لجن و ديگر مشکلات مربوط به ته­نشين‌هاي ثقلي را برطرف مي­کنند. سيستم‌هاي MBR مي­تواند در MLSS هاي بسيار بالاتر از راکتورهاي لجن فعال (15000-25000) ميلي­گرم در ليتر عمل کنند. اگر چه غلظت­هاي فوق قابل دسترسي است، ولي عملاً غلظت‌هاي بيش از 8000-10000  ميلي­گرم در ليتر بسيار هزينه­بر خواهد بود. فلاکس ممبران که سرعت حجم يا جرم جريان عبوري از سطح ممبران (ليتر بر متر مربع درساعت) است يک فاکتور مهم در طراحي است که بر اقتصاد طراحي نيز بسيار تاثيرگذار است. فلاکس‌هاي کمتر، منجر به غلظت‌هاي بالاتر MLSS مي­شود.

1-5- عملکرد بیولوژیکی سیستم های  MBR

بی­شک کلاریفایرها در سیستم­های لجن­فعال فضا و تسهیلات عمده­ای را به علت طراحی آنها براساس  بارگذاری سطحی در بر می­گیرند، به منظور صرف­نظر کردن از این گزینه، سیستم­های MBR جایگزین مناسبی برای کلاریفایرها به حساب می­آیند و از این طریق باعث بهبود جداسازی لجن و پساب خروجی می­گردند. سیستم­های MBR  قادر به تولید پسابی با کیفیت عالی:

 ) p=0/15mg/l و N= 2/2 mg/l، گندزدایی کامل باکتری­ها، کاهش قابل­ملاحظه ویروس­ها کاهش زیاد فلزات سنگین، کاهش زیاد میکرو آلاینده­های آلی مانند آفت­کش­ها و PAHS). غشا موجود در MBR از خروج جامدات بیولوژیکی و جامدات محلول با وزن مولکولی بالا، از بیورآکتور جلوگیری می­کند و تقریبا تمام مواد آلی در داخل MBR به آب و دی­اکسیدکربن تبدیل می­شود. در سیستم­های  MBRهیچگونه وسیله متحرکی وجود ندارد و هوادهی سیستم با استفاده از هوادهی دیفیوزری انجام می­گردد که از مزایای آن می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1) تامین اکسیژن محلول به منظور تجزیه کامل مواد آلی.

2) ایجاد نیروی حرکتی به منظور حرکت مارپیچی فاضلاب در نتیجه افزایش زمان تماس و افزایش تجزیه میکروبی.

3) حذف جامدات موجود در سیستم بدون شستشوی معکوس و حذف لجن.

4) عدم تولید بوهای نامطلوب.

رشد باکتریایی در  MBR خیلی سریع اتفاق می­افتد و در همین حال پلی ساکاریدهای موجود در سلول باکتری­ها باعث چسبیدن آنها به ماتریکس شده و فیلم ثابت را تشکیل می­دهند، به علت بالا بودن نسبت سطح به حجم در داخل  MBR غلظت باکتریایی در یک واحد کوچک افزایش پیدا  می­کند و لذا همانند سیستم لجن فعال نیازی به برگشت لجن نیست، باکتری­ها در حین عبور فاضلاب از لابه­لای محیط بیولوژیکی چسبیده، اکسیژن، نیتروژن، فسفر و سایر مواد مغذی خود را از آن     

می­گیرند، سپس از طریق جذب، مواد مغذی را مصرف نموده و باعث افزایش  ضخامت لایه بیولوزیکی درسطح غشا می­شوند. بنابراین در اثر رشد لایه­های جدید، لایه­های قدیمی در اثر کمبود اکسیژن و از دست دادن قدرت چسبندگی خود از سطح غشاء کنده شده و ریزش پیدا می­کنند که اصطلاحا به این پدیده پوست اندازی می­گویند. نگهداری پایین نسبت F/M در رآکتور منجر به تولید حداقل لجن شده و در نتیجه اندازه تصفیه­خانه کاهش می­یابد، درحالت بهره برداری عملی سیستم  MBR، فیلم بیولوژیکی در حالت دینامیک قرار گرفته و رشد و ریزش لایه قبلی قرار می­گیرد.

1-6- تکنولوژی غشاء مورد استفاده در سیستم  MBR

اصولا غشاها دارای پنج شکل 1) صفحه و قاب 2) مارپیچی 3) فیبرتوخالی 4) لوله­ای 5) دیسک­دوار و استوانه می­باشند ولی عمدتا دو نوع غشا لوله­ای و فیبرتوخالی در سیستمهای  MBR مورد استفاده قرار می­گیرند. غشاهای لوله­ای به شکل لوله­هایی با منافذ داخلی هستند. فاضلاب با فشار وارد لوله شده و به صورت عمود بر غشا از آن خارج می­شود. عیب غشاهای لوله­ای پایین بودن نسبت سطح به حجم است ولی برای تصفیه فاضلاب­های دارای جامدات زیاد به علت عدم­گرفتگی منا سب هستند. غشاهای الیاف توخالی از فیبرهای فشرده و قابل انعطاف و دسته­بندی شده ساخته شده­اند. در این غشاها فاضلاب با فشار از بیرون فیبر وارد شده و آب تصفیه شده از یک انتهای دیگر فیبر خارج    می­شود. غشاهای الیافی دارای نسبت سطح به حجم بالایی هستند و در نتیجه امکان گرفتگی آنها بیشتر است. قابلیت انعطاف فیبرها امکان شستشوی معکوس آنها را بدون صدمه به غشا فراهم       می­کند. غشاهای الیافی عمدتا در فرآیندهای  MBR مستغرق مورد استفاده قرار می­گیرند.

 MBR در دو نوع آرایش خارجی و داخلی در سیستم­های تصفیه فاضلاب مورد استفاده قرار        می­گیرد.  MBRخارجی بعد از سیستم لجن فعال (هوازی و یا غیرهوازی) قرار گرفته و برای فاضلاب­های با آلودگی بالا و جریان کم مورداستفاده قرار می­گیرند مانند:  فاضلاب­های حاصل از محل دفن بهداشتی، صنایع داروسازی و غیره، درصورتی که  MBR داخلی در داخل رآکتور لجن فعال

تعبیه شده و به  MBR مستغرق معروف می­باشد. این نوع آرایش برای فاضلاب­های با جریان متوسط و زیاد مناسب بوده و قابل رقابت با سیستم­های متداول و پیشرفته هستند. برای فاضلاب­های با جریان زیاد مانند فاضلاب­های شهری و صنعتی، فاضلاب های آبجوسازی صنایع قند و کاغذ استفاده می­شوند.

1-7- بهره برداری سیستم های  MBR

بهره برداری از غشا تقریبا ساده است، یک پمپ برای تامین فشار و گردش جریان در مدول غشا لازم بوده و همچنین یک شیر برای  نگهداری فشار مواد تغلیظ شده مورد نیاز می­باشد. آب صاف شده معمولا در فشار اتمسفری خارج می­گردد. همچنان که مواد موجود در فاضلاب بر روی فیلتر تجمع پیدا می­کنند (پروسه گرفتگی غشا) فشار در قسمت تغذیه افزایش یافته در نتیجه فلاکس غشا و درصد پس زدن کاهش می­یابد. هنگامی که عملکرد غشا کاهش می­یابد، غشا از سرویس خارج شده و توسط عمل شستشوی معکوس و یا مواد شیمیایی تمیز می­گردد، به منظور جلوگیری از گرفتگی غشا و رسوب جامدات معلق در سطح غشا باید شرایط جریان متلاطم (عدد رینولدز بزرگتر از 2000 ) در غشا حاکم باشد. پارامترهایی همچون: فشار، درجه­حرارت، دانسیته فشردگی غشاء، فلاکس(میزان جریان در واحد سطح)، فاکتور احیا، رد کردن املاح، طول عمر غشا، PH، کدورت، مصرف انرژی و سرعت جریان، در بهره برداری  MBRموثر هستند. از مسائل مربوط به بهره برداری  MBR می­توان به فاکتور α و مصرف انرژی و گرفتگی غشا اشاره نمود. به­ طور خلاصه می­توان پدیده  Fouling(گرفتگی) را به دو گروه  Microfouling(رسوب­گذاری،گرفتگی­بیولوژیکی، جذب­سطحی/ گرفتگی توسط مواد آلی، انسدادمنافذ) و  Macrofouling (تشکیل کیک روی سطح غشاء ورود انواع آشغال و غیره) تقسیم بندی کرد.

1-8- کنترل بو و متعفن شدن ممبران­ها

Illustration of membrane fouling

در رآکتور لجن فعال، روکش­های بیومس لایه بیرونی غشاها در یک MBR تکمیل شده در طی فاصله زمانی قطع پساب استفاده می­شود. ممکن است ذرات در منافذ داخلی ممبران­ها نفوذ کنند و سبب افزایش در افت فشار شوند، روش­های کنترل مداوم بوی بد ممبران­ها در طی بهره­برداری از MBR توسط تمییزکننده بسیار خورنده دوره­ای جهت حفظ ظرفیت صاف­سازی ممبران به کار     می­روند. یک روش پیشرفته توسط Zenon Enviromental جهت کنترل بوی بد سطح خارجی فیبرهای غشایی فرآیندهایی است که شامل سه مرحله می­شود:

اول، فراهم کردن هوادهی حباب درشت در بالای تانک ممبران مستقیما زیر فیبرهای غشایی، جریان حباب­های هوا در جهت عمودی بین فیبرها صعود می­کنند که سبب به کار انداختن فیبرها درخلاف جهت یکدیگر می­شود، وسبب فراهم کردن شستشوی مکانیکی می­شود.

دوم، صاف­سازی به فاصله زمانی هر30-15 دقیقه  به صورت منقطع انجام می­شود و فیبرهای غشایی توسط نشت به مدت 45-30 ثانیه شستشوی معکوس می­شوند.(Giese & Larsen ,2000) بقایای سیستم در خط درطی شستشوی معکوس زدوده می­شوند. زمان کامل برای شستشوی سریع معکوس

حدود 45 دقیقه در روز می­باشد. معمولا غلظت پایین کلر (<5 mg/l) جهت غیر فعال سازی و حذف میکروب­هایی که به سطح خارجی غشا می­روند در آب شستشوی معکوس نگهداری می­شود.

سوم، حدود سه بار در هفته محلول هیدروکسید سدیم قوی (حدود 100 mg/l ) یا اسید سیتریک در روش شستشوی سریع معکوس به مدت 45 دقیقه در رویه­ای که تمییزکنندگی باقیمانده نامیده می­شود استفاده می­شود. بعد از 45 دقیقه در هنگام تمیز کردن، سیستم توسط نشت به مدت 15 دقیقه شستشوی سریع داده می­شود یک عمل نشت اضافی شستشوی سریع به زهکش به مدت     15-10 دقیقه جهت تصفیه سیستم دارای کلر آزاد انجام می­شود یکدفعه خلاء نیز آغاز و ایجاد      می­شود، زمان کامل تعطیلی و عدم کارکرد سیستم در طی تمیزکنندگی باقیمانده حدود 75 دقیقه است. سیستم ضربان معکوس شبیه به یک سیستم شستشوی سریع یا تمیز کردن معمول است یک محلول کلر به صورت دوره­ای از طریق غشاها در جهت معکوس شبیه به شستشوی معکوس فیلتر پمپ می­شود. کاست­ها می­توانند به آسانی از حوضچه هوادهی توسط یک سیستم بالا برنده در یک حمام شستشو شیمیایی حذف شوند، زمانی که برای تمیز شدن حذف می­شوند، کاست­ها در حمام محلول کلر با غلظت زیاد در یک تانک کوچک جداگانه یا تانک مستقر شده در مجاورت تانک هوادهی قرار دارند، تمیز کردن خارجی هر 3 تا 6 ماه انجام می­شود. ترکیبی از شستشو با هوا، شستشوی سریع معکوس، و تمییزکنندگی باقیمانده در کنترل بوی بد غشاها کاملا موثر نیست و افت فشار غشاها را با زمان افزایش می­دهد، افت فشار غشاها برای نشان دادن مشکلات بوی بد و احتیاج به تمیز کردن پایش و مراقبت می­شود، در افت فشار ماکزیمم بهره­برداری (حدود 60 kpa) غشاها از تانک هوادهی جهت شستشو بازیافت حذف می­شوند (Fernandez et.al 2000 ) در طی شستشو بازیافت یک کاست غشایی در یک تانک شامل محلول هیدروکلریت سدیم 1500-2000 mg/l برای حدود 24 ساعت خیس می­شود. غشاهای یدک معمولا در تانک هوادهی در طی شستشو بازیافت نصب شده­اند همچنین کاهشی در ظرفیت تصفیه نداریم. یک روش مشابه جهت کنترل بوی بد برای غشا MBR

میتسوبیشی گزارش شده است (merlo  et . al 2000) در فرآیندهای Kubota MBR غشاهای صفحه – شناور برای تمییز کننده حذف نشده است و شستشوی سریع معکوس کم با محلول 5/0 در صد هیپو کلریت موثر نشان داده شده است. (Stephenson  et . al 200)

1-9- کاربردهای سیستم هایMBR در تصفیه فاضلاب

امروزه از سیستم­های MBR در تصفیه انواع فاضلاب­ها (صنعتی و شهری) در خیلی از کشورهای دنیا همچون امریکا، انگلستان، بلژیک، آلمان، ژاپن، نروژ، کانادا، هلند، فیلیپین، اسرائیل، دانمارک و...به صورت وسیع استفاده می­شود. از سیستم­هایMBR در تصفیه فاضلاب­های محتوی مواد شیمیایی، فاضلاب­های روغنی، فاضلاب پتروشیمی، صنایع داروسازی، دباغی، نساجی، رنگرزی، کاغذسازی، معدن، استیل، نیروگاه برق الکترونیک، صنایع غذایی، کشاورزی، فاضلابهای شهری و آب­های خاکستری استفاده می­شود. بررسی مقالات و ژورنال­های مختلف استفاده وسیع سیستم­های MBR را در تصفیه انواع  فاضلاب­ها و به خصوص فاضلاب­های شهری نشان می­دهد، در اکثر سیستم­های  MBR مورد استفاده برای تصفیه فاضلاب­ها میزان حذف COD، حدود %98 و میزان آمونیاک و BOD پساب حدود 5 میلی­گرم در لیتر گزارش شده است. سیستم­های  MBR می­توانند  به صورت­های هوازی، غیرهوازی و یا بی­هوازی مورد بهره­برداری قرار گیرند، این عمل امکان تصفیه بیشتر مواد آلی مختلف (مانند آمونیاک، ترکیبات آلی کلردار و نیتراتها) را فراهم می­نماید، جدول1 و 2 کارایی MBR را در تصفیه فاضلاب نشان می­دهد.

جدول1- راندمان تصفیه فاضلاب با MBR

جدول2- نتایج حاصل از مطالعه MBR برای تصفیه فاضلاب

1-10- قابلیت فرآیندها

قابلیت تصفیه MBR توسط  حذف TSS,BOD و کلی­فرم و نیتروژن براساس مقیاس آزمایشگاهی و مطالعات full-scale بررسی می­شود. زیرا پساب لجن فعال  MBRها توسط فیلتراسیون از طریق غشاهای اسمی  0/4 µm تصفیه می­شوند. غلظت­های بسیار پایین جامدات معلق پساب، کدورت و BOD ایجاد شده­اند که پساب مناسبی را برای آبی که جهت استفاده مجدد ضدعفونی می­شود را فراهم می­نماید. مشخصات عملکرد سیستم­های  MBR در جدول 3  به صورت خلاصه  گزارش شده است، BOD پایین پساب و غلظت های پایین کدورت برای سیستم­های MBR  با غلظت­های  MLSS به مقدار  6000 – 16000 mg/l  ممکن می باشد. سیستمهای مقیاس   Full –scale و مقیاس آزمایشگاهی با فرآیندهای حذف نیتروژن بیولوژیکی در شرایط هوازی و کمبود اکسیژن (MLE ) با نتیجه غظت­های کمتر از  10 mg/lکه نیتروژن کامل پساب دست یافته است به کار برده می­شوند.(   Mourato  et.al 1999 , Revoir et .al 2000 & Giese et . al 2000 ) در این مطالعات جهت تغذیه نیترات تانک کمبود اکسیژن جداگانه بازیافت جریان ورودی به نسبت 6/0- 4/0 استفاده شده است. حذف نیتروژن در سیستم های  MBR همچنین در آزمون های  bench و مقیاس آزمایشگاهی توسط استفاده از هوادهی متناوب یا عملکرد در غلظت پایین  DO برای رسیدن به SNdN  انجام می شود. مطالعه هوادهی متناوب با غلظت  MLSS 6000 mg/l  هدایت شده و فواصل هوادهی  on/off 15 دقیقه می باشد(Fernandez et .al 2000) ، میزان غلظت نیتروژن کامل پساب به حدود     7-10 mg/l دست یافته است. نیتریفیکاسیون کامل در غلظت های بالا  MLSS (بالای 13000 mg/l )احتمالا به علت محدودیت  DO در لجن فعال غیر ممکن می­باشد. در مطالعه آزمایشگاهی یک  MBR در غلظت پایین  DO (< 1 mg/l ) برای انجام  SNdN  با موفقیت عمل می­کند.

جدول 3- اطلاعات  بهره برداری و عملکرد معمول برای  MBR

1-11- هزینه­ی مجموعه­ی تاسیسات بیو رآکتور غشایی 

هزینه­ی سرمایه­گذاری اولیه و هزینه­های بهره برداری مربوط به یک مجموعه ی MBR کوچک برای مصارف محلی در ابعاد کوچک بر مبنای یک فاضلاب شهری با قدرت متوسط برآورد شده است. سه [حالت] اصلی پیکربندی مورد ملاحظه قرار گرفتند، این لوله­های چندتایی، رشته­های تو خالی و ورقهای صاف با مناسبترین طراحی تاسیساتی برای هر پیکربندی انتخاب گردیدند. تحلیل [این امر] از طریق در نظر گرفتن هزینه های برآورد شده­ی مربوط به سرمایه­گذاری استهلاکی اجزای منفرد تاسیسات و نصب آنها همراه با هزینه­های بهره­برداری که اساسا بر مبنای نیاز به انرژی و مدیریت ابقایی می­باشند ادامه یافت. نیاز به انرژی از طریق [محاسبه­ی] هزینه های تلمبه زنی[(پمپ کردن)] و هوادهی، که هوادهی آن بر مبنای مجموعه­ای از روابط تجربی در خصوص هوادهی غشایی و موازنه­ی جرمی و نسخه­ی 2 مدل لجن فعال اصلاح شده برای برآورد اندازه­ی حوض[(تانک)] و تولید لجن برآورد گردید. نتایج نشان دهنده­ی آن بودند که ساخت یک MBR منفرد خانگی با هزینه­ی سرمایه گذاری مشابه با هزینه­ی بازار فعلی در خصوص تصفیه خانه­های مجموعه­ای[(پکیج)] امکان­پذیر است. لجن­ زدایی و نگهداری این تاسیسات[(Plant)] مشابه بوده ولی نیاز به نیرو برای یک MBR حدود 4 برابر است که مربوط به مجموعه­ی تاسیسات سنتی­تر میباشد. صرفه­جویی­های تولید انبوه از6_20p.e تاسیسات بودند اما [در خصوص موارد]بالای 20p.e تفاوت هزینه­های کمی به ازای هر فرد وجود دارد که مربوط به فرضیات طراحی انجام گرفته می­باشد. CAPEX و OPEX تا حدی قابل معاوضه می­باشند؛ کاهش در CAPEX مرتبط با افزایش در OPEX بوده و بلعکس. علاوه بر آنکه هزینه­ها بالاست، بازار مجموعه­ی MBR بشکل چشمگیری متاثر از پتانسیل بازیافت پساب تولیدی می­باشد.

-­ مقدمه

یک مجموعه­ی تاسیساتی[(package plant)] یک واحد کامل است که در یک کارخانه ساخته شده و برای نصب مستقیم و به­منظور تقابل با تاسیسات سنتی­تری که در محل تاسیس شده­اند [به محل] حمل می­شود. فناوری­های اصلی فرایند هوازی که برای این تاسیسات کارخانه ساز مورد استفاده قرار گرفته­اند، صافی هوا داده شده­ی غوطه­ور(SAF)، لجن فعال سنتی(CAS)، تماس دهنده­های زیستی چرخان(RBCs)، راکتور متوالی دسته­ای [(sequencing batch reactor)](SBR)، صافی چکنده(TF)، و صافی فعال شده­ی زیستی(BAF) می­باشند. اگر چه هر کدام از این فرایندها مزایای خاص خود را دارند اما هیچکدام باعث ایجاد پساب ضدعفونی یا تصفیه ی بسیار بالا نمی­گردند.

MBR ها در خلال 15 سال گذشته در بازار بخش تصفیه­ی آب شهری نفوذ قابل توجهی داشته­اند. مزایای آنها بر روش­های سنتی بخوبی مستند شده است همانطور که بسبب رسوب در غشا دارای محدودیت نیز می­باشند. کاربردهای دامنه­ی متنوع و رو به رشد فناوری­های تجاری موجود تمایلی به محدود شدن در دامنه­ی بین M3/day10 و 50000 از ظرفیت ثابت را نشان می­دهد. اگرچه سال به سال MBR های بزرگتری در حال ساخت هستند. از طرف دیگر کمیابی رو به گسترش آب همراه با قوانین سخت یک MBR منفرد خانگی (<5M3/day) را با پسابی برای کاربردهای بدون تماس برای انسان همچون آبیاری، شستشو، و سیفون دستشویی طلب کرده که از نقطه نظر اقتصادی نیز بالقوه ماندگار هستند. با این­همه عقیده بر آن است که یک MBR منفرد خانگی در مقایسه با مخزن آب شیرین و تخلیه­ی مستقر شده پر هزینه است. (P1) در واقع در قاره­ی اروپا برای جریان­های  0.8-1.6m3/day  (معادل 4-8 نفر جمعیت یا p.e) بر مبنای پیکربندی غشای ورق مسطح تنها یک محصول مستقر موجود است. دیگر فناوری­های تجاری مجموعه­ی تاسیسات MBR گرایش به مورد گزینش قرار گرفتن در جریان­های بالاتر تا 125p.e.(25m3/day) دارند

تصفیه­خانه­های مجموعه­ای دچار محدودیت­های بسیارخاصی هستند که از انواع کاربردی تا انواعی که مربوط به قراردادهای تصفیه­خانه­های شهری می­شوند متغیرند. آنها ممکن است زمانی برای 3-12 ماه بدون متصدی رها شوند؛ بنابراین ساختمان و فرایند طراحی بایستی به گونه­ای قدرتمند باشد تا از عهده­ی اینچنین روش نگهداری برآید. ساخت تاسیساتی که نصب آن آسان باشد بسیار مطلوب است چرا که نصب عموما توسط افرادی انجام می­گیرد که به­جای تخصص در تصفیه­ی فاضلاب و زهکشی، در اصول و مبانی کار تخصص دارند. از همه مهمتر آنکه سرمایه­گذاری­های مربوط به هزینه­های جانبی بایستی پایین باشد. از آنجایی که نیاز کلی به انژی به ازای هر واحد زمانی، حتی اگر نیاز اختصاصی به انرژی (به ازای حجم پساب تصفیه شده) بالا باشد، عموما پایین است، هزینه­های عملیاتی در این بازار بندرت در نظر گرفته می­شوند. طراحی بایستی به­منظور قابلیت کاربرد در دامنه­ی گسترده از   کیفیت­هایی[که در مورد] آب تغذیه کننده در نظر است از قابلیت انعطاف کافی برخرودار باشد چرا که بر خلاف نصب سفارشی در محل[مشخص] فناوری مربوط به این فرآیند عموما به ­منظور کاهش هزینه­های تولیدی از طریق تولید انبوه محدود به طراحی یک تاسیسات[(دستگاه)] منفرد است.

علی رغم نگرش سنتی بر پایه­ی هزینه­های مربوط به سرمایه­گذاری، با اینهمه به صلاح است که   هزینه­های اجرایی تولید یک مجموعه تاسیسات MBR را به جهت اثبات قابلیت اقتصادی در هر دو شکل هزینه­های سرمایه­گذاری و عملیاتی در نظر بگیریم. محاسبات از طریق در نظرگرفتن ویژگی­های اختصاصی و احتمالا دامنه­ای از هزینه­های اجزای انفرادی سیستم و هزینه­های عملیاتی وابسته به طراحی سیستم و بیوکینتیک افزایش خواهند یافت. داده­های موجود در مورد سیستم­های فعلی    می­توانند به­منظور مرتبط کردن نفوذپذیری غشا با نیاز به انرژی و نیازمندی­های مربوط به نگهداری مورد استفاده قرار گیرند. نیاز به انرژی پیش از هر چیز از ترکیبی از هوادهی و تلمبه کردن سیال بوجود می­آید و بخش کوچکی از آن به نگهداری از تجهیزات کنترل الکتریکی اختصاص می­یابد.

گستردگی تلمبه کردن سیال و هوادهی به طراحی سیستم وابسته است. هر طراحی به نوبت و    هزینه­های دخیل در آن در گستره­ای از جریان­ها مورد بررسی قرار می­گیرند.

- روشها

- شرایط مرزی

در حال حاضر یک معیار اروپایی(prEN 12566-3, 2006) به­منظور حصول اطمینان از آنکه تمامی مجموعه­های تصفیه خانه­ها با مشخصات یکسانی طراحی شده­اند وجود دارد. هدف این معیار تعیین " نیازهای اساسی، اجرای فرایند، آزمون، علامت­گذاری و نیازهای کنترل کیفی"برای تاسیساتی تا 50p.e می­باشد. تاسیسات بالای 50p.e می­توانند توسط معیارهای منتشر شده توسط          Dwr Cymru و Wessex Water که برای تاسیسات مجموعه­ای پذیرفتنی است تامین گردند. (P3) متن پیش رو در مواردی که این معیارها می­تواند برای مقایسات مرسوم بکار گرفته شود به تاسیسات مجموعه­ای می­پردازد. در نتیجه­ی این اطلاعات، با توجه به مواردی که در مقیاس­های مختلف مرتبط با تاسیسات MBR هستند، برخی فرضیات اساسی با در نظر گرفتن یک مجموعه تاسیساتی MBR می­تواند در نظر گرفته شود:

1- ظرفیت جریانی 200L/(p.e) (لیتر به ازای هر نفر در روز).

2- حداکثر 10% جریان روزانه در دوره ی زمانی یک ساعت تخلیه شود، یعنی 20L/(h.person).

3-­ کیفیت پساب ورودی 300mg/L BOD, 600mg/L COD،  جامدات معلق 375mg/L و NH4-N 45mg/L.

4- هیچ حذف ماده­ی مغذی­ای مورد نیاز نباشد: تنها یک منطقه­ی زیستی هوازی مورد استفاده قرار  گیرد.

 5- کیفیت پساب خروجی 20:0:5 COD:SS:NH4-N .

6- حوضچه­های دردسترس از نظر تجاری که حاوی استوانه­هایی از ساختمان پلی­اتیلن به­شکل عمودی باشند.            

 7- هزینه­های نصب بر مبنای حفاری خاک در صورتی که هیچ آستر بتونی مورد نیاز نباشد. حجم [محل] نصب بر مبنای حفره­ی مربعی که گوشه­هایش پهنایی مشابه قطر حوضچه داشته باشند. به منظور جلوگیری از فرو ریختن گودال، هر ضلع با زاویه­ی 45 درجه حفاری گردیده (زاویه­ی قرینه). هزینه­های حفاوی 80 یورو به ازای هر متر مکعب از خاک جابجا شده بر آورد می­گردد.          

8- 600 میلی­متر اضافی به­منظور دسترسی و 200 میلی متر اضافی شکاف هوا 800 میلی­متر به   قله­ی آب طراحی شده می­افزایند.

9- تاسیسات قادر به بهره برداری مستمر شش ماهه بدون سرکشی­های مربوط به تعمیر و نگهداری باشند. 

10- ظرفیت تاسیسات بدون فراهم کردن افزایش در سیستم در دامنه­ی 6-49 p.e باشد.            50 % افزایش در 50-200p.e. . 

11- نیاز به هوادهی توسط پیکربندی عمومی غشا تعیین گردد (یعنی FS, HF or MT به ترتیب برای صفحات تخت، رشته­های توخالی و چند لوله) که مستقل از فروشنده باشد.

اجزای سیستمی که در این مقایسه مورد استفاده قرار گرفته­اند در جدول 1 فهرست شده و       هزینه­های عملیاتی مفروض به­شکل اجمالی در جدول 2 آورده شده­اند.  فرضیات اتخاذ شده در برابر طراحی کلی سیستم مستقل هستند. گزینه­های [مربوط به اشکال] غوطه ور و [مربوط به] جریان جانبی[(Sidestream)] (به ترتیب iMBR و sMBR) درنظرگرفته شده­اند و بر طبق نوع غشا (FS یا HF) در یک iMBR یا MT برای یک sMBR مورد دسته بندی بیشتر نیز قرار گرفته­اند. از آنجایی که غشاهایsMBR MT تلمبه می­شوند، غشاهای iMBR ها به­شکل هوادهی شده فرض

می­شوند.

فرآیند پیکربندی بنابر موارد فوق بدین ترتیب است:

HF iMBR -a یا HF هوادهی شده­ی غشایی.

FS iMBR -b یا FS هوادهی شده­ی غشایی.

MT sMBR -c یا MT تلمبه شده.

 1-12- طراحی تصفیه­ی زیستی

-­ روش برآورد اولیه­ی حوضچه

 برای FS iMBR یک حوضچه ی تن نشینی اولیه مورد استفاده قرار میگیرد. این حوضچه 10 لیتر (PEهفته) لجن را در انتهای دو سوم حوضچه ذخیره میکند (Bs 6297:1983):

 فاضلاب ته­نشین­شده بار BOD و SS کمتری نسبت به فاضلاب خام دارد که که برحجم حوضچه­ی هوادهی پایین دست(Downstream)، تولید لجن و نیازهای مربوط به فرآیند سازی هوا تاثیرگذار است. قدرت پساب ورودی به محفظه ی راکتور400:150:45 COD:TSS:NH4-N  می­باشد.

-­ طراحی راکتور

بیشتر کار انجام شده بر روی الگو سازی بیوکینتیک MBR بوده است که دامنه­ای از مقادیر را برای عوامل دخیل در سیستم MBR گردآوری می­کند.

-­ اندازه­ی حوضچه و تولید لجن اضافی

با چیدن دوباره­ی رابطه در خصوص غلظت لجن در بیورآکتور یا MLSS  ون و همکاران، حجم حوضچه را می­توان از رابطه­ی زیر بدست آورد:

 با فرض آنکه 85% از COD در بیورآکتور و 12% توسط جداسازی غشایی حذف میگردد، Csup برابر با 0.15Ci و Ce برابر 0.03Ci یا رابطه­ی (2) خواهد بود که می­توان آنرا به رابطه­ی (3) ساده کرد: 

-­ هوادهی

نیاز به اکسیژن برای نگهداری اجتماعی از میکروارگانیسم­ها و تجزیه­ی COD و آمونیاک و نیتریت به نیترات میتواند از تعادلی جمعی در سیستم بوجود آید: (P4) تنها بخش تجزیه­پذیرCOD مصرف کننده­ی اکسیژن خواهد بود و بنابراین این رابطه یک برآورد محافظه­ کارانه نتیجه خواهد داد. NOx نشان دهنده­ی مقداری از آمونیاک است که توسط سیستم اکسید می­شود و از تعادل نیتروژن در سیستم محاسبه می­شود:

بیشتر اکسیژن از میان زیست توده (Biomass) ای که غیر محلول باقی می­ماند بصورت حباب خارج می­شود. اثرات انتقال جمعی بشکلی که توسط ضریب انتقال جمعی حجمی kLa برحسب واحد زمان تعیین گردیده بایستی به حساب آیند. میزان انتقال اکسیژن بصورت زیر است:

که C و C* مقادیر غلظت اکسیژن محلول و اشباع بر حسب kg/m3 هستند. برای آب خالص و شرایط تعادل، C با استفاده از قانون هانری محاسبه می­شود. انتقال اکسیژن مستقیما در تناسب با عمق آب است و از آنجایی که حبابها بطور طبیعی رشد می­کنند، در حوضچه­های عمیق­تر زمان ماند بالاتری دارند. سازندگان پخش­کننده­ها، برآوردی از بازده انتقال اکسیژن برای تولیداتشان فراهم  کرده­اند. یک بررسی بازاری نشان داد که OTE بر حسب عمق m در حدود 5/2 % حبابهای درشت و 5/4% حبابهای ریز هوادهنده­هاست. این امر می­تواند برای شرایط پردازش از طریق به­کار بردن سه ضریب تصحیح (α،β وΦ) که توجیه کننده­ی خصوصیاتی از لجن هستند که بر انتقال اکسیژن تاثیر می­گذارند معادل سازی شود. که β نماینده­ی اثرات نمک و ذرات است و عموما برای فاضلاب ها در حدود 95% بوده و Φ مرتبط با اثر دماست که از رابطه­ی بدست می­آید که T یطور میانگین 12 درجه سانتی­گراد در نظر گرفته می­شود.

ضریب α تفاوت در انتقال جرمی(kLa) بین آب تمیز و آب درجریان است و بارزترین تاثیر را در بازده هوادهی این سه عامل تبدیلی دارد. مطالعات اثر غلظت جامدات بر انتقال اکسیژن در سیستم­های

زیستی تصفیه­ی فاضلاب تماما با افزایش غلظت جامدات بدون توجه به سیستم مورد مطالعه کاهشی در OTE نشان می­دهند، با این­همه این رابطه وابسته به سیستم و آب تغذیه کننده است. در شماری از مطالعات تصفیه­ی فاضلاب، یک رابطه­ی نمایی بین ضریب α و غلظت MLSS مشاهده شده است.

طبق مطالعات Krampe و Krauth و Gunder داریم:

در MBR غوطه­ور، بخشی از اکسیژن مورداستفاده برای هوادهی غشایی به زیست توده منتقل خواهد شد و می­تواند نیاز به اکسیژن را کاهش دهد. با معکوس کردن این محاسبات در این الگو این انتقال به حساب خواهدآمد.

1-13- طراحی غشاء

 نفوذ پذیری غشا پیش از هر چیز با سرعت جریان متقاطع (Crossflow) در یک سیستم جریان جانبی (Sidestream) و هوادهی در یک سیستم غوطه­ور کنترل می­شود. مجموعه­ای از جریان معکوس(Backflush) تکمیلی(سیستم HF)،تخفیف(سیستمهای HF و FS)، و پاکسازی شیمیایی نیز برای ابقای نفوذپذیری در یک سطح قابل قبول مورد استفاده قرار می­گیرند. 

-­ سیلان(Flux)

طراحی سیلان هر دو عامل نیاز هوادهی(برای iMBR) یا سرعت جریان متقاطع (برای sMBR) و نیاز به سطح غشا را تحمیل میکند. براوردهای محافظه کارانه ی متوسط  خالص معقول سیلان بشکل پایدار از داده های واقعی تاسیسات بدست آمده و بشکل زیر محاسبه شدند:

·        HF iMBR                  15 LMH

·        FS  iMBR                   15LMH

·        MT  sMBR                  50LMH

-­ پاکسازی فیزیکی و شیمیایی

با توجه به روش­های هوادهی و جریان رو به عقب (Backflush)، داده­های واقعی تاسیسات ارائه کننده­ی  پیش نویس  زیر برای ابقای نفوذ پذیری از طریق پاکسازی می­باشند:

·        وقفه 10 دقیقه­ای در پاکسازی فیزیکی

·        مدت 1 دقیقه­ای پاکسازی فیزیکی

·        وقفه 6 ماهه در پاکسازی شیمیایی

·        مدت 2 ساعته ی پاکسازی شیمیایی

·        قدرت پاکسازی 500g/m3 واکنشگر

·        حجم واکنشگر برای پاکسازی = حجم حوضچه­ی راکتور

-­ هوادهی غشایی

هوادهی یک واحد غشای غوطه­ور در یک MBR برای ارتقاء صاف­ سازی جریان متقاطع ضروریست. Ueda و همکاران دریافتند که شدت هوادهی(مساحت کف واحد/جریان هوا) تاثیری عمده بر رسوب غشا دارد. افزایش میزان ارتفاع غشا بنابراین به افزایش مسیرحباب منجرخواهد شد. با اینهمه، تاسیسات مجموعه­ای به­منظور کاهش مشکلات نصب مرتبط با سطح ایستایی مرتفع و سنگ بستر کم عمق بایستی واحدهایی نسبتا کم عمق باشند. واضح است که این امر بایستی با نیازهای موجود در خصوص ساخت واحدهای باریک و عمیق به منظور به حداکثر رساندن بازده هوادهی غشا تطبیق داده شود. داده­ها برای میزان هوادهی غشا بر حسب مساحت غشای واحد به Nm3/(h m2)، توسط Judd گردآوری شده است. این داده ها را میتوان با استفاده از اطلاعات موجود در مورد تراکم بارگذاری(Packing)، بمنظور رسیدن به شدت هوادهی یا qm ویرایش کردشدت هوادهی را میتوان با توجه به هندسه­ی واحد غشا و ابعاد آن به جریان هوای مورد نیاز تبدیل کرد، از این خلاصه­ی داده­های میانگین، کمیت­هایی برای قابلیت نفوذ و شدت هوادهی بدست می­آید که برای دو فناوری غوطه­ور مورد استفاده قرار می­گیرد:

·        FS:qm=100m3/m2/h

·        HF:qm=220m3/m2/h

-­ (P5)

تحقیقات در زمینه­ی اثرات سرعت جریان متقاطع بر نفوذپذیری غشا برای MT sMBR ها (جدول 4) در ابعاد آزمایشی در سرعتهای جریان متقاطعی بین 5/1 و 7/4 انجام گرفته و نفوذپذیری­هایی بین 4 و 227 را بوجود آورده است. Derrance و Jaffrin رابطه­ای خطی بین سرعت جریان متقاطع و جریان بحرانی را در مطالعه­ی خود در زمینه­ی غشای چند مجرای سرامیکی مشاهده کردند. کمیت متوسط 3m/s برای این کار برگزیده شد.

1-14- محاسبه­ی هزینه

هزینه­های عملیاتی شامل مجموع مخارج سالانه­ی نیرو، تعمیرات، لجن زدایی و مواد شیمیایی      می­باشد. موارد مربوط به هزینه­های سرمایه­گذاری در جدول 1 فهرست شده­اند. هزینه­ی وام بر مبنای پرداخت سالانه برای وامی با نرخ سود 5.25% بوده است و شرایط وام با توجه به عمر محصول گزینش گردیده است.

-­ هزینه­های تاسیسات

تاسیسات مجموعه­ای خانگی منفرد در حال حاضر با قیمت 1800-6000 یورو به ازای هر واحد موجودند. هزینه­های مربوط به نصب بستگی به اندازه­ی واحد و شکل آن دارد. بکار بردن روش مشابه به آن شکلی که در این متن بکار رفته است هزینه­ی نصب متوسطی در حدود 2000 یورو را نتیجه می­دهد. با فرض تولید حدود 60% هزینه­ های مواد مربوط به تاسیسات به­منظور آنکه شرکت امکان برآورد مخارج کلی و سود ناخالص را داشته باشد، تمامی هزینه­های مربوط به تاسیسات بطور متوسط دامنه ای از3080 تا 5600 یورو خواهند داشت. این دامنه از هزینه­ها فناوری MBR را در زمینه­ی کاربرد منفرد خانگی به یکی از موارد گراقیمت­تر تبدیل کرده اما با این­همه در دامنه­ی محصولات تجاری حاضر قرار گرفته است. بیشتر هزینه­های عملیاتی سالانه­ی تاسیسات مجموعه­ای، لجن زدایی تاسیسات و تعمیر، در حدود 1080 یورو در سال می­باشد. این هزینه­ها برای MBR مشابه تاسیسات سنتی می­باشند. هزینه­های مربوط به نیرو به­شکل سنتی اغلب مرتبط با هوادهی برای تصفیه­ی هوازی COD و آمونیاک بوده که بطور متوسط 20 تا 30 یورو در سال می­باشند. (P6) برایMBR یک هوادهی اضافی در پاکسازی غشا مورد نیاز است و همچنین  فرآیندهای جریان جانبی نیز نیازمند نیرویی بیشتر برای فرآیندهای تلمبه کردن نسبت به هوادهی در iMBR ها می­باشند. برخلاف تاسیسات در مقیاس کامل، هزینه­های عملیاتی بندرت در هنگام گزینش تاسیسات  مجموعه­ای تصفیه به حساب آورده می­شوند از این رو هزینه به ازای واحد زمان اندک است. با این­همه در مورد sMBR نیاز به نیرو 20 برابر تاسیسات مجموعه­ای سنتی می­باشد. 

 1-15- اندازه­ی تاسیسات

شکل4 مجموع هزینه­ی سالانه­ی تاسیسات را به ازای هر شخص در هر سال برای6-49 p.e.­ نشان می­دهد. سرمایه­ی متناظر و هزینه­های عملیاتی به ترتیب در شکل 5 و 6 نشان داده شده­اند. مجموع هزینه شامل هزینه­های مربوط به نصب و تجهیزات، استهلاک در طی دوره­ی عمر تاسیسات و     هزینه­های عملیاتی می­باشد. تمامی فناوری­ها کاهش سریع و مورد انتظاری را در هزینه­ی مربوط به تاسیسات به ازای هر فرد در اندازه­های بسیار کوچک از تاسیسات نشان دادند که گرایشی در رسیدن به کمیتی ثابت در حدود 20p.e. داشت. تفاوت در مجموع هزینه­ی سالانه به ازای شخص در تاسیسات بین 4 و 20 p.e. دامنه­ای از 240-260 یورو داشت که با نوع تاسیسات مرتبط بود در حالیکه بین20و 49 p.e. این تفاوت 38-41 یورو بود. در50p.e. افزایشی سریع در هزینه­ ی تاسیسات وجود دارد (از 40-63یورو، جدول 5) که بدلیل افزونگی 50 % در تاسیسات می­باشد. بالاتر از50p.e. تفاوت اندکی در هزینه­ی سالانه وجود داشته (حدود 26 یورو) تا 200p.e.، و این روند از نوع تاسیسات تاثیر نمی­پذیرد. تمامی تاسیسات روال مشابهی را بر حسب الگوهای اقتصادی شاخص نشان می­دهند ولی هزینه­های خالص متفاوت است.(P8) در مجموع سیستم HF کم هزینه­ترین و MT گرانقیمت­ترین است. سیستم FS پایین­ترین بهره برداری را داشته اما بالاترین هزینه­های خرید و نصب را به­خود اختصاص می­دهد و عکس این مطلب در مورد سیستم MT صادق است. اگر هزینه­های کلی به­شکل یکباره اخذ شود و سپس خصوصیات گزینش گردد، سیستم HF به­وضوح نسبت به دیگر انواع تاسیسات برتر خواهد بود. به­هرحال، در خصوص تاسیسات مجموعه­ای اغلب این هزینه­ی خرید است که عاملی حیاتی بشمار می­رود. بر طبق جدول 6، که هزینه­ی برآورد شده­ی کل به­صورت تخمینی به ازای هر نوع تاسیسات را ارائه می­کند، تفاوت در هزینه بین پایین­ترین هزینه(MT) ­و بالاترین­ هزینه­ی تاسیسات (FS) برای تاسیسات 6p.e. تفاوتیh1390-a   %35 است. این روال در مورد تمامی تاسیسات در هر اندازه که مورد مطالعه قرار گرفته­اند شامل  می­شود. یک عامل حیاتی دیگر درسیستم­های تاسیسات مجموعه­ای پیچیدگی عملیاتی است. گنجاندن یک نقاب در سیستمهای MT و HF ممکن است پی آمدهایی در خصوص مسائل اعتباری پدید آورد. همچنین بدلیل آنکه HF و FS نیازمند جریان معکوس  و یا تخفیف می­باشند، یک کلید زمان سنج بایستی گنجانده شود. گنجاندن این مورد در کنار پوششی اضافی برای نشت تلمبه در زمان آغاز و توقف، تعمیر این سیستم­ها را دشوارتر خواهد کرد. پاکسازی پخشی جزئی از خدمات منظم تاسیسات مجموعه­ای است و پخش­کننده­های افزوده در سیستم­های غوطه­ور، جزئی اضافی را برای تعمیرات اضافه خواهد کرد. دیگر عامل با اهمیت زمانی است که برای نصب تاسیسات در کارخانه و در محل مورد استفاده قرار می­گیرد. دیگر اجزا به این زمان افزوده خواهند شد و هزینه­ی خرید را افزایش می­دهند. هزینه­ی نصب ته نشینی اولیه در یک سیستم FS در هزینه­های نصب و حوضچه گنجانده شده است. عوامل دیگری که در مقابل گزینش یک تاسیسات بزرگ وجود دارند در نظر گرفته     نشده­اند. اگر فضا به نفع سرمایه گذار باشد، سیستم­های کوچکتر احتمالا جذاب­تر خواهند بود. جایگزینی ته­نشینی اولیه­ی سیستم FS با یک غربال اندازه­ی تاسیسات و CAPEX را کاهش خواهد داد اما باعث پیچیدگی فرآیند و OPEX خواهد شد.

1-16- عمق حوضچه

عمق سیستم­های مجموعه­ای اختصاصا مناسب تلقی می­گردد چرا که سیستم­های کم­عمق به­جهت سهولت نصب ترجیح داده می­شوند درحالی که هزینه­های عملیاتی مربوط به این سیستم­ها بدلیل افت در بازده اکسیژن عموما بالاتر هستند. تغییر در هزینه­ها برای یک تاسیسات 100 p.e در شکل 7 نشان داده شده است. مساحت کاهش یافته­ی کف در زیر واحد غشا، هزینه­های عملیاتی در تمامی سیستم­ها را کاهش می­دهد اما از آنجایی که هزینه­های مربوط به تلمبه­زنی بالاتر از هزینه­های نیروی دمنده برای سیستم MT هستند، کاهش در OPEX به شکل موردی تندتر است.

1-17- نتیجه­گیری هزینه سرمایه­گذاری

بر مبنای مفروضات انجام شده این مطالعه:

·        یک تاسیسات مجموعه­ای منفرد خانگی MBR می­تواند با هزینه­ی سرمایه­گذاری موجود در مرزهای تاسیسات مجموعه­ای از نظر تجاری موجود تولید گردد، ولو اینکه در انتهای بالای دامنه قرار گیرد.

·        صرفه­جوی­های مربوط به تولید انبوه از تاسیسات 6-20 p.e. به چشم می­خورند؛ بالاتر از این اندازه تغییر در هزینه­ی اختصاصی در اندازه بدلیل فرضیات مربوط به نیازها برای 50% افزونگی(بر مبنای خصوصیات شرکت آب) محدود است.

·        هزینه­های عملیاتی یک MBR در مورد آن مواردی که مربوط به طراحی­های تاسیسات مجموعه­ای سنتی­تر هستند به­شکل چشمگیری افزایش می­یابند.

·        گرانقیمت­ترین تاسیسات برای رسیدن به مرحله­ی تولید پایین­ترین هزینه­های عملیاتی را فراهم می­کنند که این امر بدلیل تلفیق عناصر طراحی مربوط به بازده بیشتر می­باشند.

·        اگر هزینه­ی طول عمر سیستم جریان جانبی در مقایسه با هزینه­هایی که مربوط به سیستم غوطه­ور بالاتر هستند، طبیعت بازار تاسیسات مجموعه­ای درحال تاثیر گرفتن ازCAPEX بوده که ممکن است سبب ایجاد هزینه­ی سرمایه­گذاری پایین تاسیسات و بهره­برداری ساده بعنوان جذاب­ترین گزینه باشد.

·        بازار MBR های مجموعه­ای به­شکل چشمگیری از پتانسیل بازیافت پساب تولیدی متاثر   می­گردد.

 تحقیقات بیشتر به­منظور ارزیابی مزایای مالی و محیطی توسط این قبیل فناوری­ها، بخصوص        به­منظور خدمات بازیافت پیشنهاد می­شود.

1-18- نتیجه­ گیری کلی

استفاده گسترده از سیستم­های غشایی در امر تصفیه آب و فاضلاب در پنج سال اخیر تحول وسیعی را در ساخت و تنوع غشاها ایجاد نموده است. با توجه به بالا رفتن استانداردهای تصفیه پساب­ها و استفاده مجدد از پساب، استفاده از سیستم­های  MBRدر تصفیه انواع فاضلاب­ها دراکثرکشورهای جهان گسترش پیدا کرده است. سیستم­های MBR با ایجاد سطح تماس بسیار زیاد و نگهداری طولانی لجن در خود، باعث تجزیه کامل مواد آلی و کاهش حجم زیاد لجن (برخلاف سایر سیستم­های متداول) و نهایتا تولید پسابی با کیفیت عالی می­گردد. سیستم­های MBR به­راحتی می­توانند COD و BOD فاضلاب را به ترتیب تا 98-96 % حذف نموده و باعث حذف خوب نیتروژن و فسفر شوند سیستم های  MBRدرتصفیه فاضلاب­های شهری و صنعتی نسبت به سیستم­های متداول دارای مزایای بسیار زیادی است و تنها عیب این سیستم­ها گرفتگی غشاء در مواقع بهره برداری نادرست می­باشد. به نظر می­رسد در آینده­ای نزدیک، استفاده از سیستم­های غشائی در تصفیه آب و فاضلاب در بیشتر کشورها جایگاه ویژه­ای پیدا کند.

1-19- تصفيه پساب و فراوري لجن در پالايشگاه نفت توسط MBR

1-20- تكنولوژي فيلتراسيون MBR

در جدول زير شرح و مقا يسه­اي براي بررسي تكنولوژي فيلتراسيون MBR آورده شده كه در آن        Microfilter،  Ultrafilter، Nanofilter و Reverse Osmosis مقايسه شده­اند.

همان­طوركه گفته شد در اين پروژه از غشاي فراصافي Ultrafilter استفاده مي شود. نحوه  عملكرد این غشاها بدين­صورت است كه جريان وارد قسمت خارجي آنها مي­شود و در اثر عبورجریان از روی           غشاها، مايع فيلتر شده به داخل كشيده شده و ناخالصي­ها روي سطح فيلتر باقي ­مي­مانند. سپس با

سيستم شستشوي معكوس اين غشاها تميز مي­شوند. اين غشاها بطور معمول  به­صورت كاست كنار هم در يك تانك قرار مي­گيرند.

1-21- تمیز کردن شیمیایی غشاء

تميز كردن غشاء به دو صورت در محل و خارج از محل صورت مي­گيرد. در جدول زير اين دو روش مقايسه شده­اند.

-­ مقايسه فرآيند ZENON و لجن فعال متعارف (AST)

در جدول زير فرآيند MBR و لجن فعال متعارف مقايسه شده و بطور خلاصه مزيت­هاي اين سيستم تصفيه تكميلي از جنبه­هاي مختلف موردتوجه قرارگرفته است.

1-22- شرح فرآيند تصفيه تكميلي  

 تصفيه تكميلي شامل واحدهاي زير است:   

آشغالگير ريز اتوماتيك، بيوراكتور و متعلقاتش، تانك غشايي و متعلقات آن، سيستم غشايي، تزريق شيميايي، دمنده­هاي فراهم­كننده هوا براي رشد بيولوژيكي، مهار و كنترل لجن و كف، تجهيزات كمكي. جريان ورودي به واحد تصفيه تكميلي (سيستم MBR) شامل فاضلاب بهداشتي و جريان خروجي از DAF است. اين جريان پس از عبور از يك صافي كه قابليت جداسازي ذرات تا1ميليمتر را دارد وارد ايستگاه پمپاژ شده و از آنجا به راكتورهاي بيولوژيكي فرستاده مي­شود.

مشخصات این جریان در جدول زیر آمده است:

در اين قسمت دو راكتور بيولوژيكي B و A وجود دارد كه مي­توانند بطور مستقل و بدون وابستگي به هم هركدام با ظرفيت M3/hr 40 كار كنند. بيوراكتور جريان فاضلاب خام را بعد از آشغالگير دريافت و با لجن برگشتي از غشاها مخلوط مي كند. در اين بيوراكتورها هواده­هاي عمقي قراردارند كه بطور مداوم هوا تزريق مي­كنند. در اين تانكها براي تنظيم مواد شيميايي اوره (براي تأمين نيتروژن) و اسيد فسفريك (براي تأمين فسفر) بطور مداوم تزريق مي­شود و همچنين در صورت نياز آنتي­فوم براي جلوگيري از ايجاد كف و هيدروكسيد سديم براي تنظيم PH اضافه مي­شود. در ادامه پمپهاي فرآيندي جريان را به واحد غشاهاي فراصافي مي­برند كه در آن جداسازي مايع مخلوط و آب تصفيه شده صورت مي­گيرد. از آنجاييكه در تانك تصفيه بيولوژيكي رشد ميكروبي بصورت مداوم است، لجن توليد مي­شود كه اين لجن در تانكهاي غشاء از آب تصفيه شده جدا مي­شود. براي بهينه كردن عملكرد راكتورهاي بيولوژيكي مقداري از اين لجن به اين تانكها برگردانده مي­شود و لجن اضافي از كانال گردش لجن گرفته مي­شود و اين لجن توسط كانال به تانك مخصوص لجن مي­رود و آب تصفيه شده از تانكهاي غشايي به ) maintenance clean and back pulse BP/MC ) تانك پمپ      مي­شود.

 مشخصات آب تصفيه شده در جدول زير آمده است. 

كيفيت آب تصفيه شده توسط سيستم پيشنهادي مشاركت دريا پالا - ZENON به حدي است كه مي­تواند به عنوان خوراك سيستم R.O (سيستم تصفيه آب اصلي نفت پارس) به كار رفته و به علت فيلتراسيون بسيار مناسب و عدم امكان عبور ذرات با قطر بيش از0/04/u از سيستم فراصافي Zeeweed عمر غشاي سيستم R.O را بيش از سه برابر بالا ببرد. شايان ذكر است بيشترين هزينه سيستمR.O مربوطه به تعويض غشاء بعلت تخريب و گرفتگي آنها با ذرات جامد است. سيستم فراصافي شركت Zenon تاكنون در بسياري از موارد به عنوان پيش تصفيه سيستم R.O و با هدف كاهش هزينه تعويض غشاهاي گران قيمت R.O مورد استفاده قرار گرفته است. به عنوان نمونه     مي­توان به استفاده سيستم فراصافي Zeeweed به عنوان پيش تصفيه R.O درشركت اتومبيل­سازي تويوتا، شركت اتومبيل سازي كرايسلر، پالايشگاه نفت پمكس در مكزيك و شركت سامسونگ اشاره كرد. استفاده از سيستم فراصافي Zeeweed علاوه بر افزايش عمر غشاي سيستم R.O ، نقش قابل توجهي در كاهش هزينه­هاي شستشوي غشا، كاهش مصرف برق، مواد شيميايي و همچنين كاهش مصرف آب و افزايش راندمان سيستم دارد. از طرف ديگر استفاده از پساب تصفيه شده، هزينه تهيه آب خام را حذف كرده و به علاوه اثرات زيست محيطي مثبتي در راستاي كاهش برداشت از منابع آب زيرزميني خواهد داشت. همچنين سيستم فراصافي شركت Zenon اجازه عبور ميكروارگانيسم­ها و بسياري از ويروس­هاي غوطه ور در آب را نداده و در نتيجه نيازي به ضدعفوني كردن آب وجود نداشته و به علاوه مشكل رسوب لجن روي غشاهاي سيستم R.O برطرف مي­شود. پالايشگاه نفت پارس در نظر داردكه از آب خروجي MBR به عنوان Make up كولينگ تاورها استفاده كند و تا حد امكان، آبي از پالايشگاه خارج نشود.

فرآیندهای مورد استفاده برای تمیز کردن غشا با توجه به اينكه در روش MBR از غشاء براي تصفيه نهايي استفاده مي شود در نظر گرفتن فرآيندهاي تميز كردن غشاء به دو صورت است: يكسري از آنها بطور همزمان با عمل فيلتر كردن جريان صورت مي­گيرند و يكسري از آنها با قطع عمل فيلتراسيون و بردن غشاها به حالت تعمير و نگهداري(غیر فعال) عمل می­کنند. در زیر شرح مختصری از این روش ها آورده شده است.

1-23- تمیز کردن غشا با هوا

غشاها با هوا بطور مداوم هر10 ثانيه تميز مي­شوند، هوا كمك مي­كند كه جامداتي كه روي سطح غشاها تجمع کرده­اند کنده شوند.

1-24- تمیز کردن غشا با شستشوی معکوس

فرآيند شستشوي معكوس با جداكردن جامدات تجمع كرده روي سطح غشاها باعث تميز شدن غشاء مي­شوند و خاصيت نفوذپذیری آن احیا می­شود. جريان لازم براي شستشوي معكوس          L/m3/hr 40­ است كه اين آب توسط پمپها از تانك BP/MC تأمين مي­شود. مدت زمان لازم براي اين عمل30 ثانيه است و هر5 دقيقه اين عمل صورت مي­گيرد. تزريق محلول NaOCl در جريان شستشوی معکوس، عمل تمیز کردن را تسریع می­کند.

1-25- فعالیت­های لازم جهت نگهداری غشا       

نفوذپذيري غشاها به مرور زمان در اثر گرفتگي كاهش مي­يابد، چرا كه فرآيند شستشوي معكوس و تميز كردن با هوا قادر نيست نفوذپذيري غشاها را بطوركامل به آنها برگرداند. براي طرف كردن اين مشكل يكسري فعاليتها انجام مي­شود كه براي انجام آنها بايد تانك توسط شير تخليه، تخليه شود و سپس چند بار عمل شستشوي معكوس روي غشاها صورت گيرد كه يك زمان استراحت بين دفعات شستشوي معكوس در نظرگرفته مي­شود. در نهايت در طي اين مراحل تانک از مایع مخلوط پرشده و عمل نفوذ ادامه می­یابد. تزريق مواد شيميايي مثل هيپوكلريت­سديم و اسيدسيتريك و اسيد هيدروكلريك در اين مرحله نيز عمل تميز كردن را تسريع مي­كند. اين مواد در حين شستشوي معكوس تزريق مي­شوند (اين مواد بطور همزمان تزريق نمي­شوند). مدت زمان لازم برای کل این فرآیند نیم تا یک ساعت است

1-26- فعالیت های لازم جهت احیا کردن غشا

هر چند وقت يكبار، هنگامي كه گرفتگي جدي يا رسوب كردن غشاء پيش مي­آيد يكسري فعاليتها براي احيا كردن آن صورت مي­گيرد كه معمولاً زمان آن هر6 ماه است. براي اين عمل لازم است كه شيرهاي جريان ورودي بسته شوند و تانك مزبور از فرآيند تصفيه خارج شود. اين فرآيند شامل خالي كردن تانك از مايع مخلوط و پركردن آن با نفوذ و مكش غشا در محلول تمیز برای یک دوره زمانی طولانی است.

منابع