تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال

فرآیند لجن فعال یکی از اصلی‌ترین فرآیندهای تصفیه آب صنعتی است. این فرآیند در سال ۱۹۱۴ در انگلیس توسعه یافت و به این نام شناخته شد؛ زیرا شامل تولید توده فعالی از میکروارگانیسم‌هایی بود که قابلیت تثبیت محتوای آلی فاضلاب به صورت هوازی را داشتند. فرآیند لجن فعال در تصفیه فاضلاب، متنوع‌ترین فرآیند تصفیه بیولوژیکی آب است که قابلیت تولید پساب با هر سطح از آلودگی را داراست. در این مقاله، بررسی خواهیم کرد که لجن فعال چیست و مراحل تصفیه لجن فعال به چه صورت است، هم‌چنین به بررسی انواع لجن فعال، محاسبات، مزایا و مشکلات و کاربرد لجن فعال خواهیم پرداخت.

همچنین بخوانیدتصفیه فاضلاب صنعتی چیست

لجن فعال چیست؟

فرآیند لجن فعال یک فرآیند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب به صورت هوازی است که از میکروارگانیسم‌ها از جمله باکتری‌ها، قارچ‌ها و پروتوزوآها برای تسریع در تجزیه مواد آلی که برای تصفیه به اکسیژن نیاز دارند، استفاده می‌کند. در این فرآیند، میکروارگانیسم‌ها تحت شرایطی که رشد آن‌ها را تحریک می‌کند، به طور کامل با مواد آلی مخلوط شده و مواد زائد را حذف می‌کنند. همان‌طور که میکروارگانیسم‌ها رشد می‌کنند و با هوادهی مخلوط می‌شوند، میکروارگانیسم‌های منفرد به هم می‌چسبند (یا لخته می‌شوند) و توده ای از میکروب‌ها به نام لجن فعال را تشکیل می‌دهند.

انواع فرایند لجن فعال

فرایندهای لجن فعال در تصفیه فاضلاب، شامل تکنیک‌های مختلفی برای افزایش کارایی تصفیه و کاهش مواد آلی و آلاینده‌های موجود در فاضلاب هستند. هر یک از این روش‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند که به بهبود کیفیت پساب و مدیریت بهتر سیستم کمک می‌کنند. در ادامه به معرفی و توضیح مختصر هر کدام از این فرایندها می‌پردازیم:

فرایند لجن فعال متعارف (Conventional Activated Sludge)

این روش یکی از رایج‌ترین سیستم‌های لجن فعال است که شامل یک مخزن هوادهی و یک مخزن ته‌نشینی است. فاضلاب در مخزن هوادهی با لجن فعال و اکسیژن ترکیب شده و واکنش‌های زیستی آغاز می‌شود. سپس، فاضلاب به مخزن ته‌نشینی منتقل می‌شود تا جامدات ته‌نشین شوند. لجن ته‌نشین شده مجدداً به مخزن هوادهی بازگردانده می‌شود و مابقی فاضلاب تصفیه‌شده از سیستم خارج می‌شود. این فرایند معمولاً در تصفیه‌خانه‌های شهری کاربرد دارد.

فرایند لجن فعال با هوادهی گسترده (Extended Aeration)

در این روش، زمان هوادهی طولانی‌تر از فرایند متعارف است، که باعث می‌شود مواد آلی بیشتر تخریب شده و لجن کمتری تولید شود. در این فرایند، اکسیژن‌دهی به مدت طولانی انجام می‌شود که باعث کاهش نیاز به مدیریت و دفع لجن می‌شود. این روش برای تصفیه فاضلاب‌هایی با حجم کم و در مناطقی که امکانات دفع لجن محدود است، مناسب است و به دلیل زمان طولانی‌تر، معمولاً راندمان بالاتری در کاهش مواد آلی دارد.

فرایند راکتور ناپیوسته متوالی (SBR – Sequencing Batch Reactor)

این فرایند به صورت ناپیوسته عمل می‌کند و تمام مراحل تصفیه (هوادهی، ته‌نشینی، و تخلیه پساب تصفیه‌شده) به صورت متوالی و در یک مخزن انجام می‌شود. مراحل معمولاً شامل پنج فاز است: پر شدن، واکنش، ته‌نشینی، تخلیه و توقف. این سیستم انعطاف‌پذیری بالایی دارد و به‌راحتی می‌تواند برای تغییرات در حجم فاضلاب تنظیم شود. برای تصفیه فاضلاب صنعتی و فاضلاب‌هایی که حجم آن‌ها در طول روز تغییر می‌کند، مناسب است.

فرایند لجن فعال با جریان قالبی (Plug Flow Activated Sludge)

در این روش، فاضلاب به شکل پیوسته و به صورت قالبی از یک سمت وارد مخزن هوادهی شده و از سمت دیگر خارج می‌شود. در این سیستم، فاضلاب و لجن فعال به طور یکنواخت و بدون اختلاط کامل حرکت می‌کنند، به طوری که در هر بخش از مخزن هوادهی شرایط مختلفی برای واکنش‌های زیستی وجود دارد. این حالت به بهبود راندمان در تصفیه فاضلاب‌های با آلاینده‌های خاص کمک می‌کند و امکان کنترل و تنظیم پارامترهای فرآیندی بهینه را فراهم می‌سازد.

هر یک از این فرایندها بسته به شرایط فاضلاب، میزان آلاینده‌ها، و نیازهای خاص تصفیه‌خانه می‌تواند به‌عنوان یک گزینه مناسب در نظر گرفته شود.

همچنین بخوانیدانواع روش های تصفیه فاضلاب

کاربرد تصفیه آب به روش لجن فعال

فرآیند لجن فعال معمولاً در تصفیه فاضلاب‌های شهری، صنعتی و حتی در تصفیه آب‌های سطحی به کار گرفته می‌شود. این روش به طور گسترده برای تصفیه بیولوژیکی فاضلاب استفاده می‌شود. در این فرآیند بیولوژیکی، موادی که غیر قابل ته‌نشین هستند و به صورت کلوئیدی و محلول وجود دارند، تصفیه شده و به لجن قابل ته‌نشین تبدیل شده و شسته یا از آب خارج می‌شوند.

مراحل تصفیه لجن فعال

یک فرآیند لجن فعال معمولی شامل سه مرحله است:

• هوادهی
• ته‌نشین شدن لجن
• تجهیزات لجن فعال برگشتی

اگرچه طراحی‌های مختلف زیادی وجود دارد، اما همه سیستم‌های لجن‌ فعال دارای سه جزء اصلی هستند: در مرحله اول، مخزن هوادهی که به عنوان یک بیوراکتور عمل می‌کند. سپس مواد جامد موجود در لجن از طریق مخزن ته‌نشینی که به عنوان زلال‌ساز نهایی نیز شناخته می‌شود، از آب تصفیه شده جدا می‌شوند. در مرحله آخر، تجهیزات لجن فعال برگشتی، لجن فعال ته‌نشین شده را از زلال‌ساز به ورودی مخزن هوادهی منتقل می‌کنند. آلاینده‌های آلی موجود در فاضلاب، انرژی و کربن مورد نیاز برای رشد و تولید میکروبی را تأمین می‌کنند.

در این فرآیند، هوا/اکسیژن به داخل فاضلاب هم‌زده پمپ می‌شود که باعث تجزیه مواد جامد موجود در فاضلاب می‌شود. پس از ایجاد حباب در فاضلاب، مایع لجن به محفظه لجن فعال ریخته می‌شود. باکتری‌های مرده به سطح مخزن و رو به بالا حرکت می‌کنند، در حالی که باکتری‌های فعال به سمت پایین می‌روند. سپس، باکتری‌های فعال به محفظه هضم بازگردانده می‌شوند، در حالی که آب تمیز به جریان آب، تخلیه شده یا در آنجا ذخیره می‌شود.

پارامترهای مهم در کنترل فرایند لجن فعال

BOD (Biochemical Oxygen Demand)

BOD یکی از مهم‌ترین شاخص‌ها در تصفیه فاضلاب است و نشان‌دهنده مقدار اکسیژنی است که میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه مواد آلی موجود در فاضلاب نیاز دارند. هرچه مقدار BOD بیشتر باشد، یعنی فاضلاب دارای مواد آلی بیشتری است و نیاز به تصفیه بیشتری دارد. اندازه‌گیری BOD برای ارزیابی کارایی تصفیه و میزان تجزیه مواد آلی اهمیت دارد.

MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids): جامدات معلق در مخلوط مایع

MLSS نشان‌دهنده غلظت کل جامدات معلق در مخزن هوادهی است که شامل میکروارگانیسم‌های فعال و مواد آلی معلق است. MLSS باید در یک محدوده مشخص کنترل شود تا هم کارایی تصفیه بهینه باشد و هم از تراکم بیش از حد میکروارگانیسم‌ها جلوگیری شود. کنترل این پارامتر به تنظیم جمعیت میکروبی و بهینه‌سازی تصفیه کمک می‌کند.

F/M Ratio (Food to Microorganism Ratio): نسبت غذا به میکروارگانیسم‌ها

این نسبت بیانگر میزان مواد آلی (غذا) به میکروارگانیسم‌های موجود در مخزن است و در واقع نسبت بار آلی به جمعیت میکروبی را نشان می‌دهد. مقدار بهینه F/M برای کنترل رشد میکروارگانیسم‌ها و جلوگیری از افزایش لجن اضافی حائز اهمیت است. این نسبت می‌تواند بر سرعت تجزیه مواد آلی و در نتیجه کیفیت تصفیه اثرگذار باشد.

SRT (Sludge Retention Time): زمان ماند لجن

SRT مدت زمانی است که لجن در سیستم باقی می‌ماند و بیانگر میزان تجدید جمعیت میکروبی است. این پارامتر اهمیت زیادی در حفظ جمعیت میکروبی مناسب و کنترل رشد میکروارگانیسم‌ها دارد. SRT باید به گونه‌ای تنظیم شود که مواد آلی به‌خوبی تجزیه شده و لجن اضافی به حداقل برسد.

DO (Dissolved Oxygen): اکسیژن محلول

DO میزان اکسیژن محلول در مخزن هوادهی را نشان می‌دهد که برای تنفس میکروارگانیسم‌ها و تجزیه مواد آلی ضروری است. کمبود اکسیژن می‌تواند باعث کاهش کارایی تصفیه و ایجاد شرایط بی‌هوازی شود، در حالی که مقدار بیش از حد اکسیژن نیز باعث اتلاف انرژی می‌شود. حفظ مقدار بهینه DO برای پایداری فرآیند و عملکرد بهینه میکروارگانیسم‌ها ضروری است.

pH: سطح اسیدی یا بازی محیط

pH محیط تصفیه باید در محدوده مناسبی (معمولاً بین ۶.۵ تا ۸.۵) نگه داشته شود، چرا که تغییرات pH می‌تواند روی فعالیت میکروارگانیسم‌ها تأثیر منفی بگذارد. میکروارگانیسم‌ها در محیطی با pH متعادل بهترین عملکرد را دارند و pH بیش از حد اسیدی یا بازی می‌تواند رشد آن‌ها را مختل کند.

دما: که بر فعالیت میکروارگانیسم‌ها تاثیر می‌گذارد

دما نقش مهمی در سرعت فعالیت میکروارگانیسم‌ها و در نتیجه سرعت تجزیه مواد آلی دارد. در دماهای بالا، فعالیت میکروارگانیسم‌ها افزایش می‌یابد، اما دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین ممکن است به رشد میکروارگانیسم‌ها آسیب بزند. معمولاً دماهای بین ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد برای کارایی بهینه سیستم لجن فعال مناسب هستند.

Hydraulic Retention Time (HRT): زمان ماند هیدرولیکی

HRT مدت زمانی است که فاضلاب در سیستم باقی می‌ماند و بستگی به حجم مخزن و نرخ جریان ورودی دارد. زمان ماند هیدرولیکی باید به گونه‌ای تنظیم شود که فاضلاب زمان کافی برای تصفیه پیدا کند و مواد آلی به خوبی تجزیه شوند. HRT کوتاه باعث کاهش کارایی تصفیه و HRT طولانی می‌تواند باعث افزایش هزینه‌های انرژی و نگهداری شود.

کنترل و مدیریت این پارامترها در کنار هم، باعث بهبود راندمان سیستم لجن فعال و تصفیه بهتر فاضلاب می‌شود.

محاسبات لجن فعال

محاسبات لجن فعال ابزار مهمی است که برای طراحی، بهره‌برداری و بهینه‌سازی فرآیندهای تصفیه فاضلاب با لجن فعال استفاده می‌شود. این محاسبات عبارتند از:

• مواد جامد معلق مایع مخلوط (MLSS): در فرآیند لجن فعال، کنترل مقدار مواد جامد تحت هوادهی مهم است. جامدات معلق در یک مخزن هوادهی، جامدات معلق مایع مخلوط (MLSS) نامیده می شوند. برای محاسبه مواد جامد در مخزن هوادهی، باید غلظت MLSS در حجم مخزن هوادهی ضرب شود. 
• شاخص حجمی لجن (SVI): محاسبات شاخص حجمی لجن به شما می‌گوید که آیا جامدات معلق مایع مخلوط (MLSS) در مخزن هوادهی با سرعت مناسبی ته‌نشین می‌شوند یا اینکه عملکرد سیستم شما را مختل می‌کنند. برای محاسبه SVI باید حجم لجن ته‌نشین شده (پس از مدت ۳۰ دقیقه) را بر مقدار MLSS تقسیم کنید.
• نسبت غذا به میکروارگانیسم (F/M): بیانگر نسبت BOD ورودی به مخزن هوادهی به غلظت MLSS (مقدار میکروارگانیسم‌های داخل مخزن هوادهی که BOD ورودی را مصرف می‌کنند) است. 
• زمان ماند هیدرولیکی (HRT): از تقسیم حجم مخزن تصفیه بر دبی ورودی محاسبه می‌شود.
• میانگین زمان اقامت سلولی (MCRT): نشان دهنده میانگین زمانی است که میکروارگانیسم‌ها در تماس با سوبسترا (منبع غذایی) باقی می‌مانند. MCRT هم‌چنین به عنوان زمان نگهداری جامدات (SRT) شناخته می‌شود. از تقسیم مقدار مواد جامد در سیستم هوادهی بر جامداتی که از سیستم خارج می‌شوند، محاسبه می‌شود.
• نرخ جذب اکسیژن (OUR): OUR میزان مصرف اکسیژن توسط میکروارگانیسم‌های موجود در فرآیند لجن فعال را اندازه گیری می‌کند. با کنترل سطح اکسیژن محلول در مخزن هوادهی در طول زمان تعیین می‌شود.
• ضریب بازده (Y): بیانگر مقدار بیومس تولید شده به ازای هر واحد BOD حذف شده است. از تقسیم افزایش غلظت MLSS بر BOD ورودی حذف شده محاسبه می‌شود.
• نرخ تولید لجن: میزان لجن اضافی تولید شده در سیستم را در یک دوره مشخص تخمین می‌زند.

معایب فرایند لجن فعال

فرآیند تصفیه لجن فعال دارای معایبی است و ممکن است برای همه کاربردها مناسب نباشد. برخی از مشکلات لجن فعال عبارتند از:

• اگر حجم یا نوع فاضلاب تحویل داده شده تغییر کند، ممکن است مشکلاتی پیش بیاید که باعث کاهش کیفیت آب تصفیه شده شود.
• هزینه سرمایه اولیه ممکن است کم باشد، اما هزینه‌های مستمر عملیاتی هوادهی و بازیافت لجن ممکن است زیاد باشد. این هزینه‌ها به مرور زمان افزایش می‌یابند.
• لجن را می‌توان مجدداً به فرآیند بازیافت کرد. با این حال، لجن پس از مدتی باید حذف و دفع شود، و این می‌تواند باعث ایجاد مشکلات و همچنین هزینه‌های اضافی شود.
• این فرآیند ممکن است برای همه انواع فاضلاب صنعتی مناسب نباشد.
• لجن فعال ممکن است همیشه فعال و هوادهی شده باقی نماند که به شدت بر عملکرد فرآیند تأثیر می‌گذارد. این بدان معناست که برای اطمینان از فعال ماندن لجن، نظارت لازم است.

مزایای استفاده از روش لجن فعال در تصفیه آب

فرآیند تصفیه لجن فعال مزایای قابل توجهی نسبت به سایر گزینه‌ها دارد. از جمله این مزایا عبارتند از:

• این سیستم به خودی خود هزینه نصب زیادی ندارد و باعث بازگشت سرمایه اولیه خوبی می‌شود.
• آب تصفیه شده با کیفیت بسیار بالا تولید می‌شود، تا زمانی که فاضلاب یکنواخت و با حجم ثابت باشد و لجن فعال فعالیت خود را حفظ کند.
• این سیستم نیاز به فضای زیادی برای نصب و بهره‌برداری ندارد، که این امر آن را به یک گزینه مناسب برای مواردی تبدیل می‌کند که فضا ممکن است محدود باشد.
• در این سیستم، بو یا حشرات به حداقل می‌رسند، که عملیات بهداشتی، ایمن و راحت را آسان می‌کند. 
• این فرآیند نسبتاً کارآمد است و افت فشار داخل سیستم بسیار کم است.

همچنین بخوانید: دلایل افت فشار در سیستم تصفیه آب صنعتی