روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب و کاربرد آن‌ها

فاضلاب تولید شده از منازل مسکونی، بیمارستان‌ها و نواحی اداری و تجاری فاضلاب بهداشتی نامیده می‌شود و فاضلاب خروجی از صنایع، کارخانه‌ها و کارگاه‌ها فاضلاب صنعتی نام دارد. تصفیه فاضلاب فرایندی است که با هدف رساندن کیفیت پساب خروجی به استانداردهای سازمان حفاظت محیط زیست جهت تخلیه در محیط طبیعی یا استفاده مجدد در کشاورزی، صنعت و شستشو انجام می‌شود. انواع روش‌های تصفیه فاضلاب شامل تصفیه فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی می‌باشد. در انتخاب روش مناسب تصفیه فاضلاب، کیفیت فاضلاب ورودی، کیفیت پساب خروجی (جهت تخلیه در محیط طبیعی یا استفاده مجدد)، حجم فاضلاب ورودی و هزینه بهره برداری و نگهداری حائز اهمیت است. فاضلاب صنعتی نسبت به فاضلاب بهداشتی شامل طیف وسیع‌تری از آلاینده‌ها از جمله مواد رنگی، فلزات سنگین و مواد سمی است که باعث نابودی جمعیت میکروبی می‌شود بنابراین استفاده از روش‌های تصفیه فیزیکی و شیمیایی بعنوان پیش تصفیه قبل از تصفیه بیولوژیکی اجتناب ناپذیر است. در عمل، ترکیبی از فرایند‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود که در ادامه به آن می‌پردازیم.

1- تصفیه فیزیکی

روش‌های فیزیکی تصفیه فاضلاب مواد جامد قابل ته‌نشینی و ذرات معلق را بدون استفاده از مواد شیمیایی حذف می‌کند. از جمله روش‌های فیزیکی می‌توان به ته‌نشینی و فیلتراسیون اشاره کرد. در روش ته‌نشینی، ذراتی که از مایع سنگین‌تر هستند (مانند شن، ماسه، و مواد آلی سنگین) توسط نیروی گرانش جداسازی استفاده می‌شود. این روش در مراحل ابتدایی انجام می‌پذیرد تا بار مواد جامد را کاهش دهد و فاضلاب را برای مراحل بعد آماده کند. ته‌نشینی اولیه قبل از تصفیه بیولوژیکی و ته‌نشینی ثانویه پس از تصفیه بیولوژیکی برای حذف لخته‌های بیولوژیکی بکار می‌رود.
پیش از ورود فاضلاب به محیط، مواد معلق آن باید حذف شوند. روش فیلتراسیون قابلیت جداسازی ذرات معلق را با عبور فاضلاب از بسترهای متخلل را دارد. برای این کار از فیلترهای شنی و غشایی (میکروفیلتر، نانوفیلتر و اولترافیلتر) استفاده می‌شود.. نانوفیلتر، میکروفیلتر و اولترافیلتر در تصفیه‌های پیشرفته و مصارف خاص صنعتی استفاده می‌شوند و روی پساب خارج شده از سیستم اعمال می‌شود. راندمان بالا، نصب و کاربرد آسان از مزایای آن‌ها محسوب می‌شود.

شکل 1- تصفیه فیزیکی فاضلاب به روش ته‌نشینی و فیلتراسیون

2- تصفیه شیمیایی

تصفیه شیمیایی با استفاده از مواد شیمیایی، مواد آلی، فلزات سنگین، رنگ، طعم و بو در فاضلاب را کاهش می‌دهد. در اکسیداسیون شیمیایی از مواد شیمیایی مانند کلر و ازن برای اکسید کردن آلاینده‌ها استفاده می‌شود. در انعقاد و لخته‌سازی از مواد شیمیایی مانند آلومینیوم سولفات، آهن کلرید و پلیمر استفاده می‌شود. این مواد شیمیایی بار الکتریکی ذرات کلوئیدی را خنثی می‌کنند که امکان چسبیدن آن‌ها به هم و تشکیل لخته را ایجاد می‌کند. لخته‌های ایجاد شده در واحد ته‌نشینی جمع‌آوری و حذف می‌شوند. تصفیه شیمیایی روشی بسیار کارامد برای حذف آلاینده‌های خاص مثل فلزات سنگین است. از معایب این روش می‌توان به هزینه ی بالای مصرف مواد شیمیایی و مدیریت لجن شیمیایی اشاره کرد. نمودار متنی زیر مراحل تصفیه شیمیایی به روش انعقاد و لخته سازی را نشان می‌دهد.

ورود فاضلاب
↓
[تزریق مواد منعقدکننده] ← هم‌زدن سریع برای بالا بردن تماس بین منعقد کننده و آلاینده
↓
[لخته‌سازی] ← هم‌زدن آهسته برای تشکیل لخته
↓
[ته‌نشینی شیمیایی] ← جدا شدن لخته‌ها از آب
↓
[خنثی‌سازی pH] ← تنظیم اسیدی یا قلیایی بودن
↓
[گندزدایی] ← حذف عوامل بیماری‌زا
↓
خروجی فاضلاب تصفیه‌شده

3- تصفیه بیولوژیکی

روش‌هایی که در آن‌ میکروارگانیسم¬ها بویژه باکتری‌ها فرآیند تصفیه فاضلاب را انجام می‌دهند تصفیه بیولوژیکی نام دارد. در این روش‌ میکروارگانیزم‌ها مواد آلی موجود در فاضلاب را جذب می‌کنند و از آن انرژی بدست می‌آورند و تکثیر می‌شوند. روش‌های بیولوژیکی دو نوع هوازی و بی‌هوازی دارد که روش هوازی رایج‌تر است. روش‌های تصفیه بیولوژیکی مقرون به صرفه هستند و بسیاری از آلاینده¬‌ها را می‌توانند حذف کنند.

3-1- هوازی

روش‌های هوازی شامل لجن فعال، لجن فعال با هوادهی گسترده،A2O ،SBR ،MBBR و IFAS می‌شود که میکروارگانیزم‌های هوازی در حضور اکسیژن عمل تجزیه مواد آلی و تبدیل آن به کربن دی اکسید و زیست توده را انجام می‌دهند. برای تامین پیوسته اکسیژن از دستگاه هوادهی استفاده می‌شود.

• لجن فعال (تصفیه متعارف)

لجن فعال رایج ترین و پرکاربردترین روش تصفیه فاضلاب است. در این روش، فرایند بیولوژیکی از نوع هوازی است که رشد میکروارگانیزم‌¬ها در آن بصورت معلق صورت می¬گیرد. فرایند لجن فعال عموما زمانیکه حجم فاضلاب ورودی به تصفیه خانه بالا باشد بکار می‌رود. فاضلاب پیش از تصفیه بیولوژیکی به روش لجن فعال از واحدهای آشغال‌گیر و دانه‌گیر عبور کرده سپس وارد حوضچه ته‌نشینی اولیه می‌شود تا بخشی از مواد جامد ته‌نشین شود (حدود 40 درصد) و شناورسازی چربی و روغن انجام شود. فاضلاب در ادامه وارد مخزن هوادهی می‌شود و هوادهی سطحی یا عمقی انجام می‌شود. هوادهی عمقی به وسیله بلوئر هوا و پایپینگ و دیفیوزر به کف مخزن هوادهی انجام می‌شود. هوادهی سطحی توسط میکسر و پروانه که بر روی مخزن هوادهی قرار دارد انجام می‌شود. فاضلاب بعد از هوادهی وارد مخزن ته‌نشینی ثانویه می‌شود تا لخته‌های بیولوژیکی که در مخزن هوادهی تشکیل شده‌اند در آنجا ته‌نشین شوند. بخشی از لجن ته‌نشین شده به منظور تأمین غلظت بیومس سلولی در واحد هوادهی مجددا به این واحد برگشت داده می‌شود. پساب شفاف هم از سرریزهای مخزن ته نشینی وارد مخزن کلر زنی می‌شود.

شکل 2- تصفیه بیولوژیکی فاضلاب به روش لجن فعال

• لجن فعال با هوادهی گسترده

در فرایند لجن فعال بمنظور کاهش حجم لجن تولیدی و راندمان بالاتر اصلاحاتی انجام شده که به این روش اصلاح شده، روش لجن فعال با هوادهی گسترده می‌گویند. برای کاهش حجم لجن تولیدی زمان ماند هیدرولیکی و عمر لجن فزایش یافته است. روش لجن فعال اصلاح شده نسبت به تغییرات کمیت و کیفیت ورودی حساسیت کم‌تری دارد که آن را به یک روش پایدار برای تصفیه انواع فاضلاب بهداشتی و صنعتی تبدیل کرده است.

• (Moving Bed Biofilm Reactor)MBBR

پایه و اساس راکتور بیوفیلمی با بسترمتحرک، لجن فعال با هوادهی گستره است با این تفاوت که میکروارگانیسم‌ها در حوضچه هوادهی معلق نیستند بلکه روی مدیاهای شناور رشد چسبیده دارند. این سیستم در برابر نوسانات کمی و کیفی فاضلاب پایداری زیادی دارد و حجم فاضلاب ورودی نیز کم‌تر از روش لجن فعال می‌باشد.

• IFAS (Integrated Fixed-Film Activated Sludge)

پایه و اساس سیستم لجن فعال تلفیق شده با بیوفیلم، لجن فعال با هوادهی گستره است با این تفاوت که میکروارگانیسم‌ها در حوضچه هوادهی معلق نیستند بلکه روی مدیاهای ثابت رشد چسبیده دارند. این سیستم در برابر نوسانات کمی و کیفی فاضلاب پایداری زیادی دارد و حجم فاضلاب ورودی نیز کم‌تر از روش لجن فعال می‌باشد.

• A2O (Anaerobic–Anoxic–Oxic)

روش A2O اصلاح شده‌ی روش لجن فعال با هوادهی گسترده است. در این روش با اضافه شدن دو واحد بیولوژیکی بی‌هوازی و انوکسیک حذف نیترات و فسفات موجود در فاضلاب امکان پذیر است و قابلیت تخلیه به آب‌های سطحی و چاه‌های جاذب را دارد.

• (Sequencing Batch Reactor) SBR

در صورتیکه حجم پساب ورودی کم باشد بمنظور کاهش هزینه‌های اقتصادی، حوضچه‌های مختلف با هم ترکیب شده و فرایند تصفیه در یک راکتور واحد صورت می‌گیرد که به آن راکتور ناپیوسته متوالی (SBR) می‌گویند. SBR یک سیستم لجن فعال پر و خالی شونده است که از چندین سیکل تشکیل شده است. به عنوان مثال در این روش ابتدا زمانی برای پر شدن منبع اختصاص داده شده و سپس عملیات متعادل‌سازی، تصفیه بیولوژیکی و ته نشینی ثانویه با توالی زمانی در یک حوضچه انجام می‌شود. در نهایت، مدت زمانی برای تخلیه پساب تصفیه شده اختصاص داده می‌شود. این روش در تصفیه فاضلاب‌های با جریان متناوب و یا جریان کم موفقیت آمیز است.

3-2- بی‌هوازی

در روش‌ بی‌هوازی میکروارگانیزم‌ها در غیاب اکسیژن، مواد آلی را تجزیه می‌کنند و بیوگاز (متان و کربن دی اکسید) تولید می‌شود. هضم بی‌هوازی توسط میکروارگانیزم‌ها از مراحل مختلف تشکیل می‌شود: هیدرولیز (تبدیل مواد آلی بزرگ مولکول مانند پروتئین و چربی به مولکول‌های کوچک‌تر مانند اسیدهای چرب، آمینواسید و قند)، اسیدسازی (تبدیل ترکیبات مرحله‌ی قبل به اسیدهای آلی و CO2)، استات‌سازی (تولید استات و CO2) و متانوژنز (تولید گاز متان و CO2 توسط میکروارگانیزم‌های متان‌ساز).
از جمله راکتورهای بی‌هوازی می‌توان به UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) وUABR (Upflow Anaerobic Bio-Filter Reactor) اشاره کرد. روش‌ بی هوازی نه تنها مصرف انرژی پایینی دارد بلکه با تولید گاز متان می‌تواند انرژی قابل توجهی تولید کند که آن را تبدیل به یک گزینه‌ی اقتصادی برای تصفیه فاضلاب کرده است. همچنین فرآیند تصفیه بی‌هوازی در مقایسه با فرآیندهای هوازی معمولا حجم لجن کم‌تری تولید می‌کنند که هزینه‌های مدیریت لجن را کاهش می‌دهد. روش بی‌هوازی در مکان‌های با فضای محدود گزینه‌ی ایده‌آلی است چون به فضای کم‌تری نیاز دارد. این روش در کاهش BOD و COD بسیار عملکرد خوبی دارد لذا در تصفیه فاضلاب‌های دارای نیاز اکسیژن خواهی بیولوژیکی و شیمیایی بالا مانند فاضلاب‌های صنایع غذایی و لبنی کاربرد دارد. از معایب این روش می‌توان به زمان راه اندازی طولانی و حساسیت به دما و pH اشاره کرد.

• UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

UASB از یک راکتور عمودی تشکیل شده است که در آن فاضلاب از لجن بی هوازی در جهت پایین به بالا عبور داده می‌شود. در بخش بالایی راکتور، جامدات معلق در فاضلاب ته نشین می‌شوند که مجدداً به پایین راکتور بازگشت داده می‌شوند تا در فرآیند تجزیه بی‌هوازی شرکت کنند. فاضلاب تصفیه شده از قسمت بالای راکتور خارج می‌شود. بیوگاز تولید شده به سمت بالای راکتور حرکت کرده و از طریق سیستم جمع‌آوری گاز استخراج می‌شوند.

روش‌های مختلف تصفیه فاضلاب و کاربرد آن‌ها

• UABR (Upflow Anaerobic Bio-Filter Reactor)

UABR یا راکتور بی‌هوازی با فیلتر زیستی و جریان رو به بالا ترکیبی از UASB و راکتور فیلتر بیولوژیکی است. فاضلاب از قسمت پایین وارد راکتور می‌شود و به سمت بالا جریان می‌یابد. در بخش بالای راکتور یک مدیا (از جنس پلاستیک یا مواد متخلل) قرار داد که فضایی برای رشد میکروارگانیزم‌ها بصورت چسبیده را فراهم می‌کند. باکتری‌ها روی سطح مدیا تشکیل یک بیوفیلم بی هوازی می‌دهند که این بیوفیلم نقش تجزیه‌ی مواد آلی را دارد. این روش نسبت به راکتور UASB لجن کم‌تری تولید می‌کند.