پیشرفت های تکنولوژی تصفیه فاضلاب

خارج از آزمایشگاه چیزی به عنوان ” آب خالص” وجود ندارد. به عنوان مثال، حتی آب باران حاوی گازها، ذرات جامد و دیگر “ناخالصی ها” در خلال سقوط از آسمان به زمین است. هنگامی که آب در زیر یا روی سطح زمین جریان می یابد، همانطور که انتظار می رود، مشخصات موادی که با آنها مواجه می شود را دریافت می کند. مثلاً، مواد معدنی محلول هستند و در ترکیب با نمک های محلول که به صورت معمول در آبها یافت می شوند، وجود دارند.

همچنین مواد آلی حاصل از تجزیه گیاهان یا از طریق خاک، به صورت محلول یا همراه با آب وجود دارند. بنابراین، آب ها حاوی ناخالصی های طبیعی بسیاری می باشند. عموماً این ناخالصی ها سبب محدویت مصارف آب مانند نوشیدن، شستن و غیره نمی شود. تمرکز ما بر آن دسته از آبهایی خواهد بود که توسط انسان استفاده شده و پس از آن رها شده اند. در حالی که اینگونه آبها در گذشته معمولاً به عنوان ” فاضلاب یا گنداب” (sewage) شناخته می شدند، در خلال سال های اخیر به آنها ” آب دورریز” (wastewater) گفته می شود. پکیج تصفیه فاضلاب بهداشتی 

* (در زبان فارسی به هردو این اصطلاحات فاضلاب گفته می شود).

تخلیه فاضلاب بدون تصفیه سبب می شود میکروارگانیسم های موجود در فاضلاب به محض ورود به منابع آب پذیرنده مانند رودخانه ها، دریاچه ها و حتی دریاها، اکسیژن محلول این منابع را مصرف نموده و سبب کاهش غلظت اکسیژن در این منابع می شود.

فاضلاب حاوی حدود ۹۴/۹۹% آب و تنها ۰۶/۰% مواد جامد معلق و محلول می باشد. کدورت فاضلاب به علت وجود جامدات معلقی است که در فاضلاب تصفیه نشده بین ۱۰۰ تا ۳۵۰ میلی گرم در لیتر وجود دارند. یک راه اندازه گیری قدرت فاضلاب، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی یا BOD5 است. BOD5مقدار اکسیژنی را که میکروارگانیسم ها در طول ۵ روز جهت تجزیه فاضلاب نیاز دارند اندازه گیری می کند.

فاضلاب تصفیه نشده دارای BOD5 بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلی گرم در لیتر می باشد. پاتوژن ها یا ارگانیسم های بیماریزا در فاضلاب وجود دارند. باکتری های کلی فرم به عنوان شاخص میکروارگانیسم های بیماریزا در فاضلاب استفاده می شوند. همچنین فاضلاب حاوی مواد مغذی (مانند آمونیوم و فسفر)، مواد معدنی و فلزات است. آمونیوم می تواند در گستره ای از ۶ تا ۵۰ میلی گرم در لیتر و فسفر از ۶ تا ۲۰ میلی گرم در لیتر در فاضلاب تصفیه نشده وجود داشته باشد.

فاضلاب معمولاً در ۴ دسته طبقه بندی می شود:

۱- خانگی: فاضلاب تخلیه شده از منازل مسکونی، موسسات تجاری و موارد مشابه می باشد.

۲- صنعتی: فاضلابی که در آن ضایعات صنعتی غالب است.

۳- نفوذ/ریزش درونی: جریان فرعی که از طریق مستقیم یا غیر مستقیم مانند نشتی اتصالات، شکاف لوله ها یا درز دیوارها وارد شبکه فاضلاب می شود. ریزش درونی سیلابی است که از زهکش سیلاب، ناودان ها، زهکش پی ساختمان ها یا پوشش منهول ها وارد شبکه فاضلاب می شود.

۴- سیلاب: جریان آبی که در اثر سیلابی شدن بارش بر سطح زمین اتفاق می افتد

تصفیه فاضلاب یک فرآیند چند مرحله ای جهت بهبود کیفیت فاضلاب قبل از ورود آن به پیکره آبها، مصرف آن برروی زمین و یا استفاده مجدد از آن می باشد. هدف، کاهش یا حذف مواد آلی، جامدات، مواد مغذی، میکروارگانیسم های بیماری زا و سایر آلاینده های فاضلاب می باشد.

فرآیندهای متداول تصفیه فاضلاب

فرآیندهای متداول تصفیه فاضلاب، شامل ترکیبی از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی و بهره برداری از آن جهت حذف جامدات، مواد آلی و در برخی مواقع نوترینت ها از فاضلاب می باشد. اصطلاحات عمومی که جهت توصیف درجات مختلف تصفیه، به ترتیب افزایش سطح تصفیه، استفاده می شود به ترتیب عبارتند از تصفیه مقدماتی، تصفیه اولیه، تصفیه ثانویه، تصفیه ثالثیه و یا تصفیه پیشرفته فاضلاب. پس از این مراحل تصفیه، فاضلاب تصفیه شده شهری توسط کلر و یا سایر ترکیبات شیمیایی و یا ازن و اشعه ماوراء بنفش، گندزدایی می شود.

تصفیه مقدماتی

تصفیه مقدماتی شامل آشغالگیری، تمیز کردن و جداسازی آشغال های بزرگ از جریان فاضلاب در اولین قدم در تصفیه فاضلاب می باشد. چوب، پارچه و الیاف، قطعات بزرگ مواد غذایی، شن، سنگریزه، اسباب بازی و غیره در این مرحله جداسازی می شوند. این عمل به منظور حفاظت از پمپ ها و سایر تجهیزات تصفیه خانه می باشد. تجهیزات تصفیه مانند آشغالگیر میله ای، خردکننده های آشغال، و دانه گیر به عنوان اولین واحدهای تصفیه خانه فاضلاب استفاده می شوند. آشغال های جمع آوری شده معمولا در یک لندفیل دفن می شوند.

تصفیه اولیه

هدف تصفیه اولیه حذف جامدات معلق قابل ته نشینی آلی و غیر آلی توسط ته نشینی و همچنین حذف کفاب توسط کفاب روب می باشد. تقریباً ۲۵ الی ۵۰ درصد از BOD5، ۵۰ تا ۷۰ درصد از SS و ۶۵ درصد از روغن و چربی در خلال تصفیه اولیه حذف می شوند. مقداری از نیتروژن و فسفر آلی و فلزات سنگین همراه با جامدات نیز در ته نشینی اولیه حذف می شوند. ولی ذرات کلوئیدی و محلول در این مرحله تحت تاثیر قرار نمی گیرند.

تصفیه ثانویه

منظور از تصفیه ثانویه، انجام تصفیه بیشتر بر روی جریان خروجی از تصفیه اولیه و حذف مواد آلی و جامدات معلق باقیمانده می باشد. در اغلب موارد، تصفیه ثانویه به دنبال تصفیه اولیه بوده و شامل حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی محلول و کلوئیدی با استفاده از فرایندهای تصفیه بیولوژیکی هوازی می باشد.

تصفیه بیولوژیک هوازی در حضور اکسیژن و توسط میکروارگانیسم های هوازی (عمدتاً باکتری ها) عمل نموده که مواد آلی موجود در فاضلاب را متابولیزه می نمایند. در نتیجه، میکروارگانیسم های بیشتر و محصولات نهایی غیرآلی (عمدتاً CO2، NH3 و H2O) تولید می شود. چندین فرآیند بیولوژیکی هوازی جهت تصفیه ثانویه استفاده می شود که در درجه اول در روش اکسیژن رسانی به میکروارگانیسم ها و همچنین در میزان متابولیسم مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها با یکدیگر متفاوت هستند. (پکیج تصفیه فاضلاب انسانی )

پیشرفت در فرآیندهای تصفیه فاضلاب

تصفیه اولیه و ثانویه مقادیر عمده BOD5 و جامدات معلق را از فاضلاب حذف می نماید. با اینحال، در حال حاضر در بسیاری از موارد این سطح از تصفیه قابل قبول نبوده و نمی تواند امنیت آب های پذیرنده را تامین نماید، و یا به منظور استفاده مجدد در صنعت و یا مصارف خانگی به کار رود. بنابراین، به منظور تامین درجات بالاتر از حذف مواد آلی و جامدات معلق، و یا نوترینت ها و مواد سمی، مراحل تصفیه اضافه تری به تصفیه خانه های فاضلاب اضافه شده است.

بنابراین، تصفیه پیشرفته فاضلاب را میتوان به این صورت تعریف نمود: هر فرایند طراحی شده جهت تامین جریان خروجی با کیفیت بالاتر که به صورت معمول توسط فرآیندهای تصفیه ثانویه قابل دستیابی نمی باشد و یا بهره برداری از واحدهای تصفیه خانه که به صورت معمول در تصفیه ثانویه وجود ندارد.

تصفیه پیشرفته

تصفیه پیشرفته فاضلاب بر اساس نوع طرح جریان فرآیند مورد استفاده، ممکن است به سه دسته عمده تقسیم شود:

۱- تصفیه ثالثیه

۲- تصفیه فیزیکوشیمیایی

۳- ترکیب تصفیه بیولوژیکی-فیزیکی

تصفیه ثالثیه ممکن است به عنوان هر فرآیند تصفیه که به دنبال تصفیه ثانویه متداول قرار داشته و اضافه بر آن بهره برداری می شود، شناخته شود. مراحل اضافه شده به تصفیه ثانویه متداول می تواند به سادگی افزودن یک فیلتر جهت حذف جامدات معلق بوده و یا به پیچیدگی اضافه کردن تعداد زیادی واحد تصفیه به منظور حذف مواد آلی، جامدات معلق، نیتروژن و فسفر باشد.

تصفیه فیزیکوشیمیایی به صورت یک فرآیند تصفیه که در آن فرآیندهای بیولوژیکی و فیزیکی-شیمیایی جهت دستیابی به خروجی مطلوب با یکدیگر مخلوط شده اند، اطلاق می گردد. تصفیه فیزیکی-شیمیایی-بیولوژیکی با تصفیه ثالثیه تفاوت دارد. در تصفیه ثالثیه هر واحد فرآیند اضافه شده، بعد از تصفیه بیولوژیکی متداول قرار می گیرد، در حالی که در تصفیه ترکیبی، تصفیه های بیولوژیکی و فیزیکوشیمیایی با یکدیگر مخلوط شده اند.

روش دیگر طبقه بندی تصفیه پیشرفته فاضلاب، تفاوت در اساس اهداف مطلوب تصفیه می باشد. تصفیه پیشرفته فاضلاب در موارد ذیل به کار می رود:

۱- حذف جامدات معلق و مواد آلی به میزان بیشتر

۲- حذف نیاز اکسیژن خواهی نیتروژنی (NOD)

۳- حذف مواد مغذی (نوترینت ها)

۴- حذف مواد سمی

در بسیاری موارد، اگرچه امروزه اکثر موارد اینگونه نیست، تصفیه ثانویه متداول به مقدار کافی BOD و جامدات معلق را حذف می نماید. اما تصفیه پیشرفته فاضلاب ضروری است زیرا خروجی تصفیه پیشرفته فاضلاب ممکن است به صورت مستقیم یا غیر مستقیم جهت افزایش ذخایر آب بهداشتی در دسترس بازچرخش شوند.

خروجی تصفیه پیشرفته فاضلاب ممکن است جهت فرآیندهای صنعتی یا ذخایر آب خنک کننده مورد استفاده قرار گیرد. برخی آب های پذیرنده توانایی تحمل ورود آلاینده هایی که از تصفیه ثانویه خارج می شود ندارند. تصفیه ثانویه ممکن است به اندازه ای که فرض می شود آلاینده های آلی فاضلاب را حذف نکند. کارایی واحدهای تصفیه ثانویه در اغلب موارد توسط اندازه گیری میزان حذف BOD و SS سنجیده می شود.

یک سیستم تصفیه فاضلاب ثانویه که به خوبی طراحی شده و بهره برداری می شود، قادر به حذف ۸۵ الی ۹۵ درصد از میزان BOD و SS ورودی به تصفیه خانه است. با اینحال آزمایش BOD همه مواد آلی موجود در فاضلاب را اندازه گیری نمی کند. یک جریان خروجی از تصفیه ثانویه با BOD برابر ۲۰ میلی گرم در لیتر ممکن است دارای COD بین ۶۰ تا ۱۰۰ میلی گرم در لیتر باشد. یک تصفیه ثانویه متوسط قادر به حذف حدود ۶۵ درصد از COD ورودی است. بنابراین هنگامی که خروجی با کیفیت بالا مورد نیاز باشد، حذف اضافه تر ترکیبات آلی باید انجام گیرد. علاوه بر مواد آلی باقیمانده در اغلب خروجی های ثانویه، اکسیژن خواهی بیشتری در نتیجه وجود ترکیبات نیتروژن دار در فاضلاب می باشد.

اکسیداسیون شیمیایی

تصفیه آلاینده های آلی توسط اکسیداسیون شیمیایی نسبت به تصفیه بیولوژیکی مقرون به صرفه نیست. سیستم های بیولوژیکی دارای این مزیت ذاتی هستند که تصفیه، توسط انرژی که از مصرف سوبسترا به دست می آید انجام می شود، در حالی که در سیستم های اکسیداسیون شیمیایی تکیه بر انرژی ورودی به شکل اکسیدان شیمیایی است که سبب افزایش هزینه های بهره برداری می گردد.

با اینحال تحت شرایطی سیستم های اکسیداسیون شیمیایی می تواند مقرون به صرفه باشد جهت تصفیه مواد شیمیایی آلی که سمی هستند و یا قابل تجزیه بیولوژیکی نیستند. در این حالت میزان استفاده از اکسیداسیون شیمیایی یا به اندازه تولید محصولات اکسیداسیون/احیا قابل قبول برای محیط زیست بوده و یا به اندازه تبدیل مواد آلی غیرقابل تجزیه بیولوژیکی به مواد قابل تجزیه بیولوژیکی است.

مقادیر زیاد جامدات معلق یا محلول به سرعت اکسیدان شیمیایی را مصرف می نمایند، بنابراین آب هایی که در آنها از این سیستم تصفیه استفاده می شود باید دارای حداقل غلظت مواد غیرآلی قابل اکسید شدن باشند، یعنی میزان این مواد نباید از بیش از چند صد میلی گرم برلیتر از کل کربن آلی را شامل شود.

پیشرفت های اخیر در فرآیندهای اکسیداسیون عمدتا در میزان سرعت واکنش متمرکز شده است، زیرا این جنبه از چنین فرآیندهای است که عموما عملکردهای واکنش مطلوب ترمودینامیکی واکنش پذیری قوی را با آلاینده های هدف می گیرد. اکسیدان های متداول شامل پراکسید هیدروژن، ازن، پرمنگنات پتاسیم، و اکسید کلر می باشد. هریک از این اکسیدان ها دارای خواص منحصر به فردی بوده و مشخصات واکنش پذیری آنها بر کارایی و مناسب بودن آنها جهت مصرف در موقعیت های مختلف تاثیر می گذارد.

به عنوان مثال پراکسید هیدروژن (H2O2) در گستره pH 3 تا ۴ بیشترین واکنش را دارد و علاوه بر تنظیم pH، به منظور افزایش کارایی این ماده، از یک یا بیشتر کاتالیست استفاده می شود که متداول ترین آن فروس سولفات (FeSO4) بوده که فنتون هم نامیده می شود. فنتون در pH حدود ۵/۳ عمل می نماید.

استفاده اخیر از واکنش های ماده فنتون جهت حذف رنگ از رنگ های نساجی مقاوم در برابر تجزیه بیولوژیکی و همچنین تخریب مواد سمی یا مواد آلی مقاوم در برابر تجزیه با غلظت کم از آب زیرزمینی آلوده متمرکز شده است.

فرآیند بیولوژیکی بی هوازی/هوازی ناپیوسته

پیشرفت های زیاد در تصفیه بیولوژیکی در دهه اخیر اتفاق افتاده است، که عمدتاً به دلیل افزایش محدودیت های قانونی در تخلیه BOD، فسفر آلی، نیتروژن و مواد شیمیایی آلی سمی از تاسیسات صنعتی و خانگی بوده است. فرآیندهای تصفیه هوازی به طور سنتی جهت کاهش BOD استفاده شده اند، اما کاهش هم زمان دیگر آلاینده ها اغلب بدون استفاده توام تصفیه هوازی با پیش تصفیه بی هوازی یا انوکسیک ممکن نیست.

استفاده از تصفیه انوکسیک یا بی هوازی موقعیتی جهت تبدیل نیتروژن و فسفر آلی و همچنین بسیاری از مواد شیمیایی آلی که برای سیستم های هوازی سمی هستند را فراهم می سازد. اگرچه معدنی شدن کامل مواد آلی سمی به صورت معمول توسط تصفیه بی هوازی انجام نمی شود، اما توانایی این سیستم ها در تبدیل بیولوژیکی مواد شیمیایی آلی سمی به موادی که در محیط های هوازی قابل تجزیه تر باشند، سبب افزایش فوق العاده قابلیت های سیستم های بیولوژیکی در تصفیه فاضلاب های آلی گردیده است.

در حالی که سیستم های بی هوازی اغلب جهت کاهش سمیت مواد آلی و به عنوان یک مرحله پیش تصفیه برای تصفیه هوازی مفید می باشند، این فرآیندها مشکلات متعددی نیز دارند. این مشکلات شامل حساسیت این فرآیندها به شوک یا بارگذاری آلی متغیر، و رشد کند جمعیت سلولی بی هوازی و در نتیجه زمان ماند طولانی تر می باشد. سیستم های بی هوازی به دلیل رشد کند قادر به جایگزینی سلول های از دست رفته (آنگونه که در سیستم های هوازی با رشد سریع سلولی امکان پذیر است) نمی باشند.

مشکلات شوک بارگذاری در سیستم های بزرگ با استفاد از تانک های متعادل ساز قابل حل می باشد. در سیستم های با میزان جریان کم که بارگذاری های آلی با تغییرات گسترده را تجربه می نمایند، روش های خلاقانه بیشتری ممکن است مورد نیاز باشد. یکی از این روش ها استفاده از کربن فعال گرانولی (GAC) ستون های جذب در یک سیکل چرخشی بیورآکتور بی هوازی جهت کنترل غلظت های ترکیبات مهارکننده در بخش واکنش می باشد.

بهبود زمان ماند لجن بیومس می تواند با استفاده از رآکتورهای دارای موادی جهت اتصال سلول ها مانند شن، GAC یا غشاهای پلیمری انجام گیرد.