به فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی که در غیاب اکسیژن توسط میکروارگانیسم‌ها انجام می‌گردد، فرآیندهای بی‌هوازی می‌گویند. باکتری‌هایی که در این روش فعالیت می‌کنند اغلب در سه مرحله باعث تجزیه مواد آلی می‌شوند.

مراحل تجزیه مواد آلی

مرحله اول : هیدرولیز (Hydrolysis)

در اولین مرحله تجزیه، مواد معلق فاضلاب به مواد محلول تبدیل می‌شود. مرحله هیدرولیز که مهم‌ترین مرحله تصفیه بی‌هوازی است 5 تا 15 روز طول می‌کشد و اصولاً خیلی کند ادامه خواهد یافت. در این مرحله تصفیه، مواد پیچیده آلی شکسته شده و به مواد آلی محلول تبدیل می‌شوند که شامل هیدرولیز بیوپلیمرها نظیر پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، چربی و روغن می‌باشد.

مرحله دوم : اسیدی شدن و تولید استات

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 بی‌هوازی ممکن است اسیدهای چرب با زنجیر طویل نیز به وجود آید. همچنین استات سازی (Acetogenesis) نیز صورت می‌پذیرد که در آن کلیه محصولات حاصل از دو مرحله 1 و همین مرحله به استات تبدیل می‌شود.

در این مرحله هضم بی هوازی یا تصفیه بی‌هوازی اعمال توأم اسیدی شدن و تولید استات است که در اثر آن مواد آلی ساده حاصل از مرحله هیدرولیز به اسیدی‌های چرب فرار و احتمالاً اسید استیک و سرکه تبدیل خواهند شد.

این مرحله تصفیه بی‌هوازی گاهی به ترش شدن تعبیر شده و اسیدهای آلی حاصل از آن نوع، COD هستند که باکتری‌های مولد متان آن‌ها را مورداستفاده قرار می‌دهند و حاصل این عمل تولید متان است.

درمجموع مصرف این اسیدها اکسیژن موردنیاز کاهش خواهد یافت. درحالی‌که در محیط مقادیر قابل‌توجهی گازکربنیک وجود دارد میزان اکسیژن موردنیاز کاملاً حذف نخواهد گردید. با پیدایش اسیدهای چرب فرار قطعاً PH محیط پائین آمده و زمان مربوط به انجام مرحله دوم تصفیه بی‌هوازیبه کیفیت فاضلاب مربوط است. اگر در فاضلاب قندهای ساده موجود باشد این مرحله به‌سرعت انجام خواهد گردید و اگر محتوی پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه بی‌هوازی به زمان نیاز خواهد داشت.

مرحله سوم تولید متان

سومین مرحله تولید متان (Methanogenesis) که در آن از استات و ترکیب (H2, Co2) گاز متان تولید می‌گردد و مواد مولد COD به متان تبدیل می‌شوند. در این مرحله بهره‌بردار باید نظارت دائم بر PH، حرارت، مواد سمی موجود در سیستم و مواد مغذی داشته باشد. در اکثر راکتورهای بی‌هوازی این مرحله حدود 5 ساعت به طول خواهد انجامید. در صورت بالا بودن غلظت سولفات در فاضلاب هنگام تصفیه بی‌هوازی امکان احیای سولفات به S H2 نیز وجود خواهد داشت.

مزایای استفاده از سیستم فاضلاب بی‌هوازی

روش UASB، FBR،UAFB نمونه‌هایی از روش‌های بی‌هوازی تصفیه فاضلاب هستند. لازم به ذکر است که در سپتیک تانک ها به سبب عدم وجود اکسیژن محلول کافی فرآیندهای بی‌هوازی بیولوژیکی غالب هستند.

در این مقاله به‌اختصار در مورد هر یک از فرایندهای مزبور توضیحاتی داده می‌شود که شرح کامل آنها در مقالاتی به‌صورت مستقل آورده شده است.

روش UASB:

این سیستم با جریانی روبه بالا نوعی سیستم تصفیه بی‌هوازی فاضلاب یا راکتور بی‌هوازی است که قادر است باراندمان نزدیک به 80% فاضلاب‌های صنعتی با آلودگی شیمیایی بسیار بالا فلزات سنگین و مواد سمی را کاهش داده و فاضلابی مناسب جهت ورود به سیستم‌های هوازی را مهیا سازد.

در این روش بدون حضور اکسیژن و با کمک باکتری‌های بیماری زا بی‌هوازی فاضلاب را تصفیه می‌کنند. این باکتری‌هابا تبدیل مواد آلی و آلوده‌کننده به گاز متان (که قابل‌مصرف در تولید انرژی می‌باشد) نه‌تنها به انرژی برای فعالیت‌های خود در تصفیه فاضلاب نیاز ندارد بلکه قادر به تولید مقادیر قابل‌توجهی انرژی نیز هستند.

راکتور تصفیه بی‌هوازی با رشد چسبیده ( سیستم تصفیه UAFB ):

این روش از رایج‌ترین فرآیندهای بی‌هوازی رشد معلق در تصفیه فاضلاب هست.

در راکتورهای پیش‌تصفیه بی‌هوازی UAFB آکنده‌هایی از جنس پلاستیک به طرز خاص طراحی و ساخته‌شده و به‌صورت صفحات ماتریسی در داخل راکتور تعبیه می‌گردد. این ماتریس‌ها بستر مناسبی را برای رشد و تکثیر میکرو ارگانیزم‌ها که معمولاً به‌صورت بیوفیلم یا غشاء بیولوژیکی رشدی کمتر ایجاد می‌نماید. رشد این بیوفیلم‌ها (غشاء بیولوژیکی) معمولاً بسیار سریع می‌باشد.

مزایا:

FBR (Fluidized-bed reactor) :

راکتور بی‌هوازی رشد ثابت با بسترسیال (FBR) ازنظر طرح فیزیکی مشابه راکتور بسترانبساط یافته با جریان روبه بالا می‌باشد. اندازه دانه‌بندی بستر مشابه راکتور با بستر انبساط یافته است؛ برگشت پساب خروجی برای فراهم کردن سرعت کافی روبه بالا مورداستفاده قرار می‌گیرد .

از فرآیندهای FBR بی¬هوازی برای تصفیه جریان‌های مواد زائد صنعتی خطرناک مورداستفاده قرارگرفته است.

ABR راکتوربافل دار بی هوازی (Anaerobic Baffled Reactor) :

یکی دیگر از روش‌های بی‌هوازی تصفیه فاضلاب استفاده از راکتورهای بی‌هوازی بافل دار می‌باشد. از مهم‌ترین ویژگی این روش سرعت‌بالای تصفیه آن است.

به دلیل ویژگی‌های هیدرولیکی خاص این نوع راکتور، زمان‌ماند جامدات در راکتور (SRT) بیشتر از زمان‌ماند هیدرولیکی (HRT) آن است به‌عبارت‌دیگر ویژگی خاص هیدرولیکی سامانه باعث جداسازی زمان‌ماند هیدرولیکی و زمان‌ماند جامدات شده و به این طریق تصفیه مناسب فاضلاب در زمان‌ماند کم‌حاصل می‌گردد.

روش تصفیه بدین ترتیب است که آن فاضلاب با عبور از میان تعدادی اتاقک به‌صورت پایین‌رونده و بالارونده، تصفیه می‌گردد. هر اتاقک از دو بخش پایین‌رونده و بالارونده تشکیل‌شده که معمولاً حجم و عرض بخش بالارونده 3 برابر بخش پایین‌رونده منظور می‌گردد.

به دلیل تقسیم این راکتور به اتاقک‌های مجزا، سامانه توانایی زیادی در مقابله با شوک‌های آلی و هیدرولیکی دارد و می‌توان گفت حساسیت این سیستم به تغییرات بسیار کمتر از دیگر دستگاه‌های بی‌هوازی مشابه است.

مزایای سیستم بی‌هوازی ABR:

کاربرد:

این سیستم در تصفیه انواع فاضلاب‌های صنعتی، فاضلاب صنایعی که با تغییرات احتمالی در میزان دبی یا آلودگی فاضلاب همراه هستند، فاضلاب‌های شهری و انسانی، فاضلاب اجتماعات کوچک، اجتماعات کم‌درآمد و فاضلاب مناطقی که با مشکل وجود برق مواجه هستند و نیز به‌عنوان پیش‌تصفیه برای دیگر واحدهای فرایندی تصفیه فاضلاب کاربرد دارد.

تصفیه فاضلاب به روش بی هوازی

تصفیه فاضلاب به روش بی هوازی به معنایی تبدیل زائدات آلی به گاز مانند متان و دی اکسید کربن است که در غیاب اکسیژن صورت می پذیرد. اگرچه سینیتیک فرآیند و موازنه های جرم شبیه سیستم های هوازی است ، چندین تفاوت اساسی وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد. تبدیل اسید های آلی فاضلاب به گاز متان انرژی کمی تولید می کند. بنابراین سرعت رشد پایین و سنتز ارگانیزم های نیز کم است. هم سرعت سینیتیکی حذف و هم تولید لجن بسیار پایین تر از لجن فعال است.

مقدار تبدیل مواد آلی به گاز بین ۸۰ تا ۹۰ درصد است و سنتز سلول در فرآیند های بی هوازی پایین است و مقدار مواد مغذی مورد نیاز نیز در مقایسه با سیستم های هوازی پایین تر می باشد. برای دستیابی به راندمان بالا ، دما باید بالا برده شود و از مخازنی که گرم می شود برای واکنش استفاده گردد. برای تولید این گرما می توان از گاز متان تولیدی در واکنش استفاده کرد. در صورتیکه COD و BOD پساب پایین باشد ، متان مورد نیاز گرمایش تولید نمی شود و باید گرمای لازم از بیرون تامین شود.

فرآیند های بی هوازی به یکی از طرق زیر انجام می شود :

رآکتور فیلتر بی هوازی :

در این رآکتور ها که در آن رشد ارگانیزم های بی هوازی روی یک بستر انجام می شود ، جریان فیلتر می تواند طبق شکل زیر رو به بالا یا رو به پایین باشد. محیط فیلتر که جامدات بیولوژیکی را در خود نگه می دارد‌، می تواند مکانیزمی نیز برای جداسازی جامدات و گاز تولید شده در فرآیند هضم داشته باشد. در تصفیه پساب دارو سازی ها با استفاده از محیط پلاستیکی در دمای ۳۷ درجه سانتیگراد می توان در بارگذاری 3.5 کیلیوگرم cod در روز مترمکعب ، ۹۷ درصد cod را حذف کرد.

تصفیه فاضلاب به روش بی هوازی

در تصفیه پساب آلی شیمیایی مصنوعی با بارگذاری o.56 کیلوگرم cod در روز مترمکعب و زمان ماند هیدرولیکی ۳۶ ساعت، ۸۰ درصد cod حذف می شود. دوره راه اندازی بستگی به اختلاف ORL و مواد اولیه می تواند بین ۳ تا ۹ ماه طول بکشد.

فرآیند تماس بی هوازی :

ارگانیزم های هسته را جدا کرده و آنها را بر می گرداند. بنابراین این فرآیند می تواند درزمان ماند بین ۶تا ۱۲ ساعت انجام شود. در مرحله جداسازی به منظرو حداقل کردن جامدات شناور باید از یک حذف کننده گاز استفاده شود. به منظور انجام یک تصفیه فاضلاب به روش بی هوازی خوب ، زمان ماند جامدات در دمای ۳۲ درجه سانتیگراد ، ۱۰ روز تخمین زده شده است. به ازای هر ۱۱ درجه کاهش دمای بهره برداری ، این زمان برابر می شود. یک فرآیند تماس بی هوازی ۳۰ تا ۳۵ درجه سانتی گراد می تواند پساب بسته بندی گوشت را با بار 2.5 کیلیوگرم COD بر روز در مترمکعب و زمان ماند هیدرولیکی ۱۳ روز می تواند باشد.

راکتور با بستر شناور :

پساب از میان یک بستر شنی که رشد میکروبی روی آن انجام شده است رو به بالا حرکت می کند. غلظت بیومس بیش از 30000میلیگرم بر لیتر گزارش شده است. مقدار خروجی فاضلاب که باید برگشته و با خوراک مخلوط شود بوسیله غلظت پساب و سرعت شناور سازی تعیین می شود. راندمان حذف مواد آلی برای حذف COD حدود ۸۰ درصد است.

فرمانتاسیون قند تولید الکل و اسید استیک می کند و متلاشی شدن اسید استیک با متان زائی توأم است، در حالی که همین مواد در تجزیه هوازی کلأ به آب و CO2 تبدیل خواهند شد. متان که محصول آخرین تصفیه بی هوازی است چنان ماده پر انرژی است که بشر ازآن بعنوان سوخت استفاده می نماید. زیبایی تصفیه بی هوازی در این است که محصول نهایی روش تصفیه یعنی متان بسیار نامحلول است و بطور اتوماتیک از فاز مایع جدا می گردد.

راندمان انرژی کم بوسیله بی هوازی ها در مقایسه با هوازی ها در مدت مصرف مواد بدین معنی است که در بی هوازی ها انرژی کمتری برای تولید سلول های جدید موجود است که معمولأ باعث تولید لجن های کمتری خواهد شد. معنی دیگر این موضوع این است که تکثیر بی هوازی ها کند تر از هوازی ها انجام خواهد شد. با وجود این میزان متابولیکی کند بی هوازی ها باعث پیدایش لایه های چسبیده و وزین توده های بیولوژکی خواهد شد.

مراحل سه گانه تصفیه بی هوازی فاضلاب

بعضی ها مراحل تصفیه بی هوازی را در سه مورد زیر مورد برسی قرارداده اند:

در اولین مرحله تصفیه که مرحله هیدرولیز است مواد پیچیده آلی شکسته شده و به موادآلی محلول تبدیل می شوند. در هیمین مرحله است که مواد معلق فاضلاب نیز به محلول تبدیل می گردد. مرحله است که مواد معلق فاضلاب نیز به مواد محلول تبدیل میگردد. مرحله هیدرولیز که مهم ترین مرحله تصفیه بی هوازیست 5 تا 15 روز طول می کشد و اصولأ 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 اسید های چرب فرار و مألأ اسید استیک و سرکه تبدیل خواهد گردید. این مرحله تصفیه بی هوازی گاهی به ترش شدن تعبیر شده و اسید های آلی حاصل از آن خود COD هستند که باکتری های مولد متان آن ها را مورد استفاده قرار می دهند و حاصل این عمل آن ها تولید متان است. در مجموع مصرف این اسید ها باعث کاهش اکسیژن مورد نیاز خواهد شد. در حالی که در محیط مقادیرقابل توجهی گازکربنیک وجود دارد میزان اکسیژن مورد نیاز کاملأ حذف نخواهد گردید.
با پیدایش اسید های چرب فرار قطعأPH محیط پائین آمده و زمان مربوطه به انجام مرحله دوم تصفیه بی هوازی به کیفیت مربوطه است. اگر در فاضلاب قند های ساده موجود باشد این مرحله به سرعت انجام خواهد گردید و اگرمحتوای پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه خواهد گردید و اگر محتوای پروتئین و موادآلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه بی هوازی به زمان نیاز خواد 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، موجود در سیستم، مواد مغذی داشته باشد. در اکثر راکتور های بی هوازی این مرحله حدود 5 ساعت به طول می انجامید.

مراحل چهارگانه تصفیه بی هوازی فاضلاب

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

هیدرولیز (HYDROLYSIS) شامل هیدرولیز بیوپلیمر ها نظیر پروتئین ها، کربوهیدارت ها، چربی و روغن.
مرحله اسیدی شدن (Acidification) شامل فرمانتاسیون اسید های آمینه و قند و تولید هیدروژن، استات، اسید های چرب فرار با زنجیره کوتاه و الکل. در این مرحله از تجزیه بی هوازی ممکن است اسید های چرب با زنجیر طویل نیز به وجود آید.
مرحله استات سازی (Acetogenesis) که در آن کلیه محصولات حاصل از دو مرحله 1و2 به استات تبدیل می شود.
مرحله تولید متان (Methanogenesis) که در آن از استات و ترکیب (H2,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.

شکل زیر نشان دهنده مراحل 4 گانه تصفیه بی هوازی فاضلاب است.