مقاله تصفیه بی‌ هوازی فاضلاب های صنعتی

مقدمه :

تصفیه بی‌هوازی فاضلاب های صنعتی دارای مزایای بالقوه‌ای می باشد که عبارتند از : انرژی مصرفی پائین، تولید کم لجن اضافی، کنترل بووآئروسلها و شروع بکار سریع بعد از توقف مار به مدت زمان طولانی. هاضم‌های بی‌هوازی با سرعت بالا که دارای قدرت نگهداری توده میکروبی می باشند، نیز دارای ظرفیت تصفیه بالایی بوده و بنابراین به سطح کمتری نیازمند هستند. هایکی و همکاران (1991) شکلهای عمده فرایند تصفیه برای هاضم‌های با سرعت بالا در بیست سال اخیر را مورد بررسی قرار داده‌اند. این مطالعات شامل فرایندهای UASB، بسترهای ثابت با جریان رو به بالا و جریان رو به پائین و بسترهای شناور و انبساط یافته می‌باشد.

هرچند روشهای تصفیه بی‌ هوازی در اغلب کشورهای اروپایی کاربرد گسترده‌ای دارند اما به طور معمول در انگلستان مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. با وجود عدم استقبال صنایع انگلیس از این روش شورای مهندسین مشاور و علوم آکادمی انگلیس در جهت ساخت و بهره داری از چهار نوع هاضم بی‌هوازی در مقیاس پایلوت سرمایه‌گذاری نمود که شامل یک فرایند تماسی، یک فیلتر بی‌هوازی با جریان رو به بالا و یک راکتور UASB بود. همه اینها با ظرفیت اسمی (حجم اسمی) و یک راکتور با بستر شناور با ظرفیت اسمی طراحی شدند (آندرسون و همکاران، 1988). پایلوتها در یک کارخانه بستنی سازی بنام والس در شهر گلاستر قرار داده شد و به مدت 5/3 سال از سال 1987 مورد بهره برداری قرار گرفت.

برخی اطلاعات حاصل از بهره برداری از تصفیه خانه‌های پایلوت توسط کاین و همکاران (1990) و اسمیت (1991) منتشر شده است. مورگان و همکاران (1991) بر روی اکولوژی میکروبی راکتورها به مدت 24 هفته از شروع بهره برداری پایلوت مطالعه نموده و به محدودیت حفظ توده میکروبی در سیستم پی بردند. سیستم UASB در مقیاس پایلوت در تشکیل گرانول ناموفق بوده و مطالعات آزمایشگاهی نیز نشان داد که تشکیل گرانول بر روی این فاضلاب رضایتبخش نیست (کایلس و همکاران، 1990)، در حالی که گرانولهای حاصل از تصفیه پساب کراخانه لبنیات سازی توسط UASB نسبت به فاضلاب بستنی سازی خوب بود (هاکز و همکاران، 1992). گودوین و همکاران در سال 1990 گزارش دادند که زمان لازم برای تشکیل گرانول و تصفیه مؤثر این فاضلاب قابل بررسی است.

این مطالعه اطلاعات بیشتری را از چهار راکتور در مقیاس پایلوت در مدت زمان بهره برداری پایدار ارائه نموده و عملکرد هریک از انواع راکتورها را بر روی فاضلاب بستنی سازی مقایسه می‌کند. تجربیات به دست آمده از مطالعات پایلوت در طراحی یک فرایند فیلتر بی‌هوازی (بستر آکندی)، با جریان رو به بالا در مقیاس کامل در بخش دیگری از اروپا برای تصفیه فاضلاب بستنی سازی مورد استفاده قرار گرفت. دراین مقاله تجربیات بهره برداری از این تصفیه خانه نیز تشریح شده است.

روشها

الف : شکل راکتور

مورگان و همکاران (1991) ابعاد چهار راکتور در مقیاس پایلوت را گزارش کرده‌اند. حوضچه ته نشینی فرایند تماسی با اختلاط کامل دارای یک کویل مسی خنک کن بود و در دمای تقریباً         و با هدف کاهش گاز تولیدی در جهت بهبود ته نشینی توده میکروبی و جامدات برگشتی به راکتور بهره برداری شد. در حین مطالعه حوضچه ته نشینی با اضافه شدن یک کف پخش کن سطحی که برای پراکنده شدن یکنواخت توده میکروبی شناور جدا شدن گاز از فلوکها تعبیه شده بود، تغییر یافت.

فیلتر بی‌ هوازی با ارتفاع 4/5 متر و سطح مقطع یک مترمربع با ETAPACK پر شد. ETAPACK بوسیله شرکت پرموتیا تهیه شده و از مواد پرکننده صافی می باشد. قطر آن 5/6 سانتیمتر و از جنس پروپیلن است. سطح مخصوص آن و دارای درجه تخلخل 95% می باشد. فضای داخل راکتور همانگونه که توسط کاین و همکاران (1991) تشریح شده است، شامل دو قسمت 64/1 مترمکعبی است که هر یک 31% حجم راکتور را اشغال می‌نماید و در 5/1 متری بالای پایه راکتور قرار گرفته است.

در اکثر موارد بهره برداری، مواد نگهدارنده در راکتور بستر شناور شامل L 160 ماسه با اندازه ذرات mm 5/0 و با درجه تخلخل 35% و وزن مخصوص 75/2 بود. در فوریه 1990 محیط فوق با L 160 گرانول کربن فعال با همان اندازه متوسط ذرات، وزن مخصوص 35/1 و تخلخل 45% جایگزین شد. راکتور UASB به یک جدا کننده گاز مایع جامد و با زاویه 60درجه مجهز شده بود. تمام راکتورها به برق متصل بودند و همچنین دمای لازم (35 درجه سانتیگراد) بوسیله یک مبدل حرارتی که در محل ورودی راکتور قرار داده شده بود و محتویات راکتور یا فاضلاب برگشتی از هاضم از آن عبور می کرد تامین می‌شد. همچنین فیلتر بی‌هوازی حاوی یک المنت الکتریکی قابل تنظیم مستقل در خط برگشتی بود. راکتورهای بستر شناور، فیلتر بی‌هوازی و UASB هر سه دارای شیرهای نمونه گیری در نقاط مناسب بودند که توسط مورگان و همکاران (1991) تشریح شده است.

ب : ورودی

در ژوئن  1987 راکتورها با دریافت پساب کارخانه که اساساً فاضلاب حاصل از بستنی سازی بود راه اندازی شد. این پساب با COD mg/L  4500 برای کاهش مقدار چربی از واحد شناورسازی با هوای محلول عبور داده شده بود. برای تأمین مواد غذایی نسبت COD:N:P به میزان 100:2:1 اوره و فسفات افزوده می‌شد.

همانگونه که کاین و همکاران (1990) شرح دادند از ژانویه 1988 فاضلاب ورودی برای هر چهار راکتور به وسیله اختلاط محصولات کارخانه بستنی سازی و آب یخ که به حوضچه یکنواخت سازی با حجم 11 مترمکعب وارد می شد، به دست می‌آمد. مواد مغذی، نیتروژن و فسفر (با میزان 100:2:1 برای COD:B:P ، تقریباً kg19/0 دی آمونیوم هیدروژن فسفات و kg12/0 اوره در هر مترمکعب ورودی و EDTA کلات کننده فلزات کمیاب نظیر Co, Mn, Fe و Ni با غلظت mg/L 02/0 نیز بطور دستی اضافه می‌شد. در سپتامبر 1988 همچنین دو ماده پاک کننده اصلی که برای نظافت داخل کارخانه استفاده می شد و توسط مرکز تحقیقات یونی لیور غیرسمی شناخته شده بود، در حدود غلظت مورد استفاده معمول به ورودی اضافه شد. این میزان شامل mg/L3/6 ماده پاک کننده قلیایی غیریونی و mg/L 8/3 پاک کننده آنیونی خنثی بود. مشخصات فاضلاب در فاصله زمانی ژوئن 1988 تا اوت 1990 در جدول 1 نشان داده شده است. تغذیه سیستم به سرعت باعث pH پائین فاضلاب موجود در مخزن نگهداری شد و به همین علت به خنثی سازی نیاز داشت. اسیدی شدن فاضلاب ورودی در تانک یکنواخت سازی در تابستان به مراتب سریعتر از زمستان بود به طوری که در مقادیر اسیدهای چرب فرار (VFA) تولید شده در فصول مختلف به میزان 7 برابر اختلاف نشان داده شد. محتویات حوضچه یکنواخت سازی به طور اتوماتیک و با استفاده از اضافه کردن NaOH به میزان 7 برابر اختلاف نشان داده شد. محتویات حوضچه یکنواخت سازی به طور اتوماتیک و با استفاده از اضافه کردن NaoH به میزان mg/L 600-350 در pH  حدود 8/6-6/6 تنظیم شد.

بهره برداری راکتور

ابتدا در ژوئن سال 1987، راکتورهای فرایند تماسی، فیلتر بی‌هوازی و UASB با لجن غربال شده حاصل از هاضم بی‌هوازی لجن فاضلاب شهری بذردهی شد. متعاقب تغییر در تغذیه سیستم از خروجی واقعی کارخانه، محتویات هر چهار پایلوت خالی شده و در دسامبر 1987 توسط لجن غربال شده حاصل از هاضم‌های بی‌هوازی لجن فاضلاب لبنیات سازی مجدداً بذردهی شد.

در اکتبر سال 1988 بار دیگر راکتور فرایند تماسی خالی شد و سپس با لجن غلیظ غربال شده پر شد. از هفته یازدهم سال 1990، علیرغم تداوم برگشت لجن و به منظور توقف توده میکروبی در راکتور، به مدت دو ساعت قبل از عمل تغذیه و 17 ساعت در شبانه روز در حین عمل تغذیه اختلاط صورت نگرفت. از هفته 23 سال 1990 عمل برگشت فقط به مدت 7 ساعت در روز صورت گرفت.

فیلتر بی‌هوازی برای سرعت جریان رو به بالای 17 متر در روز طراحی شد، اما این میزان حین بهره برداری تغییر می کرد. در اکتبر 1989 مواد پرکننده فیلتر از قسمت پائین حذف شد و باعث گردید که حجم فوقانی راکتور به میزان 31% افزایش پیدا کند. در حین این کار فاضلاب به آهستگی از راکتور کشیده شد و در یک مخزن بسته نگهداری و سپس در طی سه روز بار دیگر به راکتور اضافه گردید.

در سعی مجدد برای ایجاد گرانول در راکتور، بار دیگر UASB در ماه مارس 1989 با لجن غربال شده فاضلاب شهری به میزان VSS kg 19 پر شد. اما بهر صورت ابعاد جداکننده فاز گاز مایع جامد طوری بود که به مایع اجازه می داد با سرعت رو به بالای 80 متر در روز از دهانه جداکننده عبور کند که در واقع این سرعت بیشتر از سرعت ته نشینی لجن به وجود آمده بود. مجدداً جداکننده‌ای برای بهره برداری با UASB در مارس 1990 و ژوئن همان سال با لجن غربال شده حاصل از هاضم بی‌هوازی تصفیه فاضلاب بستنی سازی پر شد.

راکتور بستر شناور نیز در ژوئن سال 1989 با لجن غربال شده فاضلاب شهری بار دیگر بذردهی شد و مجدداً با ذرات ماسه جدید پر گردید.

راکتور با جریان مایع رو به بالای 25 متر در ساعت با انبساط بستر 39% - 32% بهره برداری شد. در فوریه 1990 برای کاهش سرعت جریان رو به بالا، بستر راکتور با کربن فعال گرانوله تعویض و مجدداً با لجن فاضلاب شهری غربال شد و پساب خروجی راکتور فرایند تماسی بذردهی گردید. به این ترتیب سرعت جریان  رو به بالای مایع به 16 متر در ساعت کاهش یافت و انبساط بستر به 10% رسید. میزان بارگذاری آلی  دراین راکتور بر اساس حجم کاری (حجم مفید) L 525 محاسبه شد.

روشهای آنالیز

آنالیز جامدات معلق (SS) ، VSS ، COD کل، مواد چربی، پروتئینها، هیدراتهای کربن و قلیاییت کل براساس کتاب استاندارد متد (1985) صورت پذیرفت. COD ته نشین شده در مایع فوقانی خروجی هاضم تعیین ته نشین شده در مایع فوقانی خروجی هاضم تعیین می شد. این مایع در یک ظرف استوانه ای به حجم cm3 100 و به مدت 30 دقیقه ته نشین می شد.

اسیدهای چرب فرار بطور انفرادی توسط یک گاز کروماتوگراف مدل PU4500 (Pye-Unicam) دارای ستون WHP حاوی 5% ماده جاذب FFAP با طول 5/1 متر و قطر داخلی mm 4 در دمای C 120 درجه با استفاده از نیتروژن به عنوان گاز حامل اندازه گیری می شد. ترکیب گاز نیز با استفاده از دستگاه آنالیز کننده Gow Mac تعیین می‌گردید. قلیاییت بی‌کربنات بوسیله تیتراسیون در pJ برابر  75/5 بر اساس روش رایپلی (1975) تعیین شد. سپس داده‌ها با استفاده از نرم افزار مینی تب آنالیز و نمودارهای مورد نیاز تهیه گردید.

نتایج و بحث :

عملکرد براساس فاضلاب کارخانه

در شروع کار در ژوئن سال 1987، راکتورها فاضلاب خروجی کارخانه را دریافت کردند. UASB و فیلتر بی‌هوازی ابتدا با  معادل CoD/ 25/0 بهره برداری شد. پس از 4 هفته مقدار  به 1kg COD/ افزایش یافت. این افزایش تا زمانی که حذف COD به بیش از 70% و میزان VFA به کمتر از mg/1 400 رسید، همچنان ادامه یافت. در اوت سال 1987ؤ  فیلتر و UASB معادل kg COD..d – 5/4 بود. اما از این زمان به بعد کاهشی تدریجی در عملکرد این راکتورها ملاحظه شد به طوری که حذف COD به میزان 50% کاهش یافت و میزان VFA افزایش پیدا کرد. در نوامبر سال 1987 با  معادل kg COD/.d 4، کل میزان VFA در فیلتر بی‌هوازی و UASB به ترتیب به 650 و 1100 میلیگرم در لیتر رسید و تولید گاز در UASB متوقف شد. درست در همان مدت زمان، فرایند تماسی با میزان بارگذاری kg COD/.d5/2 بهره برداری می شد. دراین حال راندمان حذف COD در حد 80% - 70% و مقدار VFA پایین و هیچ افزایشی در میزان MLSS مشاهده نشد.

تجربیات آزمایشگاهی توسط تحقیقات یونیلور نشان داد که راکتورها تحت تأثیر تخلیه حاصل از فرایند دیگری قرار گرفته‌اند. در حقیقت مواد پاک کننده مصرفی در محل باعث افزایش بیش از حد پاک کننده‌ها در فاضلاب شده بود و این مسئله باعث اختلال در سیستم کار راکتور شده بود و عملاً امکان جدا کردن این مقدار غیرمعمول از فاضلاب جهت انجام آزمایشات پایلوت وجود نداشت. لذا از ژانویه 1988 از یک فاضلاب مشابه (مصنوعی) استفاده شد.

عملکرد فرایند تماسی در حالت پایدار

عملکرد راکتور فرایند تماسی در دوره زمانی هفته بیست و سوم سال 1989 تا هفته سی و هشتم 1990 در شکل 1 نشان داده شده است.

تصویر بیانگر این واقعیت است که حفظ توده میکروبی در این راکتور به علت مشکلات توان با طراحی حوضچه ته نشینی و کیفیت ضعیف ته نشینی توده میکروبی به سختی صورت می گیرد. در ابتدای این دوره زمانی، پس از بذردهی راکتور با لجن بستنی سازی، خروج توده میکروبی از راکتور به مدت طولانی ادامه داشت. به طوری که غلظت توده میکروبی از راکتور به مدت طولانی ادامه داشت. به طوری که غلظت توده میکروبی در طول مدت 7 ماه از 6000 به mgSS/L 1000 کاهش یافت. کشل 1 مربوط به سه موقعیت زمانی مختلف می باشد که راکتورها با مقدار بیشتری توده میکروبی حاصل از فاضلاب لجن هضم شده فاضلاب شهری (حاوی kgSS12) به دست آمده از پایلوت فیلتر بی‌هوازی تغذیه گردید. این زمان با هنگام حذف مقداری از مواد نگهدارنده بستر (آکند) و در نتیجه از دست رفتن مقدار بیشتری از لجن هاضم لبنیات سازی مصادف بود.

در ماههای قبل زمانی که راکتور بدون بهم زدن به مدت 19 ساعت در روز بهره برداری شد، MLSS به آرامی شروع به افزایش نمود ولی COD کل بطور ثابت حدود 80% کاهش را نشان می داد. حتی در زمانی که MISS  کمتر از mg/L2000 بود، این موضوع صحت داشت. ضمناً HRT با بارآلی بین kg COD/.d2-1 به طور متوسط سه روز بود. همانگونه که در شکل 1 می‌توان مشاهده کرد در فاصله زمانی ماههای مارس تا اوت سال 1990 (هفته دهم تا سی و هشتم) و دراین سرعت بازگذاری مقادیر VFA در مقایسه با 9 ماه قبل که میزان بار آلی فقط برای مدت 7 هفته به میزان kg COD/.d2-1 زیاد شده بود، بیشتر شد.

لذا می‌توان نتیجه گرفت که گرچه حذف COD دراین راکتور بسیار خوب بود ولی دارای انعطاف پذیری کمی در مقابل تغییرات بار آلی که ممکن است در صنایع فصلی مانند بستنی سازی اتفاق بیفتد، می باشد.

عملکرد فیلتر بی‌هوازی در حالت پایدار

در شکل 2 عملکرد فیلتر بی‌هوازی در شرایطی که تمام حجم راکتور با مواد نگهدارنده (آکند) اشغال شده در فاصله زمانی هفته بیست و سوم سال 1988 تا هفته چهل و سوم 1989 نشان داده شده است.

راکتور با HRT کمتر از یک روز بهره برداری شد و در کل 70% - 60% حذف COD را نشان داد (جدول 2). این وضعیت تا زمانی که راکتور به علت حرارت اضافی ناشی از بوستر که برای مدت 4 روز روشن مانده بود ادامه داشت. درجه حرارت راکتور به علت مشکل فوق تا چندین روز به بالای 55 درجه سانتیگراد رسید. در نتیجه حذف COB کل به 10% کاهش یافت. مقدار TVFA تا حدود mg/L 2500 افزایش پیدا کرد و HRT در شروع هفته دهم به سه روز افزایش یافت. زمانی که  به تدریج از 2 به kg CoD.d5 افزایش یافت، راندمان حذف COD و مقدار VFA مجدداً در هفته های ششم تا هفتم بهبود یافت. در هفته‌های 24-23 سال 1989 به علت نقص در پمپ برگشتی حرارتی درجه حرارت به کمتر از 20 درجه سانتیگراد کاهش یافت و باعث شد که افزایش زودگذری در vfa کل مشاهده شود

. مطالعات انجام شده براساس ردیاب نشان داد که در هفته‌های 30-28 سال 1989 سرعت رو به بالا از m/d17 به m/d10 و m/d6 کاهش یافته است (اسمیت 1991) که این خود باعث افت درجه حرارت و افزایش VFA گردید. شکل 2 تأثیرپارامترهای اندازه گیری شده روزانه در آزمایش بار مازاد هیدرولیکی 8 ساعته را که در یک روز از هفته 38 صورت پذیرفت نشان می‌دهد (کاین و همکاران 1990). زمانی که  از kg COD/.d 7 به دو برابر داده مقدار متوسط تعداد نمونه می باشد.

M* تولید متان است و واحد آن kg COD/ افزوده شده و یا حذف شده می‌باشد.

افزوده یافت، افزایش سریعی در مقدار SS خروجی mg.L)1700-350) و کاهشی در حذف COD در هفته 41-39 سال 1989 مشاهده گردید.

مطالعات اسمیت (1991) براساس ماده ردیاب لیتیم نشان داد که تولید گاز مهمترین پارامتر مؤثر در اختلاط می باشد و سرعت رو به بالای جریان مایع نقش کوچکی را در اختلاط بازی می‌کند. در زمانی که  حدود kg COD/.d7 بود مایع تقریباً در حالت اختلاط کامل بود.