كاربرد فرآيند UASB براي كاهش بار آلودگي فاضلاب كشتارگاه اصفهان

نويسنده: محمد مهدي امين شهرضا
استاد راهنما: ايوب تركيان، حسين موحديان عطار
استاد مشاور:
تاريخ دفاع: 1375/06/01
مدرك: كارشناسي ارشد مهندسي بهداشت محيط
دانشگاه: دانشكده علوم پزشكي اصفهان، دانشكده بهداشت، بهداشت محيط
چكيده: چكيده: بسياري از مسائل زيست محيطي مبتلا به دنياي امروز ناشي از وقايع نسبتاً اخير مي باشد. تا قبل از انقلاب صنعتي، چرخه طبيعي تغيير و تبديل مواد، هر گونه پسماند اضافي و غير مفيد را حذف مي نمود. با گسترش شهرها و فراگير شدن پديده شهرنشيني جمعيت زيادي در فضاي محدودي مستقر شد و صنايع مختلف نيز فرآورده هاي جديد و متنوعي براي رفع نياز اين شهروندان توليد كردند. با تراكم جمعيت و افزايش توليد، سيستمهاي طبيعي ديگر قادر به تصفيه طبيعي زايدات نبودند و نياز به تدوين و توسعه روشهاي فني مهندسي براي مقابله با پسماندها بيش از پيش احساس مي شد. كنترل مخاطرات ناشي از تجمع بي رويه اين زايدات بر سلامتي و بهداشت جوامع انساني از انگيزه هاي اصلي اين حركت بشمار مي رود. پيش از توسعه سيستمهاي فعلي، روش عملي برخورد با فاضلاب رقيق كردن آنها در مجاري آبي بود. زمانيكه فاضلاب خانگي به داخل مجاري آبي تخليه مي گرديد، فرايندهاي طبيعي تصفيه آغاز مي شد. در ابتدا، حجم زياد آب تميز موجود در جريان آب، مقادير كم فاضلاب را رقيق مي نمود. باكتريها و ساير ميكروارگانيسم هاي موجود در آب، مواد آلي موجود در فاضلاب را تجزيه كرده، آن را با استفاده از اكسيژن حاصل از هوا يا گياهان آبي به سلولهاي جديد، دي اكسيد كربن و ساير محصولات تبديل مي نمودند. اما زندگي و مرگ هر يك از منابع آب عمدتا به توانايي آنها براي حفظ مقدار معيني اكسيژن بستگي دارد. اگر فقط مقدار كمي از فاضلاب به داخل يك جريان آب تخليه گردد، تصفيه خود بخودي بخوبي انجام شده و كمبود اكسيژن محلول در آب از اتمسفر و گياها جايگزين مي شود. آشفتگي زماني آغاز مي شود كه بار آلودگي فاضلاب بيش از حد باشد. اگر فاضلاب با حجم يا غلظت زياد وارد مجاري آبي شود، كليه اكسيژن موجود مصرف گرديده و نتيجه آن مرگ آبزيان خواهد بود. تا سال 1800 هيچ نوع سيستم سازمان يافته اي براي جمع آوري فاضلاب ايجاد نشده بود و پس از آن زمان، قريب يك قرن براي آغاز تصفيه سيستماتيك وقت صرف گرديد. پيدايش تئوري ميكروب توسط كخ و پاستور در نيمه دوم قرن نوزدهم، نشانگر آغاز يك عصر جديد در بهسازي بود. قبل از آن زمان، ارتباط آلودگي با بيماري فقط بطور ضعيفي روشن شده بود و علم باكتريولوژي در آن زمان در نخستين دوره رشد خود، عملا به موضوع تصفيه فاضلاب نپرداخته بود. روشهاي تصفيه فاضلاب اول بار در پاسخ به نگراني در مورد بهداشت عمومي و شرايط نامطلوب ناشي از تخليه فاضلاب به محيط توسعه يافت. متناسب با بزرگتر شدن شهرها، قابليت دسترسي به زمين مورد نياز براي تصفيه فاضلاب و دفع آن، اصولاً از طريق آبياري و فيلتراسيون متناوب، بعنوان روشهاي معمول مورد استفاده در اوايل سالهاي 1900 محدود گرديد. از اوايل سال 1900، تحولي جديد در روشهاي مورد استفاده براي تصفيه فاضلاب بوجود آمد. هدف از توسعه دادن ساير روشهاي تصفيه، شتاب دادن به نيروهاي طبيعي تحت شرايط كنترل شده در تصفيه خانه هاي فاضلاب با اندازه نسبتا كوچكتر بود. بطور كلي از حدود سال 1900 تا اوايل سالهاي 1970، اهداف تصفيه در ارتباط با، حذف مواد معلق و شناور، تصفيه مواد آلي قابل تجزيه بيولوژيكي، و حذف موجودات بيماريزا بود. در آخر اين دوره، قوانيني براي نظارت بر افزايش ناگهاني امراض ناشي از فاضلاب وضع گرديد. از اوايل سالهاي 1970 تا حدود 1980 اهداف تصفيه فاضلاب علاوه بر ادامه اهداف اوليه با استانداردهاي بالاتر، ملاحظات محيطي و زيبايي و نيز حذف مواد مغذي از قبيل نيتروژن و فسفر را نيز شامل گرديد. سازمان حفاظت محيط زيست آمريكا (EPA) براي تقويت اجراي قوانين گوناگون مشتق شده از: قانون كنترل آلودگي آب فدرال، مصوب 1972، مصوبات قانون آن تميز (1977)، قانون احياء و حفظ منابع آب (1976)، و قانون كنترل تركيبات سمي (1977)، اختياراتي در زمينه ابتكار عمل در صنايع قائل شده بود. نتيجه اين كوششها، بهبود قابل ملاحظه در كيفيت آبهاي سطحي بود. از سال 1980، اهداف بر روي ملاحظات بهداشتي در رابطه با تركيبات شيميايي سمي و داراي خواص بالقوه سمي آزاد شده به محيط، متمركز گرديد. قوانين پيش تصفيه ويژه صنايع نيز توسط EPA در اوايل سالهاي 1980 رسما اعلام گرديد، كه در اين قوانين غلظت مواد تخليه شده براي پارامترهاي آلاينده معيني، محدود مي گرديد. در پاسخ به اين قوانين، محققين و مهندسين به تكنولوژيهاي پيشرفته تري براي تصفيه فاضلابهاي شهري و صنعتي دست يافته اند. براي صنايع كوچك، فاضلابها معمولا تحت عمليات پيش تصفيه در خود كارخانه قرار گرفته و مجدداً استفاده شده و يا به داخل سيستم شهري تخليه مي شوند. صنايع بزرگتر اغلب تركيبي از استراتژيها را براي تصفيه كامل در محل بكار مي برند. اين فرايندها، با شكلهاي قرارگيري متفاوت، مي توانند به هر درجه مطلوبي از كنترل آلودگي دست يابند. كاربرد بعضي از تكنيكهاي پيشرفته تصفيه فاضلاب به روش هوازي، هم براي فاضلابهاي شهري و هم صنعتي با داشتن مزايايي همچون توليد پساب قابل قبول از نظر مقررات زيست محيطي، نياز به زمين كم و توليد بوي كم، مشكلاتي را نيز به همراه دارد.. دو فرايند پيشرفته تصفيه هوازي فاضلاب، كه امروزه كاربرد متداولتري دارند، فرايندهاي صافي چكنده (1893، انگليس) و لجن فعال (1914، انگليس) مي باشند. با وجود مزاياي مذكور، نياز اين فرايند ها به تجهيزات الكترومكانيكي و هوادهي در مصرف بالاي انرژي و در نتيجه هزينه هاي سرمايه گذاري و بهره برداري بالا، مشكل و پر هزينه بودن دفع لجن اضافي، كارايي كمتر در بارهاي آلودگي بالا و وقوع مشكلات بهره برداري همچون بالكينگ لجن بعنوان يك مسئله هميشگي (افزايش هزينه هاي هضم و دفع لجن)، باعث شده است تا ارزش اقتصادي نسبي تصفيه هوازي كاهش يافته و بخش صنعت ساير تكنولوژيهاي تصفيه و از جمله تكنولوژي تصفيه بيهوازي را مجدداً بيازمايد. اين تكنولوژي بويژه براي شهرداري ها و صاحبان صنايع در كشورهاي در حال توسعه جالب توجه است، زيرا كه انرژي لازم براي بهره برداري از فرايند در مقايسه با انرژي لازم براي فرايندهاي هوازي بسيار كمتر است. علاوه بر اين مقدار انرژي به شكل گاز متان براي استفاده در محل توليد مي شود كه مي توان آن را به انرژي مكانيكي و الكتريكي براي استفاده در تصفيه خانه تبديل نمود. تصفيه بيهوازي، سالهاي زيادي است كه يك راه حل تكنولوژيك براي تثبيت كودهاي حيواني و لجن هاي شهري مي باشد. فرايند هضم بيهوازي لجن يك پيشرفت تازه نيست. حداقل 100 سال قبل در فرانسه، Louis H. Mouras تخمير كننده هايي را براي تبديل لجن هاي بدست آمده از فاضلاب خانگي طراحي كرده و ساخت. Abb Moigno، در سال 1881، گزارش نمود كه هضم بيهوازي مواد زايد خانگي در حدود 18 روز كامل مي گردد. اين زمان ماند با آنهايي كه امروزه در طراحي و بهره برداري سيستم هاي هضم بيهوازي مورد استفاده قرار مي گيرد، قابل مقايسه است. از نظر تكنيكي لاگون هاي بيهوازي ساده ترين فرايند هاي تصفيه بيهوازي فاضلابهاي صنعتي هستند. زمان ماند هيدروليكي فاضلاب در لاگونهاي بيهوازي طولاني است، بطوريكه منجر به احداث تاسيسات بزرگ مي شود. مدت زماني توسعه طراحي راكتورهاي بيهوازي رها گرديد، تا اين كه افزايش يافتن هزينه هاي انرژي در طول سالهاي 1970، همراه با فشارهاي محيطي سبب شد تا دانشمندان و مهندسين توجه خود را بر روي اصول تبديل بيولوژيكي بيهوازي (anaerobic bioconversion) و توسعه دادن طرحهاي دقيق مهندسي براي تصفيه خانه هاي بيهوازي فاضلاب متمركز نمايند. پيشرفت در اين زمينه آنقدر سريع و سودمند بود كه كاهش در هزينه انرژي نتوانست پيشرفت آن را متوقف سازد. فقدان نياز به تجهيزات مكانيكي پيچيده در بيشتر راكتورهاي بيهوازي با سرعت بالا (high rate) و هزينه هاي راه اندازي و نگهداري پايين، هضم بيهوازي را يك تكنولوژي مناسب براي تصفيه فاضلابهاي صنعتي با شدت آلودگي زياد در كشورهاي در حال توسعه ساخت.
در طي 30 سال گذشته، راكتورهاي بيهوازي با سرعت بالا، رشد كند ميكروارگانيسمهاي بيهوازي را براي باقي ماندن در داخل راكتور، مستقل از جريان فاضلاب امكان پذير ساخته اند، در نتيجه اعمال ميزانهاي بارگذاري آلي بسيار بالاتري مجاز بوده و اين حالت همراه با پايين بودن زمان ماند هيدروليكي باعث كاهش حجم راكتور مورد نياز مي گردد. اگر چه اين راكتورها در مقياس هاي كامل- پايلوت و آزمايشگاهي در سطح جهان مورد مطالعه قرار گرفته اند، اما كاربرد در مقياس كامل آنها به وسعت فرايندهاي هوازي نبوده است. فرايندهاي بيهوازي با سرعت بالا، اول بار براي تصفيه فاضلابهاي حاصل از پروسه هاي مواد غذايي، كه حاوي تركيباتي با قابليت تجزيه بيولوژيكي آسان بود، بكار گرفته شد. بعدا تصفيه بيهوازي براي فاضلابهاي صنعتي پيچيده (complex) و حتي سمي، با انجام اصلاحاتي در فرايند، شروع شد. در بين انواع مختلف فرايندهاي تصفيه بيهوازي، راكتورهاي با جريان رو به بالا (upflow) عملكرد بهتري را در مقايسه با ساير راكتورها، در هنگام اعمال بارگذارهاي حجمي بالا از خود نشان داده، قابليت تحمل بيشتري براي قبول بارهاي شوك آلي و سمي داشته اند. دليل اين مزيت آن است كه مقادير بيشتري از بيومس فعال در مقايسه با ساير راكتورهاي بيهوازي در سيستم باقي مي ماند و ميزان بارگذاري نيز به مقدار بيومس فعال موجود در راكتور بستگي دارد. در بين راكتورهاي بيهوازي پيشرفته، راكتور « بستر لجن بيهوازي با جريان رو به بالا، Upflow Anaerobic Sludge Blanket"" و بطور مخفف UASB، بيشترين علاقه تجاري را بويژه در اروپا و اخيرا در آسيا بخود جلب كرده است. فرايند UASB براي تصفيه فاضلابهاي حاصل از صنايع توليد مواد غذايي و آشاميدني و كشاورزي، كه آلايند هاي حاصل از آنها عمدتا از كربوهيدراتها، پروتئينها و اسيدهاي چرب تشكيل شده، كارآيي بالايي دارد (Lettinga و همكارانش 1980). با وجود اين، كاربرد آن براي فاضلابهاي حاوي آلاينده هاي با ماهيت تركيبات شيميايي ديگر هنوز كاملا كشف نشده است. توانايي راكتورهاي UASB در تجمع مقادير زيادي بيومس حاصل از چسبيدن سلولهاي باكتري به يكديگر و تشكيل گرانولهاي بيومس با قطر چندين ميليمتر مي باشد. چسبندگي به عنوان عامل حفظ ميكروارگانيسمها در يك محيط مطلوب از نظر مقدار نوترينت ها در راكتورهاي UASB كه در آنها هيچ ماده بي اثر (به استثناي ديواره هاي راكتور) در دسترس نيست، عمل مي كند. در چنين حالتي، سرعت بالاروي (upflow velocity) عامل انتخاب كننده ارگانيسمهايي است كه مي توانند براي تشكيل لجن گرانوله با ته نشيني خوب به هم بچسبند. واكنشهاي متابوليكي كه در طي هضم بيهوازي رخ مي دهد نيز سودمند بودن تجمع ميكروارگانيسمها بصورت گرانول را تائيد مي كند. تجزيه سوبستره هاي پيچيده به متان و دي اكسيد كربن در طول فرايند هضم بيهوازي مستلزم برهمكنش تقريبا سه گروه متابوليك (باكتريهاي تخمير كننده اسيد ساز acidogens، باكتريهاي استات ساز acetogens، و باكتريهاي متان ساز methanogens) مي باشد. بنابراين ارتباط نزديك اعضاي اين سه گروه در ساختمان چند لايه اي گرانول، فعاليت متابوليك بالايي را تضمين مي نمايد. در حال حاضر فاضلاب كشتارگاه اصفهان با COD بالا بعلت عدم بازيابي خون، و بدون پيش تصفيه به تصفيه خانه فاضلاب جنوب اصفهان كه فاضلاب شهري را به روش لجن فعال تصفيه مي كند، مي ريزد. تخليه حجم قابل ملاحظه اي از فاضلاب كشتارگاه با قدرت آلودگي بالا، بويژه در ساعات اوليه بامداد كه دبي فاضلاب شهري در حداقل مقدار و برعكس قدرت آلودگي فاضلاب كشتارگاه به علت شروع كشتار در حداكثر مقدار خود مي باشد و عدم ترقيق فاضلاب كشتارگاه با بار آلودگي زياد به خاطر كم بودن دبي فاضلاب شهري، بدون شك باعث وارد شدن شوك بار آلي به راكتور لجن فعال اين تصفيه خانه مي شود. همچنين وجود مواد مغذي در فاضلاب كشتارگاه (خون) و نيز احتمال بالا رفتن " نسبت مواد غذايي به ميكروارگانيسمها، F/M" در راكتور لجن فعال، ممكن است پديده بالكينگ لجن را در اين تصفيه خانه تشديد نمايد. بديهي است كه اين تغييرات بر روي كيفيت پساب تصفيه خانه و نهايتا كيفيت منبع آب دريافت كننده اين پساب (رودخانه زاينده رود) بي تاثير نيست.
هدف از اين مطالعه، بررسي عملكرد فرايند UASB براي كاهش بار آلودگي فاضلاب كشتارگاه اصفهان است، تا با كسب اطلاعات و پارامترهاي عملياتي كليدي شامل حداكثر ظرفيت بارگذاري، راندمان حذف COD، توليد متان و ساير پارامترها با استفاده از فاضلاب كشتارگاه به عنوان تغذيه كننده سيستم در مقياس پايلوت و سپس تعميم آن به مقياس كامل، بتوان با انجام پيش تصفيه فاضلاب كشتارگاه از مشكلات فعلي مذكور جلوگيري نموده و از اين طريق گامي موثر در افزايش كارايي كل تصفيه خانه، بويژه فرايند بيولوژيكي و هاضم بيهوازي برداشت. همچنين نتايج اين تحقيق را مي توان جهت طراحي راكتورهاي UASB براي كليه صنايع گوشت و كشتارگاهها مورد استفاده قرار داد.
كلمات كليدي: