فرایند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب چگونه است؟

بررسی مکانیزم تصفیه بیولوژیکی فاضلاب

در طبیعت میان نمک های معدنی نظیر نیترات ها، فسفات ها، سولفات ها و ترکیبات آلی مانند پروتئین انواع اسیدهای آلی، الکل و جز آن، سیکل بسته ای به صورت زیر وجود دارد:

مواد معدنی با گرفتن گرمای ناشی از تابش خورشید توسط موجودات گیاهی، جذب و تبدیل به مواد آلی می شوند. در این کنش و واکنش معمولاً گیاهان اکسیژن آزاد می کنند. این پدیده فتوسنتز نامیده می شود. در مقابل حیوانات و از جمله باکتری ها با جذب اکسیژن، مواد آلی ناپایدار را تبدیل به مواد پایدار معدنی کرده و دوباره به طبیعت باز می گردانند. در ضمن این اکسیداسیون، گرما نیز تولید می شود. در اینجا لازم به ذکر است که قسمتی از مواد آلی جذب شده از سوی حیوانات (باکتری ها) و همچنین قسمتی از مواد معدنی جذب شده توسط گیاهان صرف خودسازی و تولید مثل آن ها می شود.

در یک تصفیه خانه فاضلاب ، هر گاه تصفیه مکانیکی با دستگاه تصفیه آب صنعتی دست دوم برای کاهش آلودگی فاضلاب کافی نباشد، از فعالیت موجودات زنده ای به نام باکتری های هوازی و یا بی هوازی برای ادامه ی تصفیه فاضلاب یاری می گیرند. کار واحد های (مرحله ی دوم تصفیه ی آب و فاضلاب) در تصفیه خانه همانند تشدید عملی است که به طور خودکار در طبیعت رخ می دهد؛ یعنی با ایجاد محیطی مناسب برای رشد و افزایش تعداد باکتری های نامبرده، مدت زمان تصفیه طبیعی را، که ممکن است به چندین روز برسد، به چند ساعت کاهش می دهند.

دو گروه با باکتری های هوازی و بی هوازی جزو گروه باکتری های ساپروفیت هستند که مواد غذایی خود را برخلاف باکتری های انگلی از اجساد و پس مانده ی موجودات زنده تأمین می کنند و به همین دلیل این دسته از باکتری ها کارگران نامیده می شوند.

اندازه سلول باکتری های مورد بحث نزدیک به یک تا پنج میکرون بوده و از یک هسته و پلاسما که به وسیله پوسته ی سلولزی احاطه شده تشکیل می شود. روی پوسته ی نامبرده را پوسته لزج می پوشاند. نزدیک به 0.8 بدن باکتری از آب و بقیه ی آن از مواد آلی و معدنی تشکیل شده است.

گروهی از باکتری های هوازی موجود در فاضلاب به نام باکتری های نیترات ساز نامیده می شوند که در شرایط مناسب محیط زیست بر ترکیبات ازت دار مانند آمونیاک موجود در فاضلاب اثر کرده و آن ها را تبدیل به نیترات می کنند. همچنین گروه دیگری از باکتری ها به نام نیترات زدا در هستند که در محیطی بدون اکسیژن بر نیترات ها اثر کرده، آن ها نخست به نیتریت و سپس به گاز ازت تبدیل و از فاضلاب بیرون می برند.

 همانند سایر میکروارگانیسم ها، درجه ی گرما و درجه ی اسیدی (pH) فاضلاب و نیز مقدار اکسیژنی که به صورت مولکولی و محلولی و یا به صورت اتمی در ترکیبات گوناگون موجود در فاضلاب یافت می شوند، در مرگ و حیات و شدت فعالیت این باکتری ها نقش اساسی را ایفا می کنند. با افزایش درجه ی دما، فعالیت باکتری ها فزونی یافته و به ازای هر ده درجه ی سانتیگراد این فعالیت تقریباً دو برابر می شود.

باکتری ها محیط اسیدی پایین تر از pH=4 و محیط قلیایی بالاتر از pH=9.5 را نمی توانند تحمل کنند. مناسب ترین درجه ی اسیدی برای زندگی و رشد باکتری ها بین 6.5 تا 7.5 درجه است. در هر صورت، تغییر ناگهانی درجه اسیدی فاضلاب در کاهش فعالیت و حتی مردن باکتری ها تأثیری چشم گیری دارد.

با توجه به آنچه گفته شد، برای بررسی بیشتر در باید نخست آن را به انواع زیر تقسیم نمود:

• تصفیه بیولوژیکی با کمک باکتری های هوازی.
• تصفیه بیولوژیکی با کمک باکتری های بی هوازی.
• تصفیه بیولوژیکی با کمک باکتری های هوازی نیترات ساز و باکتری های بی هوازی نیترات زدا.
• تصفیه بیولوژیکی با کمک باکتری های فسفات زدا.

تصفیه بیولوژیکی فاضلاب با کمک باکتری های هوازی

اساس کار در این روش تصفیه، رسانیدن اکسیژن به فاضلاب است. با اکسیژن محلول در فاضلاب، تولید مثل باکتری های هوازی شدت یافته و این باکتری ها به اطراف ذرات و قطعات کوچک تشکیل شده از مواد آلی موجود در فاضلاب نشسته و لخته هایی را تولید می کنند. این لخته ها که هزاران باکتری هوازی را با خود حمل می کنند در  روش های گوناگون نقش مهمی را ایفا می کنند. لخته های نامبرده یا به صورت معلق و شناور در فاضلاب می مانند (مانند )، یا بر قلوه سنگ ها می نشینند ( مانند ).

در صورت هوارسانی کامل و رسیدن اکسیژن کافی به فاضلاب، تولید مثل و افزایش شمار این باکتری ها تا حدی فزونی می یابد که مواد آلی موجود در فاضلاب کفاف تغذیه ی آن ها را نداده، مرگ و میر در آن ها شروع شده و شمار آن ها بسته به مقدار مواد آلی در فاضلاب تقریباً ثابت مانده و یک نوع حالت تعادلی به وجود می آید.

برای اینکه همه ی مواد آلی موجود در فاضلاب به مصرف تغذیه ی باکتری ها رسیده و شمار آن ها به بیشترین اندازه ممکن برسد، لازم است که کمبود اکسیژن محلول در فاضلاب مرتباً برطرف شده و بازیابی اکسیژن توسط فاضلاب در مدتی کوتاه امکان پذیر باشد. برای رسیدن به این حدف، باید سطح تماس فاضلاب با هوا افزایش یابد. این کار ممکن است با کمک دمیدن هوا در فاضلاب و یا ایجاد تلاطم در سطح آن رخ دهد.

اینگونه در استخرهای هوارسانی انجام می گیرد. یا اینکه با چکانیدن فاضلاب روی قلوه سنگ های طبیعی و یا قطعه های پلاستیکی آن را در مجاورت هوا قرار داد. این روش در صافی چکنده مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین می توان فاضلاب را به صورت لایه های نازکی روی بسترهای ماسه ای (مانند صافی های ماسه) و یا زمین های غیر کشاورزی و یا کشاورزی پخش کرد.

مطالب مرتبط : راهنمای خرید دستگاه آب شیرین کن کشاورزی

تصفیه بیولوژیکی فاضلاب با کمک باکتری های بی هوازی

در ضورتی که به فاضلاب اکسیژن نرسد، باکتری های هوازی فعال است و رشد و نمو خود را از دست داده و در عرض باکتری های بی هوازی فعالیت خود را شروع می کنند. کار این باکتری ها بر این اساس است که اکسیژن مورد نیاز خود را از تجزیه ی مواد آلی و معدنی موجود در فاضلاب بدست می آورند. به عبارت دیگر این باکتری ها بر خلاف باکتری های هوازی مواد نامبرده را احیاء می کنند. نتیجه ی این فعالیت، تجزیه ی مواد آلی ناپایدار و تبدیل آن ها به نمک های معدنی پایدار و نیز گازهایی چون گاز هیدروژن سولفوره، گاز متان، و گاز کربنیک و گاز ازت است.

تولید گازهای نامبرده به ویژه گاز هیدروژن سولفوره موجب می شود که بوی ناخوشایند آن ها محیط زیست را به شدت آلوده سازد. از این رو این روش را به نام روش تعفن نیز میشناسند. به همین جهت موارد استفاده از باکتری های بی هوازی به منظور برای جلوگیری از آلوده شدن محیط زیست تصفیه خانه ها محدود است. مهم ترین کاربرد روش استفاده از باکتری های بی هوازی در مخزن های سربسته ی است و تنها در تصفیه خانه های بسیار کوچک مانند انباره های بی هوازی ( و ایمهف تانک) هم از روش بی هوازی برای استفاده می شود. گذشته از موارد نام برده شده، همیشه در تصفیه خانه ها کوشش می شود تا با رسانیدن هوا و اکسیژن به فاضلاب، مانع از فعالیت باکتری های بی هوازی شوند. در تصفیه ی طبیعی که در چاه های رخ می دهد و نیز در لجن ته نشین شده در کف دریاچه ها نیز باکتری های بی هوازی فعالیت می کنند.

هضم لجن

لجن پیش از وارد شدن به منبع های هضم لجن دارای نزدیک به 60 تا 80 درصد مواد آلی تجزیه پذیر است. لجن تازه از نظر حجمی نزدیک به یک درصد کل فاضلاب را در بر می گیرد، ولی تصفیه ی آن بسیار پرهزینه و پیچیده است. هزینه ی تأسیسات هضم لجن گاهی نزدیک به نصف تمام هزینه ی یک را در بر می گیرد. تغلیظ کردن و گرفتن آب اضافی آن، کار تصفیه را آسان می سازد. هضم لجن که بر اثر تعفن و کار باکتری های بی هوازی است، در دو مرحله ی تخمیر اسیدی و تخمیر متانی انجام می گیرد.

مرحله ی اول- تخمیر اسیدی

در مرحله ی اول، لجن تازه که دارای رنگی زرد مایل به خاکستری و از نظر درجه ی اسیدی تقریباً حالت خنثی دارد، شروع به تعفن کرده، درجه ی اسیدی به 5 و حتی به 4 می رسد و محیط آن به شدت اسیدی می شود. انجام دهنده ی این کنش و واکنش ها گروهی از باکتری های بی هوازی هستند که به نام باکتری های بی هوازی اسیدی نامیده می شوند. در این مرحله بیشتر ترکیبات آلی کربن دار مورد تجزیه قرار می گیرند و بر مواد آلی ازت دار کمتر تأثیر گذاشته می شود. بنابراین از این نظر، شباهتی بین این دو مرحله با دو مرحله ی تصفیه بیولوژیکی با کمک باکتری های هوازی وجود دارد. همچنین در ضمن این فعل و انفعالات، برخی مواد پروتئینی تبدیل به اسیدهای آلی و گاز H₂S می شوند.

لجن حاصل از این مرحله بسیار بد بو و چسبنده است، به سختی ته نشین می شود و به سختی آب خود را از دست می دهد. اگر به حال خود گذاشته شود، در دمای 15 درجه مدت 6 ماه طول می کشد تا مرحله ی دوم هضم لجن شروع شود. افزایش درجه دما مدت زمان نامبرده را به شدت کاهش می دهد.

مر حله ی دوم- تخمیر متانی یا تخمیر قلیایی

این مرحله با فعالیت گروه دیگری از باکتری های بی هوازی که به نام باکتری های بی هوازی متانی نامیده می شوند، آغاز می شود. در این مرحله، لجن حالتی خنثی تا کمی قلیایی با درجه ی اسیدی 7 تا 7.5 به خود می گیرد و این محیطی است که باکتری های تولید کننده ی گاز متان به خوبی در آن زندگی می کنند. در مرحله ی دوم هضم لجن، بجز ترکیب های آلی کربن دار، ترکیب های آلی ازت دار نیز تجزیه می شوند و مقدار زیادی گاز متان (CH₄)، گاز کربنیک (CO₂) و کمی گاز ازت (N₂) تولید می شود.

مقدار کل گازی که از تجزیه های اشاره شده بدست می آید، به درجه ی دمای لجن بستگی دارد. نسبت گاز متان بدست آمده از هضم لجن فاضلاب شهری 65 تا 70 درصد و گاز کربنیک 30 تا 35 درصد کل گاز تولید شده است. همراه گازهای تولید شده در مخزن های هضم لجن، نزدیک به یک درصد نیز گاز هیدروژن سولفوره H₂S تولید می شود که بجز آلوده سازی محیط زیست، خاصیت خورندگی شدیدی بر تأسیسات بعد از مخزن دارد. در صورتی که از گاز مخزن هضم لجن برای تولید انرژی استفاده می شود، باید پیش از مصرف آن، گاز H₂S حذف شود.

افزایش درجه دما بجز کوتاه کردن مدت زمان هضم لجن، بر مقدار گاز تولید شده نیز می افزاید. باکتری های بی هوازی که در فرآیند هضم لجن فعالیت دارند، افزایش گرما برای زندگی آن ها مناسب است و باکتری های معمولی در دمای 20 تا 40 درجه بهتر زندگی می کنند.

در تکنیک هضم لجن تلاش می شود که مرحله ی اسیدی زودگذر باشد و فرآیند هضم لجن بیشتر به صورت متانی و در حالت قلیایی انجام گیرد. برای این کار باید به لجن خام ورودی مقداری لجن هضم شده اضافه کرد. باکتری های متانی خیلی در برابر تغییر ناگهانی دما حساسند. در صورت کاهش مقدار گاز تولیدی زیاد است. همچنین وجود مواد سمی ناشی از نمک های برخی فلزها، تمرکز آمونیاک و یا منیزیم در لجن نیز ممکن است موجب برگشت به حالت اسیدی شود.

گاز متان بدست آمده از هضم لجن دارای خاصیت سوزندگی زیاد و کمی کمتر از قدرت سوزندگی گاز طبیعی ویژه ی سوخت در شبکه های پخش گاز شهری است. بنابراین از این گاز در تصفیه خانه های کوچک و متوسط برای گرمایش تصفیه خانه و به ویژه گرم کردن منبع های هضم لجن استفاده می شود. در تصفیه خانه های بزرگ از این گاز برای به کار اندازی توربین های گازی و تولید برق استفاده می شود.

لجنی که مرحله ی هضم متانی آن انجام شده باشد، دارای رنگ قهوه ای مایل به سیاه است. بویی شبیه بوی خاک مرطوب را می دهد و باعث ناراحتی می شود، به خوبی آب خود را از دست داده و حجم آن به صورت چشم گیری کم شده است. خاصیت چسبندگی آن ناچیز شده و مقدار موجودات زنده در آن کاسته شده است.

منبع : sciencedirect