(بررسی پارامترهای موثر در تشکیل لجن گرانوله واحد هوازی)

مژده نادری، سید شهاب بنی طبا، نگین صفی خانی

برای دانلود کامل مقاله اینجا کلیک کن 

چکیده

لجن گرانوله هوازی (Aerobic Granular Sludge - AGS) یک فناوری نوین در تصفیه فاضلاب است که با تشکیل دانه‌های زیستی متراکم، عملکرد بهتری نسبت به روش‌های معمول لجن فعال ارائه می‌دهد. این سیستم دارای مزایایی از جمله کاهش فضای مورد نیاز، بهره‌وری بالاتر در حذف مواد آلی و مغذی، و کاهش هزینه‌های عملیاتی است. تشکیل گرانول‌های هوازی تحت تأثیر عوامل متعددی مانند غلظت مواد مغذی، نرخ هوادهی و شرایط هیدرودینامیکی قرار دارد. در این مطالعه، تاثیر دما به عنوان یکی از پارامترهای محیطی بر روند تشکیل لجن گرانوله در آزمایشگاه شرکت پیوند آب سپاهان برررسی و نتایج حاکی از افرایش 30 درصدی تراکم لجن های فعال و افزایش سرعت ته نشینی لجن می باشند.

کلمات کليدي: لجن گرانوله هوازی ، لجن فعال ، مدیریت پساب ، توسعه پایدار، دما ، AGS

 1-مقدمه

با افزایش رشد جمعیت و توسعه صنعتی، تولید فاضلاب شهری و صنعتی به یکی از چالش‌های اساسی در مدیریت منابع آبی تبدیل شده است. روش‌های مرسوم تصفیه فاضلاب، مانند لجن فعال متعارف، به دلیل نیاز به فضای زیاد، مصرف بالای انرژی و مشکلات مربوط به ته‌نشینی لجن، در برخی موارد ناکارآمد هستند. در این راستا، فناوری لجن گرانوله هوازی  (Aerobic Granular Sludge - AGS)  به عنوان یک جایگزین نوین و کارآمد مورد توجه قرار گرفته است.

لجن گرانوله هوازی شامل تجمع میکروارگانیسم‌ها در ساختاری کروی و متراکم است که به‌طور طبیعی تحت شرایط خاصی در سیستم‌های تصفیه شکل می‌گیرد. این ساختار ظرفیت بالایی در حذف آلاینده‌ها دارد و باعث بهبود ته‌نشینی، افزایش کارایی فرآیند تصفیه و کاهش مصرف انرژی می‌شود. به دلیل ویژگی‌های خاص این نوع لجن، امکان حذف مؤثر آلاینده‌های آلی، نیتروژن و فسفر بدون نیاز به مرحله ته‌نشینی جداگانه فراهم می‌شود.

یکی از مهم‌ترین مزایای AGS، کاهش نیاز به فضای تصفیه‌خانه و افزایش پایداری سیستم در برابر تغییرات بار آلودگی است. همچنین، عدم نیاز به مرحله ته‌نشینی ثانویه و امکان عملکرد همزمان فرآیندهای بیولوژیکی مختلف، این فناوری را به گزینه‌ای جذاب برای تصفیه فاضلاب تبدیل کرده است. با این حال، کنترل نحوه تشکیل و پایداری گرانول‌ها و شوک‌های بارگذاری از جمله چالش‌های کلیدی در پیاده‌سازی این سیستم هستند.

با توجه به اهمیت تولید لجن گرانوله و استفاده از آن در فرآیندهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب تحقیقات زیادی در این زمینه انجام شده است. اولین تلاش‌ها برای توسعه لجن فعال گرانوله در سیستم‌های بیولوژیکی در دهه ۱۹۸۰ میلادی انجام شد. در این دوره، عمده تحقیقات مربوط به فرآیندهای بیولوژیکی در سیستم‌های بی‌هوازی و توسعه لجن‌های گرانوله برای تصفیه فاضلاب‌های صنعتی بود. مورگنروث و همکاران (1997) در مورد تشکیل لجن‌های گرانوله هوازی در راکتورهای سوسپانسیونی و سیستم‌های بیوراکتوری (SBR) تحقیقات زیادی انجام داده اند. آنها دریافتند که در شرایط خاص، لجن‌های گرانوله به‌طور طبیعی و خودبه‌خود شکل می‌گیرند و می‌توانند با ویژگی‌های ویژه‌ای نظیر توانایی بالا در تصفیه مواد آلی و نیتروژن، کارایی بالاتری نسبت به لجن فعال معمولی داشته باشند. در اواخر دهه ۱۹۹۰ میلادی، فناوری لجن فعال گرانوله برای تصفیه فاضلاب‌های هوازی مورد استفاده قرار گرفت. در این دهه، بسیاری از تحقیقات به توسعه و بهبود شرایط عملیاتی و فنی برای تولید لجن‌های گرانوله هوازی متمرکز شد. در دهه 2000 مطالعات مختلفی نشان داد که عوامل مختلفی مانند سرعت هوا‌دهی، زمان نشستن، ترکیب بستر، و نرخ بار آلی می‌توانند بر فرآیند تشکیل لجن فعال گرانوله تأثیرگذار باشند. همچنین، تأثیر دما و pH محیط نیز در این دهه مورد بررسی قرار گرفت. در این دوره، استفاده از تکنیک‌های نوین تصویربرداری مانند میکروسکوپ‌های لیزری و سایر روش‌های تحلیلی برای بررسی ساختار میکروبی گرانول‌ها انجام شد. در دهه 2010 ، تحقیقات در رابطه با کاربردهای گسترده‌تر لجن فعال گرانوله در تصفیه فاضلاب‌های صنعتی و شهری و همچنین کاربردهای محیط زیستی مانند تجزیه آلاینده‌های سمی و بازیافت مواد معادن متمرکز شد. علاوه بر این، مفهوم "سایز گرانول" و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی گرانول‌ها به‌طور خاص مورد مطالعه قرار گرفت. در دهه 2020 و بعد از آن ، با استفاده از پیشرفت‌های جدید در زمینه مهندسی زیست‌شناسی، مواد جدید و بهبود روش‌های تصفیه فاضلاب، شاهد نوآوری‌های زیادی در زمینه لجن فعال گرانوله بوده ایم. با توجه به بیشینه تحقیقاتی در زمینه لجن گرانوله کشورهای مختلفی از جمله هلند، آلمان، فرانسه، چین، ژاپن، کره جنوبی و استرالیا تاکنون رشد چشمگیری در این زمینه داشته و به صورت گسترده در تصفیه خانه مورد استفاده قرار می دهند.

1-1-هدف از تولید لجن گرانوله هوازی

·هدف از تولید لجن گرانوله فعال بهبود کارایی فرآیندهای تصفیه فاضلاب می باشد. اهداف اصلی تولید لجن گرانوله فعال عبارتند از:

·افزایش سرعت ته‌نشینی: لجن گرانوله به دلیل ساختار فشرده و متراکم خود، سرعت ته‌نشینی بیشتری نسبت به لجن فعال معمولی دارد. این ویژگی به بهبود فرآیند جداسازی جامدات از مایع کمک کرده و باعث کاهش زمان لازم برای ته‌نشینی می‌شود.

·بهبود کارایی در تصفیه فاضلاب‌های پر بار آلی: لجن گرانوله فعال در بار آلی بالا مواد آلی را بهتر از لجن فعال تجزه می نماید. از این رو لجن فعال گرانوله عملکر بهتری جهت کنترل تغییرات بار آلی در واحد های تصفیه فاضلاب دارد.

·افزایش ثبات و پایداری فرآیند: لجن گرانوله در برابر شوک های محیطی از جمله PH و تغییرات دما پایداری بیشتری داشته و مانع از تغییرات کیفی خروجی فاضلغاب می گردد.

·کاهش حجم لجن: لجن گرانوله به دلیل ساختار فشرده خود، حجم کمتری نسبت به لجن فعال معمولی تولید می‌کند. از این رو فضا لازم جهت انباشت لجن کاهش می یابد.

·افزایش توانایی حذف نیتروژن و فسفر: لجن گرانوله فعال عملکر بهتری در فرآیندهای حذف نیتروژن و فسفر از فاضلاب‌ها را دارد.

·بهبود کارایی در تصفیه فاضلاب‌های سمی یا حاوی مواد سمی: لجن گرانوله می‌تواند به‌طور مؤثرتر در برابر مواد سمی و آلاینده‌های خاص مقاومت کند. این ویژگی به‌ویژه در فاضلاب‌های صنعتی و محیط‌هایی که آلاینده‌های سمی وجود دارد، حائز اهمیت است.

·کاهش نیاز به افزودنی‌های شیمیایی: در بسیاری از سیستم‌های لجن فعال معمولی، نیاز به افزودنی‌های شیمیایی مانند کواگولانت‌ها یا فلکولانت‌ها برای تسهیل ته‌نشینی و بهبود عملکرد وجود دارد. در سیستم‌هایی که از لجن گرانوله فعال استفاده می‌کنند، نیاز به این افزودنی‌ها کاهش می‌یابد.

1-2-مکانیزم های گرانوله نمودن لجن هوازی

1-2-1-تجمع میکروبی: در اثر تجمع میکرواورگانیزم ها لجن اولیه گرانوله تشکیل می گردد.

1-2-2- مواد پلیمری خارج‌سلولی (EPS): EPS نقش حیاتی در فرآیند گرانوله شدن ایفا می‌کنند و به عنوان یک عامل چسبنده عمل کرده و پیوستگی درون گرانول‌ها را تضمین می‌کنند.(شکل 1)

شکل 1- مواد پلیمری خارج‌سلولی (EPS)

1-2-3- دسترس‌پذیری مواد مغذی و : pH دسترس‌پذیری مواد مغذی (کربن، نیتروژن، فسفر) و pH سیستم به‌طور قابل توجهی بر رشد و تجمع میکروبی تأثیر می‌گذارند.

4-2-1- نیروهای برشی: نیروهای هیدرودینامیک برشی، مانند شدت هوادهی، به تشکیل گرانول‌های متراکم و فشرده کمک می‌کنند.

5-2-1-دسترسی پذیری مواد مغذی و PH: دسترس‌پذیری مواد مغذی (کربن، نیتروژن، فسفر) و pH سیستم به‌طور قابل توجهی بر رشد و تجمع میکروبی تأثیر می‌گذارند.

1-3-شرایط موثر در تولید لجن گرانوله

شرایط محیطی موثر در تولید لجن گرانوله عبارتند از:

1-3-1- شرایط دما

دمای مناسب برای رشد و تشکیل لجن گرانوله فعال معمولاً در محدوده 15 تا 30 درجه سانتی‌گراد است. دماهای بالاتر یا پایین‌تر می‌توانند به رشد و شکل‌گیری گرانول‌ها آسیب برسانند و همچنین فعالیت میکروبی را کاهش دهند.

1-3-2- میزان اکسیژن (DO)

سطح اکسیژن محلول (DO) در سیستم باید به گونه‌ای تنظیم شود که به رشد میکروارگانیسم‌های هوازی کمک کند. معمولاً مقدار DO در حدود 2 تا 4 میلی‌گرم در لیتر برای فرآیندهای گرانوله‌سازی مناسب است. سطوح اکسیژن پایین‌تر ممکن است باعث کاهش فعالیت میکروبی و کاهش تشکیل گرانول‌ها شود.

1-3-3- غذا و مواد مغذی (سبک تغذیه)

میکروارگانیسم‌های گرانوله نیاز به مواد غذایی برای رشد دارند. این مواد معمولاً شامل کربن، نیتروژن، فسفر و سایر مواد مغذی مورد نیاز برای رشد میکروبی هستند. ترکیب صحیح این مواد می‌تواند به شکل‌گیری گرانول‌های فعال کمک کند. تغذیه بیش از حد یا کمبود مواد مغذی می‌تواند بر کیفیت گرانول‌ها تاثیر منفی بگذارد.

1-3-4- نسبت F/M

نسبت F/M (Food to Microorganism) یکی از پارامترهای کلیدی در فرآیندهای بیولوژیکی است. این نسبت به میزان مواد غذایی (مثل کربن) نسبت به تعداد میکروارگانیسم‌ها اشاره دارد. جهت تولید لجن گرانوله فعال، این نسبت باید در محدوده 0.1 تا 0.3 کیلوگرم COD/کیلوگرم میکروب در روز قرار گیرد.

1-3-5- ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی

در فرآیند گرانول‌سازی، شرایط همزن و حرکت در راکتور نیز بسیار مهم است. حرکت یا اختلاط باید به گونه‌ای باشد که میکروارگانیسم‌ها بتوانند به صورت گرانول‌های بزرگ و فشرده ایجاد گردند. به همین دلیل، سرعت جریان و همزدن باید به گونه‌ای تنظیم شود که از پراکندگی و شکستن گرانول‌ها جلوگیری نماید .

1-3-6- PH

PH نیز یکی از پارامترهای مهم در فرآیند تشکیل گرانول‌ها می باشد. PH مناسب معمولا در محدوده 6.5 الی 8 می باشد.

1-3-7-زمان ماند هیدرولیکی (HRT)

زمان ماند هیدرولیکی (Hydraulic Retention Time - HRT) به مدت زمانی اطلاق می‌شود که فاضلاب در راکتور می‌ماند. این پارامتر تأثیر زیادی بر روی رشد میکروارگانیسم‌ها و تشکیل گرانول‌ها دارد. زمان ماند مناسب به گونه‌ای باید انتخاب شود که میکروارگانیسم‌ها به اندازه کافی رشد نمایند.

1-3-8- دوره‌های بهره‌برداری

در برخی موارد، تولید لجن گرانوله به گونه‌ای است که باید دوره‌های بهره‌برداری متناوب یا طولانی‌مدت در نظر گرفته شود تا گرانول‌ها به تدریج رشد کنند و به ویژگی‌های مطلوب برسند.

1-4-مقایسه لجن گرانوله هوازی و لجن فعال

دو فناوری لجن گرانوله هوازی (AGS) و لجن فعال (CAS) از پرکاربردترین روش‌های تصفیه فاضلاب محسوب می‌شوند. لجن گرانوله هوازی یک ساختار زیستی کروی و متراکم است که در شرایط کنترل‌شده شکل می‌گیرد، درحالی‌که لجن فعال از فلاک‌های نامنظم و سبک تشکیل شده که در سیستم‌های هوادهی رشد می‌کنند. این دو روش دارای تفاوت‌های ساختاری، عملکردی و عملیاتی متعددی به شرح جدول ذیل می باشند (جدول 1)  تحقیقات زیادی در کشورهای مختلف در خصوص تفاوت لجن فعال و گرانوله انجام شده است از جمله (M.Sarvajith-2024) لجن فعال و گرانوله از لحاظ ساختاری در زمان های مختلف بررسی نموده که نتایج نشان دهنده قطر بیشتر ذرات لجن در دوره های زمانی یکسان نسبت به لجن فعال و همچنین افزایش سرعت ته نشینی و کاهش زمان ته نشینی در لجن گرانوله را نشان داده است.

جدول 1 - مقایسه کلی لجن گرانوله هوازی و لجن فعال

2- مواد و روش ها

با توجه به مطالعات گسترده شرکت فنی مهندسی پیوند آب سپاهان در زمینه تصفیه فاضلاب بهداشتی و صنعتی ، جهت تولید لجن گرانوله هوازی تصفیه خانه ای در جنوب اصفهان با مشخصات جدول 1 انتخاب گردیده است. روش تصفیه مورد نظر در این تصفیه خانه ، لجن فعال بوده و روزانه حدود 200 کیلوگرم لجن آبگیری شده از این تصفیه خانه خارج می‎گردد. جهت افزایش راندمان تصفیه خانه پس از انجام چندین نمونه آزمایش در شرایط محیطی  مختلف، این شرکت موفق به تولید لجن گرانوله با ویژگی هایی بالاتر از لجن فعال شده است.  به منظور شبیه سازی تصفیه خانه از دو عدد مخزن شیشه ای به ابعاد 0.3*0.4*0.5 متر استفاده شده است. مراحل انجام آزمایش به شرح ذیل می باشد.(شکل 2)

1-دو مخزن شیشه ای از فاضلاب تصفیه خانه مورد مطالعه پر شده است.

2-30 درصد از حجم یکی از مخزن های شیشه ای از مدیا معلق (مطابق با درصد پر شدگی تصفیه خانه مورد نظر) پر شده است. (جهت جلوگیری از فرار مدیاها از یک توری فلزی استفاده شده است)

3-از یک عدد پمپ کولر به منظور چرخش فاضلاب از مخزن اول به مخزن دوم استفاده شده است.

4-از یک عدد پمپ هوا آکواریوم به منظور هوادهی لجن به منظور رشد میکرواورگانیسم ها استفاده شده است.

5-شرایط محیطی مورد نظر مطابق با شرایط استاندارد تصفیه خانه بوده است.

6- مشخصات کیفی فاضلاب ورودی شامل  ppm260 MLSS،TDS 76 ppm و دبی تصفیه خانه  1500  مترمکعب در شبانه روز می‎باشد.

شکل 2- پایلوت ایجاد شده در آزمایشگاه شرکت فنی مهندسی پیوند آب سپاهان

3-بحث ونتایج:

نمونه فاضلاب مورد نظر در سه شرایط دمایی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.

3-1-دما 20 درجه سانتیگراد

با ایجاد دمای 20 درجه سانتیگراد در محیط آزمایشگاه فاضلاب منتخب به مدت 3 روز هوادهی شده که پس از مدت مورد نظر مقداری لجن مطابق با شکل 3 بر روی مدیاها تشکیل شده است. لازم به ذکر است لجن تشکیل شده دارای پایداری مناسبی نمی باشد.

شکل 3- تشکیل لجن گرانوله در شرایط دمایی 20 درجه سانتی گراد

3-2-دما 30 درجه سانتی گراد

با ایجاد دما 30 درجه سانتی گراد در آزمایشگاه و تمامی شرایط مذکور در آزمایش 1 میزان توده لجن گسترده تری بر روی مدیا ها تشکیل شده است. (شکل 4)

شکل 4- تشکیل لجن گرانوله در شرایط دمایی 30 درجه سانتی گراد

3-3-دما 35 درجه سانتی گراد

در این آزمایش میزان لجن تولید شده بیشتر و توده لجن متراکم تر می باشد. (شکل5)

شکل 5- تشکیل لجن گرانوله در شرایط دمایی 35 درجه سانتی گراد

4-نتیجه گیری

فناوری لجن گرانوله هوازی (AGS) روشی نوین و کارآمد در تصفیه فاضلاب است که با افزایش سرعت ته‌نشینی، کاهش مصرف انرژی و حذف همزمان مواد آلی، نیتروژن و فسفر، جایگزین مناسبی برای روش‌های سنتی مانند لجن فعال محسوب می‌شود. این سیستم به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، کاهش تولید لجن مازاد و کاهش هزینه‌های عملیاتی، مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی چشمگیری دارد.

با توجه به آزمایشات انجام شده در آزمایشگاه شرکت فنی مهندسی پیوند آب سپاهان تاثیر دما بر تولید لجن گرانوله هوازی مورد مطالعه قرار گرفته و طبق نتایج به دست آمده تراکم لجن تشکیل شده با افزایش دما از 20 درجه سانتی گراد به 35 درجه سانتی گراد حدود 30 درصد افزایش یافته است. همچنین اندازه ذرات لجن نیز افزایش یافته است.

 دانلود کامل مقاله

 دانلود گواهی ثبت مقاله

5-مراجع

Y.  Liu & J. H. Tay. (2001). The Granulation Process of Aerobic Granular Sludge. Water Science and Technology, 43(6),1-9.

Y.  Liu & J. H. Tay. (2002). Aerobic Granulation in Sequencing Batch Reactors. Water Research, 36(14),3507-3516.

X. Li & Y. Liu  (2007). Aerobic Granulation and its Application in Wastewater Treatment. Environmental Technology Reviews, 6(1),30-45.

 B.S. McSwain, et al. (2004). Characterization and Applications of Aerobic Granular Sludge. Water Environment Research, 76(7),54-67.

M. Sarvajith & Y.V. Nancharaiah ‘ Aerobic granular sludge with granular activated carbon for enhanced biological phosphate removal from domestic wastewater’ CURRENT SCIENCE, VOL. 127, NO. 5, 10 SEPTEMBER 2024