بررسی و امکانسنجی کاربرد فرآیند پیشرفته IDEA در تصفیه فاضلاب شهری
در سیستم‌های تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی از فرآیندهای مختلفی استفاده می‌شود. یکی از مشهورترین این فرآیندها، لحن فعال یا به‌صورت خاص لجن فعال از نوع هوادهی گسترده است که در بیشتر نقاط دنیا به‌کار گرفته می‌شود.
بارگذاری BOD و غلظت آمونیاک در جریان ورودی، جرم زیست توده (MLSS) موردنیاز در حوضچه را تعیین می‌کند. عموماً از نسبت F:M در تعیین جرم زیست توده برای بارگذاری مشخص BOD علاوه بر الزامات زمان ماند سلولی برای فرآیند نیترات‌زائی استفاده می‌گردد.
نسبت F:M معمول در طراحی فرآیند F:M می‌باشد. شاخص حجمی لجن (SVI) برای تعیین حجم اشغال شده توسط جرم محاسبه شده زیست توده در حوضچه به‌کار می‌رود. مقدار SVI معمول استفاده شده در طراحی فرآیند IDEA در محدوده Ib.BOD/Ib.MLSS/d ۰/۰۵-۰/۱۲ است. در هر سیکل مقدار مشخصی لجن دفع می‌شود. این به فرآیند IDEA امکان بهره‌برداری در حالت ثابت را به‌منظور حفظ غلظت طراحی فرآیند را می‌دهد که براساس دو عامل می‌تواند تعیین شود.
۱( بارگذاری هیدرولیکی
۲( بارگذاری آلی و نسبت F:M
در یک سیکل ۴ ساعته فرآیند با داشتن مقدار جریان حجمی ورودی می‌توان حجم حوضچه را نسبت به زمان مانند لازم در هر فاز تعیین نمود. عموماً طول و عرض حوضچه طوری محاسبه می‌شود که نسبت L:W=۳:۱ حفظ شود این نسبت یک الگوی جریان پیستونی در حوضچه IDEA ایجاد می‌کند.
براساس زمان هوادهی و درجه آلودگی فاضلاب به‌راحتی می‌توان اکسیژن موردنیاز روزانه را محاسبه نمود و با محاسبه آنها، قدرت‌دهنده‌ها یا دیفیوزها را تعیین کرد ۶، ۷، ۸ و ۹.
مطالعه موردی
در یک سیستم IDEA ساخته شده در استرالیا ابعاد کامل و حجم واحدها به‌صورت زیر بود:
فاضلاب ورودی به تصفیه‌خانه ابتدا از اشغالگیر و دانه‌گیر عبور کرده و سپس وارد ایستگاه پمپاژ شده و از آنجا به دو تانک هوادهی پمپ هدایت می‌گردید. تانک‌ها به ابعاد ۶۶ متر طول، ۲ متر عرض، ۹/۲ متر عمق و تعداد دو واحد انتخاب گردید. در کف هرکدام از تانک‌ها از دیفیوزهای ثابت با حباب ریز استفاده شده است.
بعد از عبور جریان از میان حوض منقسم، جریان وارد یک کانال توزیع‌کننده شده که در آن از دیفیوزهای حباب درشت استفاده می‌شود. فاضلاب از طریق این کانال وارد ۴ تانک لجن فعال می‌گردد. هر تانک دارای ۶۸ متر طول، ۲۷ متر عرض و ۶/۴ متر عمق است. عمق نرمال کارکردی هر واحد ۱/۳ تا ۸/۳ متر می‌باشد. فرآیند چرخه‌ای ۴ ساعته در آنها شامل دو ساعت هوادهی، یک ساعت ته‌نشینی و یک ساعت جداسازی می‌باشد که باز چرخه از نوع شروع می‌گردد. مکانیسم جداسازی شامل ردیفی از لوله‌های بازومانند است که در سرتاسر خروجی‌های تانک قرار گرفته است.
از طریق یک سیستم سیفون، جریان خروجی کنترل می‌گردد. بدین‌صورت که هنگامی‌که جریان به ارتفاع ۸/۳ متر سیفون شروع به عمل می‌کند و جریان خارج می‌گردد و هنگام رسیدن به عمق ۲/۳ متر جریان خروجی متوقف می‌گردد. لجن ایجاد شده از طریق ۲ پمپ مستغرق خارج شده و از طریق پلیمرهای کاتیونی تصفیه می‌گردد.
در عمل، نسبت F:M بهترین ابزار طراحی بری تعیین مقدار MLSS که باید در حوض هوادهی نگهداری شود، می‌باشد. یکی از تمایزهای مهم سیستم هوادهی گسترده نسبت به لجن فعال پائین بودن نسبت F:M آن می‌باشد کمتر از KgBOD۵۰/۱ در هر روز به‌ازاء هر MLSS kg تولید شده، ولی یکی از مهمترین تمایزهای آنها درصد سلول فعال در راکتور می‌باشد. در راکتور لجن فعال این نسبت حدود ۵۰ درصد و در راکتور هوادهی گسترده حدود ۱۰ درصد می‌باشد.
نسبت F:M پذیرفته‌شده برای سیستم IDEA برابر با ۰۴/۰(kg BOD۵/Kg MLSS/day) می‌باشد. غلظت MLSS طراحی حدود ۴۰۰ mg/l می‌باشد. در عمل بسته به بارگذاری لجن و خصوصیات ته‌نشینی لجن، غلظت MLSS در دامنه ۲۰۰۰ تا ۵۰۰۰mg/l می‌باشد. در طراحی واحد هوادهی استفاده از غلظت MLSS برابر با ۴۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر حجم مناسبی را از حوض هوادهی ایجاد می‌کند ۱۰، ۱۱ و ۱۲.
زمان ماند سلولی (SRT)
سن لجن پارامتر بهتری نسبت به F:M برای طراحی می‌باشد. در ابتدا، سن لجن انتخاب شده باید بزرگتر از سرعت رشد بیومس مدنظر باشد. برای مثال، اگر مدنظر است که در سیستم باکتری‌های نیترات ساز رشد کنند باید سن لجن بیشتر از ۱۰ روز باشد. از طرف دیگر برای سوبستراتی که به‌صورت معلق در سیستم وجود دارد، تجربه بهتر مستلزم به‌کارگیری زمان ماند بالاتر می‌باشد. برای فاضلابهای خانگی با سرعت ثابت واکنش BOD۵ برابر با ۱/۰ d^&#۷۱۳;۱ ارتباط بین سن لجن و سوبستره مصرف شده از طریق زیر نشان داده می‌شود:
(۵(
Sa=BODt=BODu۱-۱۰^&#۷۱۳;۰.۱
Sa= اکسیژن معادل با سوبستره کربن مصرف‌شده (Kg/d)
BOD=BODu کربنه نهائی (Kg/d)
ّBOD=BODT کربنه مصرف‌شده در زمان Kg/d(T)
بنابراین در فرآیند متعارف لجن فعال در زمان ماند برابر ۵ روز، تنها حدود ۷۰ درصد سوبستره کربنه می‌تواند مصرف شود، ۳۰ درصد باقیمانده در لجن باقی می‌ماند. برای یک فرآیند IDEA در زمان ماند برابر با ۳۰ روز یا بیشتر، بیش از ۹۹ درصد سوبستره کربنه ممکن است مصرف شود ۱۳ و ۱۴.
اکسیژنه کربنه مورد نیاز (Rc):
Rc فرآیند باید مستقیماً متناسب با مقدار سوبستره کربنه مصرف شده باشد که تابعی از سن لجن است در فرآیند هوادهی گسترده Rc کمتر از BOD نهائی می‌باشد. زیرا اکسیژن مربوط به MLVSS قابل تجزیه از سیستم حذف می‌گردد که برابر با ۴۲/۱ kgO۲/KgMLVSS می‌باشد.
Rc=BODu-۱.۴۲FBVSS(MLVSS
FBVSS= نسبت MLVSS قابل تجزیه
به واسطه زمان ماند سلولی بالا در فرآیند FBVSS, IDEA به واسطه تجمع VSS غیرقابل تجزیه از SS ورودی و تجزیه سلول باقیمانده نسبتاً پائین می‌باشد. FBVSS برابر با ۳۵/۰ توسط Chong در سال ۱۹۸۷ براساس بالانس جرمی برای فرآیند IDEA با ۳۰ روز سن لجن به‌دست آمده است. از طریق RC، BOD۵ می‌تواند به‌صورت زیر بیان گردد:
)RC= ۱.۴۶BOD۵-۱.۴۲FBVSS(MLVSS)(V
اکسیژن مورد نیاز نیتروژنه (Rn)
Rn از طریق زیر محاسبه می‌گردد:
(Rn=۴.۶PN(NT)-۲.۹PDNPN)NT
Rn= اکسیژن مورد نیاز خالص
NT= کل نیتروژن ورودی در دسترس
PN= نسبت ازت ورودی اکسیدشده
PDN= نسبت نیترات دنیزه شده
در محاسبه NT باید نیتروژنی را که از طریق لجن مازاد و پساب خروجی خارج می‌گردد مورد محاسبه قرار بگیرد، به‌طور معمول این مقدار ۳۰ درصد در نظر گرفته می‌شود.
۵.۲.۳ اکسیژن مورد نیاز در فرآیند:
اکسیژن مورد نیاز کل در فرآیند حاصل مجموع اکسیژن مورد نیاز کربنه و نیتروژنه می‌باشد:
(RT=RC+Rn
اکسیژن موردنیاز پیک دوره‌ای
ظرفیت سیستم هوادهی باید به‌گونه‌ای باشد که اکسیژن موردنیاز یک دوره‌ای را پاسخگو باشد بارگذاری سوبستره پیک دوره‌ای در یک واحد کوچک می‌تواند تا سه برابر بارگذاری متوسط بالا باشد. در این سیستم ظرفیت انتخاب شده تا حدی از این نوسانات پیشگیری می‌کند. نسبت پیک به متوسط ۲۵/۱ برای تعیین میزان اکسیژن در فرآیند IDEAA انتخاب می‌گردد.
ویژگی تجهیزات هوادهی
اکسیژن انتقال‌یافته در هر حالت وابسته به خصوصیات فاضلاب است. از آنجائی که محاسبه این عوامل مشکل است. ظرفیت تجهیزات هوادهی معمولاً براساس نرخ انتقال اکسیژن استاندارد (SOTR) مشخص می‌گردد.
نرخ انتقال اکسیژن در حالت عملی، OTR می‌تواند به SOTR از طریق زیر تبدیل گردد:
SOTR= C۲۰٭&#۹۲۰;۲۰-TOTR^۱ / &#۹۴۵;(&#۹۴۶; CT * - C^۱)
SOTR= نرخ انتقال اکسیژن در آب تمیز در شرایط استاندارد KgO ۲/h
OTR= نرخ انتقال اکسیژن در مایع مخلوط و شرایط آزمایشی، KgO۲/h
C۲۰ = غلظت اشباع DO در آب تمیز در دمای کاری، mg/۱
&#۹۴۵; = KLa ۱/KLa، نسبت KLa در مایع مخلوط به آب تمیز
*&#۹۴۶;= Cs۱/C، نسبت غلظت اشباع DO در مایع مخلوط به آب تمیز
&#۹۲۰;= ضریب تصحیح دمای محیط
C= غلظت DO در مایع مخلوط، mg/l
در فرآیند هوادهی گسترده، غلظت DO در مایع مخلوط در طی شرایط بارگذاری پیک ۱mg/l فرض می‌گردد که برای انجام فرآیند کافی می‌باشند.
با فرض T=۲۰,&#۹۲۰;=۱.۰۲۴,&#۹۴۶;=۰.۹,&#۹۴۵;=۰.۸۵ در نتیجه SORT=۱.۵OTR^۱. اگر هوادهی مکانیکی طرحی مورد استفاده قرار بگیرد، هواده‌های شناور باید براساس تغییرات سطح آب در داخل حوضچه تعیین گردد (۱۵، ۱۶ و ۱۷).
● مزایا و معایب کلی فرآیند IDEA
▪ مزایا
۱) فرآیند بهبودیافته‌ای است که سیستم SBR استاندارد را توسط هزینه راهبردی و مزایای بهره‌برداری و بیولوژیکی ارتقاء می‌دهد.
۲) جریان ورودی پیوسته، امکان بارگذاری متعادل را به تمام حوضچه‌ها فراهم و بهره‌برداری و کنترل فرآیند را تسهیل می‌کند. در این مورد، امکان بهره‌برداری تک‌حوضچه‌ای هنگام تعمیرات و شرایط کم جریان وجود دارد.
۳) سیستم کنترلی بر پایه زمان - نه جریان - را به‌کار می‌گیرد که رابطه‌ای ثابت بین هوادهی، ته‌نشینی و تخلیه ایجاد می‌کند. زمان هوادهی یکسان در طول روز، بدون توجه به مدت زمان سیکل، فراهم می‌شود.
۴) پساب دارای BOD۵ و TSS زیر است.
۵) نتیجه حذف نوترنیت‌ها؛ زیر ۱mg/I-N آمونیاک، ۱mg/I-P فسفر و ۵mg/I ازت کل می‌باشد.
۶) حجم لجن تولیدی کم و تثبیت شده بوده و به سادگی آبگیری می‌شود.
۷) امکان بهره‌برداری پیوسته و بدون میان بر زدن جریان را فراهم می‌کند.
۸) نیازی به‌اضافه نمودن مواد شیمیائی و یا فیلتراسیون نیست.
۹) برای تصفیه فاضلابهای شهری و صنعتی مناسب است.
۱۰) تحمل پیک‌های هیدرولیکی و آلی
۱۱) نصب ساده و بادوام
۱۲) حجم سرمایه‌گذاری اولیه کمتر، بتن‌ریزی کمتر، حفاری کمتر، سطح زمین کمتر
۱۳) هزینه بهره‌برداری پائین