فرآیند لجن فعال
فرآیند لجن فعال را آردن و لاکت در 1914 م . در انگلستان ابداع کردند. آنها به این نکته پی بردند که هوادهی فاضلاب به تشکیل ذرات معلق فلوکوله می انجامد. این دانشمندان متوجه شدند که زمان لازم برای حذف آلاینده های آلی در اثر نگاه داشته شدن ذرات فولوکه در داخل سامانه، از چند روز به چند ساعت کاهش می یابد. آنها به ذرات معلق، یا لجن حاصله در اثر ته نشینی ذرات، اصطلاح فعال شده را به کار بردند و فرآیند لجن فعال زاده شده. بهمین دلیل از آن موقع تاکنون این فرآیند بعنوان یک تصفیه بیولوژیکی جهت فاضلاب های خانگی به طور جهانی مورد استفاده شده است.
فرآیند لجن فعال از یک راکتور به نام حوض هوادهی، استخر ته نشینی، لجن فعال برگشتی از ته نشین کننده به حوض هوادهی و یک خط لوله لجن مازاد تشکیل شده است. استخر هوادهی راکتور رشد معلقی است که حاوی توده های میکروبی از میکروارگانیسم ها موسوم به لجن فعال است. لجن فعال از طریق اختلاط توسط هوادهی یا دیگر روش های مکانیکی در حالت تعلیق در راکتور نگاه داشته می شود. پس از تصفیه فاضلاب، فلوک ها در اثر نیروی ثقل در تانک ته نشینی از پساب جدا شده و به حوض هوادهی بازگشت داده می شوند یا برای کنترل زمان ماند جامدات SRT دفع می شوند. جداسازی فلوک ها در ته نشین کننده و برگشت آنها به راکتور از بخش های اساسی فرآیند لجن فعال است. چون باعث ایجاد غلظت بالایی از میکروارگانیسم ها در راکتور می شود. غلظت بالای بیومس امکان کوتاه بودن زمان ماند مایع مخلوط را فراهم می کند و این امر فرآیند را بسیار مقرون به صرفه می سازد. دفع لجن مازاد از طریق یک خط لوله جداگانه، زمان ماند جامدات را مستقل از زمان ماند هیدرولیکی کرده و مقدار آن را طولانی می سازد. شماتیکی از فرآیند لجن فعال با جریان برگشتی در شکل زیر نشان داده شده است.
مشخصه های لجن فعال
اکولوژی میکروبی
دو مشخصه مهم انواع میکروارگانیسم های موجود در لجن فعال را تعریف می نماید. اول آنکه لجن فعال حاوی تعداد متنوعی از میکروارگانیسم ها است. پروکاریوت ها (باکتری ها) و یوکاریوت ها ( پروتوزوئرها، سخت پوستان، نماتدها و روتیفرها ) به طور عموم موجود بوده و باکتریوفاژ که ویروس های باکتریایی هستند نیز به احتمال موجود می باشند. قارچ ها به ندرت عضو مهمی از این تجمع میکروبی هستند. دوم آنکه بیشتر میکروارگانیسم ها از طریق پلیمرهای آلی و نیروهای الکترواستاتیکی تولید شده و به صورت طبیعی در داخل فلوک ها به یکدیگر نگاه داشته می شوند.
مصرف کنندگان عمده مواد آلی موجود در فاضلاب باکتری های دگرپرور می باشند، اگر چه برای بعضی از ذرات آلی پروتوزوئرها می توانند درگیر باشند اما از لحاظ جرمی اعضای غالب این تجمع میکروبی باکتری های دگرپرور می باشند.
اگر چه پروتوزوئرها مصرف کنندگان اولیه در لجن فعال نمی باشند ولی شاخص های مفیدی برای عملکرد فرآیند می باشند. در لجن خوب، پروتوزوئرهای تاژک دار غالب بوده و آن تاژک دارهایی که از طریق ساقه به فلوک ها می چسبند ( به جای تاژک دارهای شناور در مایع ) بهترین شاخص های لجن پایدار می باشند.
روتیفرها، نماتودها و دیگر فرم های چند سلولی بیشتر در سامانه لجن فعال یافت می شود ولی نقش آنها در لجن فعال روشن نیست. این موجودات می توانند توده های حاوی گروه های باکتری ها را مصرف کرده و به طور معمول دیده می شود که در داخل فلوک های میکروبی ذرات فلوک را می جوند. با توجه به اینکه این موجودات به طور عموم در موقعی که سامانه دارای SRT طولانی است موجود می باشند، بیشتر فرم های چند سلولی بعنوان شاخص مورد استفاده قرار می گیرند.
نقش ویروس های باکتریایی، فاژ، در فرآیند کلی مستندسازی نشده ولی این امکان وجود دارد که حضور آنها بتواند تغییر سریع و عمده ای در گونه های باکتریایی غالب ایجاد نماید، با توجه به اینکه گونه های متعدد باکتریایی وجود دارد، اگر یک گونه توسط فاژ خورده شود گونه دیگری می تواند به سرعت جایگزین شده و تغییر عمده ای در راندمان تصفیه مشاهده نمی شود. این حالت نمونه ای از ظرفیت اضافی در اکوسیستم های میکروبی بوده و به احتمال دلیل عمده قابلیت اعتماد عملکرد لجن فعال است.
نیازهای اکسیژن و مواد مغذی
فرآیند لجن فعال برای تامین نیازهای میکروارگانیسم ها، به اکسیژن و مواد مغذی نیاز دارد. در بیشتر شرایط اهداکننده الکترون یا BOD عامل محدودکننده تولید مثل و رشد میکروارگانیسم ها است. این امر بدین معنی است که مواد مغذی و گیرنده الکترون غلظت هایی به مراتب بالاتر از غلظت نیم اشباع K دارند. برای اکسیژن محلول، K به طور کلی کمتر از 1mg/L بوده و غلظت 2mg/L یا بالاتر بیشتر برای پیشگیری از محدودکنندگی اکسیژن کافی است. مقدار K برای مواد مغذی نظیر نیتروژن، فسفر، آهن، سولفور و دیگر عناصر کم مقدار قطعیت ندارد ولی به نظر می رسد که مقادیر به مراتب کمتر از 1mg/L باشد.
نرخ مصرف مواد مغذی با نرخ خالص تولید بیومس تناسب دارد. در حالت پایا نرخ تولید برابر نرخ دفع بیومس مازاد است. مواد مغذی در حالت عادی از طریق فاضلاب ورودی به سامانه وارد می شوند. غلظت ورودی ماده مغذی برای ساخت سلولی باید تا حدی بیشتر از میزان استوکیومتری مورد نیاز باشد تا غلظت محدود کننده نشود. اگر ماده مغذی در فاضلاب ورودی به حد کافی بالا نباشد بایستی به میزانی که این تفاوت را تامین کند تعیین شود.
اثر زمان ماند جامدات
زمان ماند جامدات یا SRT ، به صورت متداول در سامانه های تصفیه لجن فعال نه فقط برای کنترل راندمان تصفیه فاضلاب بلکه در کنترل مشخصه های فیزیکی و بیولوژیکی لجن استفاده می شود.
یوکاریوت های صید کننده از جمله موجودات با رشد کند هستند و می توان آنها را در حین راه اندازی یا مواقع وجود بحران که باکتری بیشتر به صورت پراکنده در سرتاسر راکتور وجود دارد دفع کرد. در اینجا کیفیت ته نشین شدن می تواند کند باشد و علت آن نه فقط باکتری های فلوکوله با توان ته نشینی پایین بلکه وجود جمعیت پروتوزوئرها که بعلت اندازه کوچک خوب ته نشین نمی شوند، باشد. هنگامیکه فرآیند پایدار شده و فلوک های فشرده و با خاصیت ته نشینی مناسب وجود داشته و SRT در دامنه 4 تا 10 روز باشد، پروتوزوئرهای تاژکدار با ساقه می توانند به فلوک چسبیده و صید کننده های مهم شوند. این موجودات می توانند از طریق جذب باکتری های موجود در سامانه و مصرف آنها کیفیت خروجی را صیقل دهی نمایند. با توجه به اینکه موجودات چسبیده بوده و همراه فلوک ته نشین می شوند آنها را می توان به استخر هوادهی برگشت داد. وجود میزان زیادی از پروتوزوئرهای ساقه دار نشانه کارکرد مناسب سامانه و راهبری پایدار آن برای مدت یک ماه است.
با میزان SRT طولانی تز از 10 روز صید کننده های با رشد کند نیز وارد صحنه می شوند. این موجودات شامل روتیفر و نماتود هستند که ذرات فلوک را می خورند و باعث تشکیل ذرات غیر موجودات شامل روتیفر و نماتود هستند که ذرات فلوک را می خورند و باعث تشکیل ذرات غیر فلوکوله که باقیمانده باکتری ها می شوند بدین دلیل کدورت خروجی سامانه لجن فعال راهبری شده و BOD میتواند بدتر از کیفیت سامانه با SRT متداول 4 تا 10 روز باشد.