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 لجن فعال

۹ نوع فرآیند لجن فعال وجود دارد:

• هوادهی مخروطی
• هوادهی مرحله‌ای
• تصفیه با نرخ بالا یا هوادهی اصلاح شده
• هوادهی دو مرحله‌ای
• هوادهی فعال
• هوادهی مجدد
• تثبیت تماسی
• اختلاط کامل
• روش هوادهی گسترده

هوادهی مخروطی یا هوادهی کنترل شده

هوادهی مخروطی را هوادهی کنترل شده نیز می‌گویند. اگر نمونه‌ها در نقاط مختلف واحدهای هوادهی جمع‌آوری شوند، مشخص می‌شود کهBOD (Biological Oxygen Demand) مایع مخلوط همه جا یکنواخت نیست. در نزدیکی ورودی، حداکثر و در نزدیکی خروجی، حداقل است. به همین دلیل اگر هوای پخش شده با سرعت یکنواخت اعمال شود، نمی توان از آن به درستی استفاده کرد.

هوادهی مرحله‌ای

اگر فاضلاب در بیش از دو نقطه در طول کانال هوادهی به لجن برگشتی اضافه شود، بار وارد شده به لجن برگشتی تغییر می‌کند. درنتیجه، BOD مایع مخلوط در نقاط مختلف متفاوت است.

تصفیه با نرخ بالا یا هوادهی اصلاح شده

در روش تصفیه با نرخ بالا (هوادهی اصلاح شده)، کمترین حجم لجن بازگشتی استفاده می‌شود؛ بنابراین، این روش به نام تصفیه با نرخ بالا شناخته می‌شود. در تصفیه با نرخ بالا، دوره اقامت کوتاه‌تر (۲ ساعت)، مقدار کمتری هوای فشرده و حجم کمتری لجن بازگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هوادهی دو مرحله‌ای

در هوادهی دو مرحله‌ای، فاضلاب به دو بخش هوادهی و ته‌نشینی هدایت می‌شود. لجن فعال یا به منظور شروع فرایند به مرحله اول بازمی‌گردد یا لجن اضافی از مرحله دوم به مرحله اول منتقل می‌شود. در نهایت، این دو با لجن اضافی از مرحله اول با جریان ورودی مخلوط می‌شوند.

هوادهی فعال

این روش ترکیبی از دو سیستم لجن فعال مخروطی است که به صورت موازی از فاضلاب ته‌نشین شده یکسان به عنوان جریان ورودی استفاده می‌کنند. لجن فعال اضافی یک سیستم به عنوان استارت برای سیستم دیگر استفاده می‌شود که به آن هوادهی فعال می‌گویند.

هوادهی مجدد

در این روش حداقل هوادهی فاضلاب پس از اضافه کردن لجن برگشتی به آن انجام می‌شود. به منظور تامین BOD، هوادهی مجدد لجن برگشتی قبل از مخلوط کردن آن با فاضلاب انجام می‌شود. اگر هوادهی مجدد قبل از فیلتر چکنده انجام شود به آن هوادهی زیستی می‌گویند.

تثبیت تماسی

این روش به عنوان جذب زیستی نیز شناخته می‌شود. در این فرآیند، فاضلاب ممکن است بعد از ته‌نشینی اولیه یا بدون آن، تصفیه شود. در یک دوره نسبتاً کوتاه (از ۰.۵ تا ۱.۵ ساعت)، فاضلاب همراه با لجن بازگشتی هوادهی می‌شود و لجن مواد آلی فاضلاب را جذب می‌کند.

سپس مایع مخلوط در یک مخزن ته‌نشینی ثانویه ته‌نشین می‌شود. قسمت برگشتی لجن که از مخزن ته‌نشینی خارج شده، در یک مخزن هوادهی لجن مجزا برای مدت ۶-۳ ساعت مجدد هوادهی می‌شود، قبل از اینکه به مخزن هوادهی تماسی بازگردانده شود. در طول هوادهی مجدد لجن، مواد آلی جذب شده تثبیت شده و ظرفیت جذب لجن بازیابی می‌شود.

اختلاط کامل

فرآیند لجن فعال با اختلاط کامل، از یک رژیم جریان کاملاً مخلوط استفاده می‌کند. در یک مخزن مستطیلی، اختلاط کامل با توزیع یکنواخت فاضلاب و لجن برگشتی در امتداد یک طرف مخزن و خروج یکنواخت فاضلاب هوادهی شده در امتداد طرف مقابل حاصل می‌شود. در صورت استفاده از یک مخزن دایره‌ای یا مربع، اختلاط کامل توسط یک دمنده‌ی هوای مکانیکی با ظرفیت اختلاط کافی که در مرکز مخزن نصب شده باشد، به‌دست می‌آید.

روش هوادهی گسترده

طرح جریان فرآیند هوادهی گسترده و رژیم اختلاط آن شبیه فرآیند اختلاط کامل است. کانال اکسیداسیون نیز با اصول هوادهی گسترده مطابقت دارد و بر اساس هوادهی مایع مخلوط در یک کانال مداوم انجام می‌شود. در روش هوادهی گسترده، ته‌نشینی اولیه حذف شده ولی معمولاً ترکیبی برای غربالگری ارائه می‌شود.

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.

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.

مشکلات 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