دوشنبه 06 خرداد 1392

تصفیه بی هوازی فاضلاب

 

تصفیه بی هوازی فاضلاب

 

در محیط زیست طبیعی مواد آلی و معدنی مرتباً به مواد مختلفی در اثر فعل و انفعالات شیمیایی و بیولوژیکی تبدیل می شوند . بعضی از این فعل و انفعالات با زندگی عمومی موجودات زنده همراهی می گردد . بعنوان مثال در یک آب پذیرنده میکروارگانیسمهائی زندگی می کنند که باعث تجزیه و شکسته شدن مولکولهای کمپلکس با مصرف اکسیژن محیط می شوند . وقتی مواد غذائی برای زندگی میکروارگانیسم ها زیاد باشد شدت رشد آن ها زیادتر از تخلیه اکسیژن محیط خواهد بود و ناچاراً موجودات آبی نظیر ماهی بعلت کاهش اکسیژن قادر به ادامه حیات نخواهند بود . حفظ محیط زیست ایجاب می نماید تا تخلیه آلودگیها مخصوصاً مواد مغذی در آب های پذیرنده طبق قاعده و قانون انجام گیرد تا باعث تخلیه بیش از حد اکسیژن نگردد. رسیدن به این مطلب لازمه اش این است که اکسیژن مورد نیاز میکروارگانیسم ها برای شکستن آلودگیهای تخلیه شده مدنظر قرار گیرد ، بنابر این یکی از اهداف مهم تصفیه فاضلاب تقلیل یا کاهش اکسیژن مورد نیاز تصفیه فاضلاب است .

 

برای تعیین اکسیژن مورد نیاز تصفیه فاضلاب BOD ، COD آن باید تعیین شود. متذکر می شود در تعیین BOD به زمانی حدود 5 روز نیاز داریم ، در حالیکه اندازه گیری COD در کمتر از دو ساعت انجام پذیر است . هر دوی این آزمایشات که نتایج آن ها به حسب میلی گرم در لیتر بیان می شود تعیین کننده میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون آلودگیهاست . به عنوان مثال اگر فاضلابی به میزان 1000 لیتر و 2000 میلی گرم در لیتر BOD به آب پذیرنده تخلیه گردد ، حدود 2 کیلو اکسیژن برای غلبه بر اکسیداسیون آلودگیها مورد نیاز است . با کمی دقت دیده می شود که برای تأمین این مقدار اکسیژن چه میزان آب باید جابجا شود و چه بسا در اثر این مسائل زندگی موجودات آبی با خطر نابودی مواجه گردد.

تصفیه بی هوازی روشی است که در آن میکروارگانیسمها در غیاب اکسیژن محلول فعالیت می نمایند . در حین تصفیه مواد آلی (مواد مولد BOD  ،COD ) طی چند مرحله به بیوگازی که قسمت عمده آن متان و گاز کربونیک است تبدیل شده و همزمان در محیط تصفیه مقادیر کمی توده بیولوژیکی که در حقیقت باکتریهای جدید هستند بوجود خواهد آمد.

 

از نظر تاریخی در 1770 VOLTA مشاهده کرد که در مردابها هوای غیر قابل اشتعالی تشکیل می گردد. این شخص پیدایش این گازها را نتیجه تجزیه مواد آلی دانست ولی نتوانست توضیحی در این مورد بیان نماید. در 1806 BECHAMP اولین کسی بود که برای تولید متان فعالیتهای میکروبیولوژیکی را دخیل دانست . تا 1875 یعنی زمان کارهای مطالعاتی POPPOF تولید متان بطرق مختلف مورد مطالعه قرار داشت ولی بجز اطلاع از اثرات عوامل میکروبیولوژیکی در تولید آن کشف علمی خاصی صورت نگرفت . در 1906 SOHNGEN موفق به کشف دو نوع باکتری مولد متان (SARGINA  , LIKEROD) گردید. بعدها تجزیه بی هوازی توسط میکروارگانیسمها مورد توجه SCHNELLEN قرار گرفت و این شخص در دانشگاه DELFT برای اولین بار ارگانیسمهای مولد متان را (METHANOGENIC  ORGANISMS ) جدا نمود.

در 1967 BRAYANT معلوم نمود که در تبدیل اتانل به متان دو نوع باکتری دخالت دارد ، یکی از باکتریها اتانل را به استات و هیدروژن  و دیگری با مصرف هیدروژن CO2  را به متان تبدیل می نماید.

 

هضم بی هوازی در اکوسیستمهای طبیعی نیز مانند مردابها ، ته نشینهای کف دریا و یا سیستمهای غیر طبیعی نظیر تصفیه خانه های فاضلاب ، سیستمهای تصفیه هضم لجن و کود اتفاق می افتد . معمولاً تولید متان آخرین مرحله تصفیه فاضلاب به روش بی هوازیست که از تولید و تجمع مقادیر زیاد مواد آلی در سیستمهای بی هوازی ممانعت بعمل می آورد. تجزیه مواد آلی به روش بی هوازی روشی متابولیکی است که در آن تجزیه مواد با راندمان کمتری تا روش هوازی انجام می گیرد . ارگانیسمهای بی هوازی معمولاً انرژی زا هستند و اغلب محصولات نهائی حاصل از فعالیت آن ها با ارزش است .

بعنوان مثال فرمانتاسیون قند تولید الکل و اسید استیک می کند و یا متلاشی شدن اسید استیک با متان زائی توأم است ، در حالی که همین مواد در تجزیه هوازی کلاً به آب و CO2 تبدیل خواهند شد . متان که محصول آخرین تصفیه بی هوازیست چنان ماده پرارزشی است که بشر از آن بعنوان سوخت استفاده می نماید . زیبائی تصفیه بی هوازی در این است محصول نهائی روش تصفیه یعنی متان بسیار نامحلول است و بطور اتوماتیک از فاز مایع جدا می گردد . راندمان انرژی کم بوسیله بی هوازیها در مقایسه با هوازیها در مدت مصرف مواد بدین معنی است که در بی هوازیها انرژی کمتری برای تولید سلولهای جدید موجود است که مالاً باعث تولید لجن های کمتری خواهد شد . معنی دیگر این موضوع این است که تکثیر بی هوازیها کندتر از هوازی ها انجام خواهد شد . با وجود این میزان متابولیکی کند بی هوازیها باعث پیدایش لایه های به هم چسبیده و وزین توده های بیولوژیک خواهد شد .

 

بعضی ها مراحل تصفیه بی هوازی را در سه مرحله مورد بررسی قرار داده اند :

در اولین مرحله تصفیه که مرحله هیدرولیز است (Hydrolysis) مواد پیچیده آلی شکسته شده و به مواد آلی محلول تبدیل می شوند. در همین مرحله است که مواد معلق فاضلاب نیز به مواد محلول تبدیل می گردد. مرحله هیدرولیز که مهمترین مرحله تصفیه بی هوازیست 5 تا 15 روز طول می کشد و اصولاً خیلی کند ادامه خواهد یافت .

دومین مرحله هضم یا تصفیه بی هوازی اعمال توأم اسیدی شدن و تولید استات است که در اثر آن مواد آلی ساده حاصل از مرحله هیدرولیز به اسیدهای چرب فرار و مالاً اسید استیک و سرکه تبدیل خواهند گردید . این مرحله تصفیه بی هوازی گاهی به ترش شدن تعبیر شده و اسیدهای آلی حاصل از آن نوع خود COD هستند که باکتریهای مولد متان آن ها را مورد استفاده قرار می دهند و حاصل این عمل آن ها تولید متان است . در مجموع مصرف این اسیدها باعث کاهش اکسیژن مورد نیاز خواهد شد . در حالی که در محیط مقادیر قابل توجهی گاز کربنیک وجود دارد میزان اکسیژن مورد نیاز کاملاً حذف نخواهد گردید .

با پیدایش اسیدهای چرب فرار قطعاً pH محیط پائین آمده و زمان مربوط به انجام مرحله دوم تصفیه بی هوازی به کیفیت فاضلاب مربوط است . اگر در فاضلاب قندهای ساده موجود باشد این مرحله به سرعت انجام خواهد گردید و اگر محتوی پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه خواهد گردید و اگر محتوی پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه خواهد گردید و اگر محتوی پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه بی هوازی به زمان نیاز خواهد داشت .

سومین مرحله تصفیه بی هوازی مرحله تولید متان است و در این مرحله مواد مولد COD به متان تبدیل می شوند . در این مرحله بهره بردار باید نظارت دائم بر pH ، حرارت ، مواد سمی ، مواد مغذی موجود در سیستم داشته باشد . در اکثر راکتورهای بی هوازی این مرحله حدود 5 ساعت به طول خواهد انجامید .

در مواردی مراحل تصفیه و هضم بی هوازی را به صورت زیر طبقه بندی نموده اند :

1- هیدرولیز (Hydrolysis) شامل هیدرولیز بیوپلیمرها نظیر پروتئین ها ، کربوهیدرات ها ، چربی و روغن

2- مرحله اسیدی شدن (Acidification) شامل فرمانتاسیون اسیدهای آمینه و قند و تولید هیدروژن ، استات ، اسیدهای چرب فرار با زنجیره کوتاه و الکل . در این مرحله از تجزیه بی هوازی ممکن است اسیدهای چرب با زنجیر طویل نیز به وجود آید.

3- مرحله استات سازی (Acetogenesis) که در آن کلیه محصولات حاصل از دو مرحله 1 و 2 به استات تبدیل می شود .

4- مرحله تولید متان (Methanogenesis) که در آن از استات و ترکیب (H2 و Co2 ) متان تولید می گردد.

 

در صورت بالا بودن غلظت سولفات در فاضلاب در تصفیه بی هوازی امکان احیای سولفات به SH2 نیز وجود خواهد داشت .

در مراحل چهارگانه عواملی چون درجه حرارت ، pH محیط ، درصد پروتئین ها ، کربوهیدرات ها ، چربی های فاضلاب ، ذرات معلق ، غلظت آمونیاک ، اثرات زیادی دارد .

هرکدام از مراحل تصفیه بی هوازی با انواعی از میکروارگانیسم ها همراهی می گردد . باکتری های شرکت کننده در تصفیه بی هوازی را در دو گروه مورد مطالعه قرار می دهند .

باکتریهای تولید اسید که اعمال هیدورلیز و اسیدی شدن را انجام می دهند اولین گروه باکتری ها هستند . این باکتری ها دوزیستی بوده و در محیط های هوازی و بی هوازی قادر به ادمه حیات می باشند . در شرایط بی هوازی قادرند مولکولهای بزرگ آلی را به مولکولهای کوچک تر تبدیل و مالاً اسیدهای چرب فرار به وجود آورند . باکتری های مولد اسید در pHهای اسیدی تا کمی قلیائی بین 3 تا 8 و در حرارت های انجماد ، شرایط استوائی می توانند زندگی نمایند . باکتریهای اسیدی همچنین می توانند در جند دقیقه تولید مثل کنند . بعضی از این باکتری ها مواد حاصل از مرحله اسیدی شدن را به استات و H2 و CO2 تبدیل خواهند نمود .

باکتریهای نوع دوم باکتریهای مولد متان هستند که صد در صد غیر هوازی بوده از این رو مطلقاً در غیاب اکسیژن ادامه حیات خواهند داد . این باکتری به شرایط محیطی حساس تر از باکتری های اسیدی هستند.  pH فعالیت آن ها 6.8 تا 7.4 ( مناسب ترین رقم 6 تا 8 ) و حرارت مناسب زندگی شان 30 تا 40 درجه سانتیگراد (متوسط 20 تا 42 ) و تولید مثلشان یک بار در هر 3 تا  5 روز است . پیدایش لجن های گرانول در سیستم های بی هوازی به میزان وسیعی به فعالیت این گروه از میکروارگانیسم ها مربوط است . گروهی از این باکتری ها قادرند از ترکیب H2 و CO2 متان تولید نمایند .