یکی از روش هایی که بر اساس لجن فعال و برای رفع مشکلات این روش به ویژه کاهش مراحل فرایند تصفیه (حذف ته نشینی و گند زدایی) و نیز به دست آوردن راندمان بسیار بالا در کاهش مواد آلاینده آلی ابداع و توسعه پیدا کرد ، روش بیوراکتور غشایی است.
این فرایند شامل یک راکتور بیولوژیکی شبیه فرایند لجن فعال است، با این تفاوت که عملیات جداسازی لجن از آب توسط یک سیستم میکروفیلتراسیون (غشا) انجام می شود.
این سیستم شامل ورق های مسطح با فیلتراسیون صفحه ای است و در معرض فشار بالا با مقدار 5/3 بار در ورودی عمل می کرد و دارای نرخ پایین جریان و بازده متوسط نفوذپذیری بود.
محققان پیشرفت فنی در زمینه تصفیه فاضلاب شهری را که شامل حذف بارهای آلودگی فرساینده بوده را در چند سال گذشته به طور قابل توجهی گسترش دادند و جریان فرآیند تصفیه خانه های فاضلاب را بهبود بخشیدند .
پساب تصفیه خانه فاضلاب فیلتراسیون میکرو و فوق العاده، همراه با فرآیند لجن فعال را در سال های اخیر روشی مناسب برای به حداقل رساندن میکروبها می دانند.
بنابراین می توان استانداردهای تخلیه را برای پساب های تصفیه فاضلاب بدون نیاز به مخازن معمولی هوادهی و شفاف سازی ثانویه یا کارخانه های تصفیه و ضد عفونی تشدید کرد.
MBR به طور گسترده برای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی استفاده می شود.
فواید جایگرینی فن آوری بیوراکتور غشایی با تصفیه مرسوم فاضلاب شهری (فناوری 2004 هوبر):
اکثر الزامات نظارتی فعلی توسط مرحله جداسازی غشاء برآورده خواهد شد
فناوری بیوراکتور غشایی یک تکنیک صرفه جویی در فضا است. طراحی مبتنی بر ماژول آن اجازه می دهد تا ظرفیت به راحتی در صورت نیاز افزایش یابد.
کاهش قیمت ممبران در سال های آینده ادامه خواهد داشت.
تصفیه بیولوژیکی را با مرحله جداسازی غشایی ترکیب می کند.
این ترکیب، مزایای متعددی نسبت به تصفیه معمولی لجن فعال و به دنبال آن مخزن ته نشینی دارد:
مخزن ته نشینی به دلیل جدا شدن غشاء غیر ضروری است.
بیوراکتورهای غشایی غوطه ور می توانند تا 5 برابر کوچکتر از یک گیاه لجن فعال معمولی باشند
بیورآکتورهای غشایی را می توان در جامدات معلق مشروب تا 20000 میلی گرم در لیتر مخلوط کرد.
غلظت زیست توده می تواند بیشتر از سیستم های معمولی باشد که حجم راکتور را کاهش می دهد.
غشاء می تواند مواد محلول با وزن مولکولی بالا را حفظ کند،
و منجر به بهبود تجزیه زیستی آن در بیوراکتورشود.
کیفیت پساب خوب.
قابلیت ضد عفونی خوب، با کاهش قابل توجه باکتری ها و ویروس ها با استفاده از غشاهای UF و MF قابل دستیابی است.
MBR
آشنايي با فرآيند MBR در تصفيه فاضلاب
MBR
1-مقدمه
فرآيند MBR يك سيستم تصفيه فاضلاب يكپارچه است كه از تركيب فرآيند تصفيه بيولوژيكي (لجن فعال) با يك سيسـتم ممبراني مستغرق تشكيل شده است. اين فرآيند با ادغام واحدهاي ته نشـيني (زلال سـازي)، هـوادهي و فيلتراسـيون در يـك راكتور، جايگزين فرآيند هاي تصفيه متعارف (لجن فعال متعارف) شده و يك سيستم ساده و موثر را تشكيل مي دهد كه هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه و هزينه هاي بهره برداري سيستم را كاهش مي دهد.
در اين فرآيند با جايگزيني واحـد تـه نشـيني ثقلي با سيستم جداكننده ممبراني، منافع زيادي از قبيل افزايش پايداري در بهره برداري، كاهش توليد لجـن مـازاد و كيفيـت بسيار بالاتر پساب خروجي بدست مي آيد.
بنابراين اين سيستم، فرآيند مناسبي است كه مي توانـد در محـدوده وسـيعي بـراي سيستمهاي استفاده مجدد از پساب تصفيه شده در تصفيه فاضلابهاي شهري و صنعتي بكار گرفته شود.
۲ –فرآيند لجن فعال بدون استفاده از مخزن ته نشيني (با استفاده از ممبران به روش MBR )
فرآيند MBR يك فرآيند لجن فعال رشد معلق است كه با يك سيستم ممبرانـي (معمـولا از نـوع ممبـران هـاي رشـته اي توخالي (fiber Hollow (يا نوع لوله اي (Tubular ( (ادغام شده است. در اين فرآيند ، سيستم ممبراني نقش واحـد تـه نشيني (زلال سازي) در جداسازي جامدات معلق در سيستم لجن فعال متعارف را بر عهده دارد.
اين موضـوع در شـكل شـماره يك به خوبي نشان داده شده است.
فرآيند لجن فعال
در فرآيند MBR معمولا ممبران ها بصورت مستغرق در واحد هوادهي قرار داشـته و بصـورت مسـتقيم بـا فاضـلاب و مـايع مخلوط (liquor Mixed (در تماس مي باشند. در اين فرآيند با استفاده از پمپ مكش، با صرف انرژي كمـي، خـلا بوجـود مي آيد كه استخراج پساب تصفيه شده از درون ممبران ها به بيرون را به دنبال دارد.
علاوه بر اين در اين فرايند، مقداري هوا نيز از كف واحد هوادهي به اين واحد وارد مي شود تا سطح خارجي رشته هاي ممبراني را تميز نموده و جامدات پذيرش نشـدهتوسط ممبران ها را از سطح ممبران ها كنار زده و جابجا نمايد. لجن مازاد در اين فرآيند نيز معمولا بصورت مسـتقيم از واحـد هوادهي به خارج پمپ مي شود.
۳ -آشنايي با ممبران/مدول (Module/Membrane )
۳-۱ -رشته خالي تقويت شده (محكم شده)
يك رشته (ميكرو تيوب) شكل داده شده ممبراني (مانند شكل شماره ۲) (كه بصورت مستغرق در فاضلاب قرار مي گيـرد)، بـا
امكان فيلتراسيون ذرات ميكرو و ويروس ها و باكتريها، ساختار متخلخلي را بوجود مي آورده كه امكان بدست آوردن پساب بـا
كيفيت بسيار بالاتر را فراهم نموده و مي تواند براي تصفيه فاضلاب سيستم بسيار مناسبي باشد.
شکل 2
۳-۲ -مقاومت مكانيكي بسيار بالاي ممبران ها
هرچند امكان تخريب سطح ممبران ها در اثر تاثيرات فيزيكي و اصطكاك بين رشته هاي ممبران هـا در اثـر هـوادهي وجـود دارد، اما تقويت ممبران ها و محكم نمودن از شكست آنها تحت شرايط هوادهي زياد جلوگيري مي كنـد. لازم بـه ذكـر اسـت تقويت ممبران ها با محكم نمودن ممبران هاي رشته اي از دو طرف و ساخت مدول هاي ممبراني حاصل مي شود.
۳-۳ -تراوائي (قابليت نفوذ) بسيار خوب ممبران ها
٤ ساختار اسفنجي با تخلخل زياد لايه هاي رشته اي ممبران ها، با قدرت انتخابگري بالا در عبـور ذرات بسـيار ريـز، تراوائـي و قابليت نفوذ بسيار خوبي براي ممبران ها فراهم مي كند كه منافع زيادي را به دنبال دارد.
۳-۴ -خصوصيات مدول هاي ممبراني
هر مدول از ممبران شامل ساختاري از چند رشته توخالي ممبران است كه جهت فيلتراسيون در آنها از خارج بـه داخـل اسـت.
علاوه بر اين هر مدول از اين ممبران ها شامل گروهي از رشته هاي توخالي است كه درون يك فريم (قـاب) مسـتطيلي قـرار گرفته است (مانند شكل شماره ۳ .
(دو انتهاي هر يك ار فيبرهاي رشته اي ممبرانـي بـه بـالا و پـايين هـدرها (Headers) متصل است. هر هدر شامل يك لايه رزين متخلخل است كه رشته ها بمنظور اينكه محتوياتشان بـه كانـال هـاي جمـع آوري آبهاي نفوذي اتصال پیدا کند، در آنجا به هم می رسند.
مدول هاي ممبراني
هر مدول ممبراني شامل صدها رشته ممبران یک اندازه كه بطور عمودي بين دو هدر و تيرحائل قرار می گیرد. چنـد مدول ممبران اسمبل با هدر مشترك در فريم هاي مختلف درون واحد هوادهي در فرآيند MBR نصب است.
جدول 1
۴ -فوائد بكارگيري فرآيند لجن فعال ممبراني يا MBR
الف – اشغال فضاي كم در اين فرآيند معمولا ممبران ها بصورت مستقيم و مستغرق در يك مخزن هـوادهي قـرار گرفتـه و در نتيجـه مقـادير بـالاي غلظت مايع مخلوط يا MLSS به ميزان متوسط ۸۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ ميليگرم در ليتر در حين بكارگيري و بهره بـرداري از ايـن سيستم در مخزن هوادهي حاصل مي شود. به اين ترتيب و با توجه به حذف واحدهاي ته نشيني، ضـدعفوني و فيلتراسـيون از
سيستم متعارف تصفيه، فضاي مورد نياز جهت اشغال توسط فرآيند لجن فعال ممبراني يا MBR به مراتب كوچكتر (حـدود ۴ برابر كمتر از فرآيند لجن فعال متعارف) از فضاي اشغال شده سيستم هاي لجن فعال متعارف مي باشد.
ب – امكان تغيير آسان فرآيندهاي لجن فعال متعارف به لجن فعال ممبراني
واحدهاي تصفيه موجود به راحتي با استغراق ممبران ها در واحدهاي هوادهي مي توانند بـه سيسـتم لجـن فعـال ممبرانـي بـا راندمان بسيار بالاتر تغيير پيدا نمايند.
ج- مدولار و به آساني قابل توسعه سيستم مدولار ممبراني با افزودن مدول هاي ديگري از ممبران ها به آساني براي رسيدن به ظرفيت هاي بالاتر قابل توسـعه است.
د- كاهش توليد لجن مازاد در اين فرآيند بدليل زمان ماندگاري بالاي لجن، توليد لجن مازاد تا ۷۰ درصد كاهش پيدا مي كند.
ه- كنترل كارآمد گرفتگي ها هواي تميز كننده كه از كف مدول هاي ممبراني به واحد هوادهي وارد مي شود و شستشوي معكوس و اتوماتيك ممبـران هـا، سيستم كارآمدي را بوجود آورده و از گرفتگي آنها جلوگيري مي كند.
تفاوت اصلی بین بیوراکتور غشایی و کارخانه های تصفیه سنتی فاضلاب که از لجن فعال برای گام نهایی تصفیه استفاده می کردند، استفاده از غشا برای جداسازی جامدات و تصفیه فاضلاب می باشد. بیوراکتورهای غشایی می توانند در هر دو نوع رشد متصل و معلق توسعه پیدا کنند.
بیوراکتورهای غشایی از دو بخش عمده بیولوژیکی و مدول غشایی تشکیل می شود. در واحد بیولوژیکی تشکیل شده در بیوراکتور، میکروارگانیزم های قرار داده شده تجزیه ی بیولوژیکی ترکیبات را به عهده دارند و در مدول غشایی عمل جداسازی فیزیکی ترکیبات از آب انجام می شود.
سیستم های بیوراکتور های غشایی جایگزین مناسبی برای لجن فعال متعارف می باشد و از این طریق باعث بهبودی جداسازی لجن و پساب خروجی می شوند.غشا موجود در MBR از خروج جامدات بیولوژیکی و جامدات محلول با وزن ملکولی بالا، از بیوراکتور جلوگیری می کند و تقریبا تمام مواد آلی در داخل MBR به آب و دی اکسید کربن تبدیل می شود.
در سیستم های MBR هیچ گونه وسیله ی متحرکی وجود ندارد و هوادهی سیستم با استفاده از هوادهی دیفیوزری انجام می شود.
روند تصفیه و اصول اساسی طراحی رآکتور MBR
بیوراکتورهای غشایی فرایندهای تصفیه بیولوژیکی معمولی به عنوان مثال لجن فعال (Activated Sludge) را با فیلتراسیون غشایی ترکیب می کنند تا سطح پیشرفته ای از مواد جامد آلی و معلق را فراهم کنند. وقتی بر اساس آن طراحی شوند، این سیستم ها می توانند سطح پیشرفته ای از مواد مغذی را نیز حذف کنند.
در یک سیستم بیوراکتور غشایی (MBR) ، غشاها در یک راکتور بیولوژیکی هوادهی غوطه ور می شوند. تخلخل غشاها از 0.035 میکرون تا 0.4 میکرون است (بستگی به سازنده دارد) که بین میکروفیلتراسیون (Micro Filtration) و اولترافیلتراسیون (Ultra Filtration)می باشد.
این سطح از فیلتراسیون اجازه می دهد تا پساب با کیفیت بالا از غشا گرفته شود و فرآیندهای ته نشینی (sedimentation) و فیلتراسیون را که معمولاً برای تصفیه فاضلاب استفاده می شود، حذف کند. از آنجا که نیاز به رسوبگذاری برطرف می شود، فرایند بیولوژیکی می تواند با غلظت مایع مخلوط (mixed liquor) بسیار بالاتر کار کند.
لذا مخزن مورد نیاز فرآیند را به طور چشمگیری کاهش می دهد و اجازه می دهد بسیاری از تصفیه خانه های موجود بدون افزودن مخازن جدید به روز شوند. برای تأمین هوادهی مطلوب و آب شستشو در اطراف غشاها، مایع مخلوط مخلوط معمولاً در محدوده جامدات 1.0-1.2 درصد نگهداری می شود، یعنی 4 برابر تصفیه خانه های معمولی.
MBR
غشا (Membrane)
در طول تصفیه فاضلاب به روش MBR، جداسازی جامد و مایع توسط غشاهای میکروفیلتراسیون (MF) یا اولترافیلتراسیون (UF) حاصل می شود.
غشا یا ممبران به سادگی یک ماده دو بعدی است که برای جداسازی اجزای مایعات معمولاً بر اساس اندازه نسبی یا بار الکتریکی استفاده می شود. قابلیت غشایی که اجازه انتقال فقط ترکیبات خاص را بدهد، نیمه نفوذپذیر (semi-permeability) نام دارد.
این یک روند فیزیکی است، جایی که اجزای جدا شده از نظر شیمیایی بدون تغییر باقی می مانند.
انواع غشاهای مورد استفاده در MBR
مارپیچی
صفحه و قاب
فیبر توخالی
لوله‌ای
دیسک دوار
انواع غشاهای مورد استفاده در بیوراکتور
بهره برداری و نگهداری
سامانه های بیوراکتور غشایی به طور هفتگی از تمیز کردن نگهدارنده شیمیایی استفاده می کنند که 30 تا 60 دقیقه به طول می انجامد.
هنگامی که فیلتراسیون دوام بیشتری ندارد، یک یا دو بار در سال اتفاق می افتد که تمیز کردن را انجام می دهد.
“رسوب غیرقابل جبران” (irrecoverable fouling) گرفتگی ای است که با روشهای تمیز کردن موجود قابل جبران نیست .
گرفتگی یا فولینگ (Fouling)
سیستم های مدرن MBR با مواد شیمیایی نگهداری می شوند، بنابراین خارج کردن غشاها از مخزن غشا ضروری نیست. رسوب و گرفتگی مواد آلی (Organic) را می توان با هیپوکلریت سدیم و رسوب معدنی با اسید اگزالیک (oxalic acid) تمیز کرد.
گرفتگی یا فولینگ (Fouling)
فولینگ به عنوان یک نتیجه از فعل و انفعالات بین غشا و مایع مخلوط رخ می دهد که یکی از اصلی ترین محدودیت های فرآیند MBR است.
دلایل اصلی رسوب و گرفتگی غشا عبارتند از:
جذب ماکرومولکولی
رشد بیوفیلم ها در سطح غشا
رسوب مواد معدنی
بالا رفتن طول عمر غشا
کار و نگهداری سیستم های MBR معمولاً توسط کارگران ماهر انجام می شود .
انها باید لجن سیستم بیولوژیکی را آبگیری کرده (به عنوان مثال آبگیری (dewatering) مکانیکی یا بستر خشک کردن (drying bed)) و با خاکستر ذخیره در یک محل دفن زباله کنترل کرده و بسوزانند.
سیستم های بیورآکتور غشایی به طور گسترده ای در تصفیه خانه های فاضلاب شهری و صنعتی استفاده می شود. علاوه بر این، MBR ها نیز برای تصفیه شیرابه دفن زباله (landfill leachate) مناسب هستند. این یک سیستم پیشرفته است که به طراحی متخصص و اپراتورهای حرفه ای نیاز دارد
