مقدمه :
تصفيه بي‌هوازي فاضلابهاي صنعتي داراي مزاياي بالقوه‌اي مي باشد كه عبارتند از : انرژي مصرفي پائين، توليد كم لجن اضافي، كنترل بووآئروسلها و شروع بكار سريع بعد از توقف مار به مدت زمان طولاني. هاضم‌هاي بي‌هوازي با سرعت بالا كه داراي قدرت نگهداري توده ميكروبي مي باشند، نيز داراي ظرفيت تصفيه بالايي بوده و بنابراين به سطح كمتري نيازمند هستند. هايكي و همكاران (۱۹۹۱) شكلهاي عمده فرايند تصفيه براي هاضم‌هاي با سرعت بالا در بيست سال اخير را مورد بررسي قرار داده‌اند. اين مطالعات شامل فرايندهاي UASB، بسترهاي ثابت با جريان رو به بالا و جريان رو به پائين و بسترهاي شناور و انبساط يافته مي‌باشد.

هرچند روشهاي تصفيه بي‌هوازي در اغلب كشورهاي اروپايي كاربرد گسترده‌اي دارند اما به طور معمول در انگلستان مورد استفاده قرار نمي‌گيرند. با وجود عدم استقبال صنايع انگليس از اين روش شوراي مهندسين مشاور و علوم آكادمي انگليس در جهت ساخت و بهره داري از چهار نوع هاضم بي‌هوازي در مقياس پايلوت سرمايه‌گذاري نمود كه شامل يك فرايند تماسي، يك فيلتر بي‌هوازي با جريان رو به بالا و يك راكتور UASB بود. همه اينها با ظرفيت اسمي (حجم اسمي) و يك راكتور با بستر شناور با ظرفيت اسمي طراحي شدند (آندرسون و همكاران، ۱۹۸۸). پايلوتها در يك كارخانه بستني سازي بنام والس در شهر گلاستر قرار داده شد و به مدت ۵/۳ سال از سال ۱۹۸۷ مورد بهره برداري قرار گرفت.

برخي اطلاعات حاصل از بهره برداري از تصفيه خانه‌هاي پايلوت توسط كاين و همكاران (۱۹۹۰) و اسميت (۱۹۹۱) منتشر شده است. مورگان و همكاران (۱۹۹۱) بر روي اكولوژي ميكروبي راكتورها به مدت ۲۴ هفته از شروع بهره برداري پايلوت مطالعه نموده و به محدوديت حفظ توده ميكروبي در سيستم پي بردند. سيستم UASB در مقياس پايلوت در تشكيل گرانول ناموفق بوده و مطالعات آزمايشگاهي نيز نشان داد كه تشكيل گرانول بر روي اين فاضلاب رضايتبخش نيست (كايلس و همكاران، ۱۹۹۰)، در حالي كه گرانولهاي حاصل از تصفيه پساب كراخانه لبنيات سازي توسط UASB نسبت به فاضلاب بستني سازي خوب بود (هاكز و همكاران، ۱۹۹۲). گودوين و همكاران در سال ۱۹۹۰ گزارش دادند كه زمان لازم براي تشكيل گرانول و تصفيه مؤثر اين فاضلاب قابل بررسي است.

اين مطالعه اطلاعات بيشتري را از چهار راكتور در مقياس پايلوت در مدت زمان بهره برداري پايدار ارائه نموده و عملكرد هريك از انواع راكتورها را بر روي فاضلاب بستني سازي مقايسه مي‌كند. تجربيات به دست آمده از مطالعات پايلوت در طراحي يك فرايند فيلتر بي‌هوازي (بستر آكندي)، با جريان رو به بالا در مقياس كامل در بخش ديگري از اروپا براي تصفيه فاضلاب بستني سازي مورد استفاده قرار گرفت. دراين مقاله تجربيات بهره برداري از اين تصفيه خانه نيز تشريح شده است.

روشها
الف : شكل راكتور
مورگان و همكاران (۱۹۹۱) ابعاد چهار راكتور در مقياس پايلوت را گزارش كرده‌اند. حوضچه ته نشيني فرايند تماسي با اختلاط كامل داراي يك كويل مسي خنك كن بود و در دماي تقريباً و با هدف كاهش گاز توليدي در جهت بهبود ته نشيني توده ميكروبي و جامدات برگشتي به راكتور بهره برداري شد. در حين مطالعه حوضچه ته نشيني با اضافه شدن يك كف پخش كن سطحي كه براي پراكنده شدن يكنواخت توده ميكروبي شناور جدا شدن گاز از فلوكها تعبيه شده بود، تغيير يافت.

فيلتر بي‌هوازي با ارتفاع ۴/۵ متر و سطح مقطع يك مترمربع با ETAPACK پر شد. ETAPACK بوسيلة شركت پرموتيا تهيه شده و از مواد پركننده صافي مي باشد. قطر آن ۵/۶ سانتيمتر و از جنس پروپيلن است. سطح مخصوص آن و داراي درجة تخلخل ۹۵% مي باشد. فضاي داخل راكتور همانگونه كه توسط كاين و همكاران (۱۹۹۱) تشريح شده است، شامل دو قسمت ۶۴/۱ مترمكعبي است كه هر يك ۳۱% حجم راكتور را اشغال مي‌نمايد و در ۵/۱ متري بالاي پايه راكتور قرار گرفته است.

در اكثر موارد بهره برداري، مواد نگهدارنده در راكتور بستر شناور شامل L 160 ماسه با اندازه ذرات mm 5/0 و با درجه تخلخل ۳۵% و وزن مخصوص ۷۵/۲ بود. در فوريه ۱۹۹۰ محيط فوق با L 160 گرانول كربن فعال با همان اندازه متوسط ذرات، وزن مخصوص ۳۵/۱ و تخلخل ۴۵% جايگزين شد. راكتور UASB به يك جدا كننده گاز ـ مايع ـ جامد و با زاويه ۶۰درجه مجهز شده بود. تمام راكتورها به برق متصل بودند و همچنين دماي لازم (۳۵ درجه سانتيگراد) بوسيله يك مبدل حرارتي كه در محل ورودي راكتور قرار داده شده بود و محتويات راكتور يا فاضلاب برگشتي از هاضم از آن عبور مي كرد تامين مي‌شد. همچنين فيلتر بي‌هوازي حاوي يك المنت الكتريكي قابل تنظيم مستقل در خط برگشتي بود. راكتورهاي بستر شناور، فيلتر بي‌هوازي و UASB هر سه داراي شيرهاي نمونه گيري در نقاط مناسب بودند كه توسط مورگان و همكاران (۱۹۹۱) تشريح شده است.

ب : ورودي
در ژوئن ۱۹۸۷ راكتورها با دريافت پساب كارخانه كه اساساً فاضلاب حاصل از بستني سازي بود راه اندازي شد. اين پساب با COD mg/L 4500 براي كاهش مقدار چربي از واحد شناورسازي با هواي محلول عبور داده شده بود. براي تأمين مواد غذايي نسبت COD:N:P به ميزان ۱۰۰:۲:۱ اوره و فسفات افزوده مي‌شد.

همانگونه كه كاين و همكاران (۱۹۹۰) شرح دادند از ژانويه ۱۹۸۸ فاضلاب ورودي براي هر چهار راكتور به وسيله اختلاط محصولات كارخانه بستني سازي و آب يخ كه به حوضچه يكنواخت سازي با حجم ۱۱ مترمكعب وارد مي شد، به دست مي‌آمد. مواد مغذي، نيتروژن و فسفر (با ميزان ۱۰۰:۲:۱ براي COD:B:P ، تقريباً kg19/0 دي آمونيوم هيدروژن فسفات و kg12/0 اوره در هر مترمكعب ورودي و EDTA كلات كننده فلزات كمياب نظير Co, Mn, Fe و Ni با غلظت mg/L 02/0 نيز بطور دستي اضافه مي‌شد. در سپتامبر ۱۹۸۸ همچنين دو ماده پاك كننده اصلي كه براي نظافت داخل كارخانه استفاده مي شد و توسط مركز تحقيقات يوني ليور غيرسمي شناخته شده بود، در حدود غلظت مورد استفاده معمول به ورودي اضافه شد. اين ميزان شامل mg/L3/6 ماده پاك كننده قليايي غيريوني و mg/L 8/3 پاك كننده آنيوني خنثي بود.

مشخصات فاضلاب در فاصله زماني ژوئن ۱۹۸۸ تا اوت ۱۹۹۰ در جدول ۱ نشان داده شده است. تغذيه سيستم به سرعت باعث pH پائين فاضلاب موجود در مخزن نگهداري شد و به همين علت به خنثي سازي نياز داشت. اسيدي شدن فاضلاب ورودي در تانك يكنواخت سازي در تابستان به مراتب سريعتر از زمستان بود به طوري كه در مقادير اسيدهاي چرب فرار (VFA) توليد شده در فصول مختلف به ميزان ۷ برابر اختلاف نشان داده شد. محتويات حوضچه يكنواخت سازي به طور اتوماتيك و با استفاده از اضافه كردن NaOH به ميزان ۷ برابر اختلاف نشان داده شد. محتويات حوضچه يكنواخت سازي به طور اتوماتيك و با استفاده از اضافه كردن NaoH به ميزان mg/L 600-350 در pH حدود ۸/۶-۶/۶ تنظيم شد.

بهره برداري راكتور
ابتدا در ژوئن سال ۱۹۸۷، راكتورهاي فرايند تماسي، فيلتر بي‌هوازي و UASB با لجن غربال شده حاصل از هاضم بي‌هوازي لجن فاضلاب شهري بذردهي شد. متعاقب تغيير در تغذيه سيستم از خروجي واقعي كارخانه، محتويات هر چهار پايلوت خالي شده و در دسامبر ۱۹۸۷ توسط لجن غربال شده حاصل از هاضم‌هاي بي‌هوازي لجن فاضلاب لبنيات سازي مجدداً بذردهي شد.

در اكتبر سال ۱۹۸۸ بار ديگر راكتور فرايند تماسي خالي شد و سپس با لجن غليظ غربال شده پر شد. از هفته يازدهم سال ۱۹۹۰، عليرغم تداوم برگشت لجن و به منظور توقف توده ميكروبي در راكتور، به مدت دو ساعت قبل از عمل تغذيه و ۱۷ ساعت در شبانه روز در حين عمل تغذيه اختلاط صورت نگرفت. از هفته ۲۳ سال ۱۹۹۰ عمل برگشت فقط به مدت ۷ ساعت در روز صورت گرفت.

فيلتر بي‌هوازي براي سرعت جريان رو به بالاي ۱۷ متر در روز طراحي شد، اما اين ميزان حين بهره برداري تغيير مي كرد. در اكتبر ۱۹۸۹ مواد پركننده فيلتر از قسمت پائين حذف شد و باعث گرديد كه حجم فوقاني راكتور به ميزان ۳۱% افزايش پيدا كند. در حين اين كار فاضلاب به آهستگي از راكتور كشيده شد و در يك مخزن بسته نگهداري و سپس در طي سه روز بار ديگر به راكتور اضافه گرديد.

در سعي مجدد براي ايجاد گرانول در راكتور، بار ديگر UASB در ماه مارس ۱۹۸۹ با لجن غربال شده فاضلاب شهري به ميزان VSS kg 19 پر شد. اما بهر صورت ابعاد جداكننده فاز گاز ـ مايع ـ جامد طوري بود كه به مايع اجازه مي داد با سرعت رو به بالاي ۸۰ متر در روز از دهانه جداكننده عبور كند كه در واقع اين سرعت بيشتر از سرعت ته نشيني لجن به وجود آمده بود. مجدداً جداكننده‌اي براي بهره برداري با UASB در مارس ۱۹۹۰ و ژوئن همان سال با لجن غربال شده حاصل از هاضم بي‌هوازي تصفيه فاضلاب بستني سازي پر شد.

راكتور بستر شناور نيز در ژوئن سال ۱۹۸۹ با لجن غربال شده فاضلاب شهري بار ديگر بذردهي شد و مجدداً با ذرات ماسه جديد پر گرديد.
راكتور با جريان مايع رو به بالاي ۲۵ متر در ساعت با انبساط بستر ۳۹% – ۳۲% بهره برداري شد. در فوريه ۱۹۹۰ براي كاهش سرعت جريان رو به بالا، بستر راكتور با كربن فعال گرانوله تعويض و مجدداً با لجن فاضلاب شهري غربال شد و پساب خروجي راكتور فرايند تماسي بذردهي گرديد. به اين ترتيب سرعت جريان رو به بالاي مايع به ۱۶ متر در ساعت كاهش يافت و انبساط بستر به ۱۰% رسيد. ميزان بارگذاري آلي دراين راكتور بر اساس حجم كاري (حجم مفيد) L 525 محاسبه شد.

روشهاي آناليز
آناليز جامدات معلق (SS) ، VSS ، COD كل، مواد چربي، پروتئينها، هيدراتهاي كربن و قلياييت كل براساس كتاب استاندارد متد (۱۹۸۵) صورت پذيرفت. COD ته نشين شده در مايع فوقاني خروجي هاضم تعيين ته نشين شده در مايع فوقاني خروجي هاضم تعيين مي شد. اين مايع در يك ظرف استوانه اي به حجم cm3 100 و به مدت ۳۰ دقيقه ته نشين مي شد.

اسيدهاي چرب فرار بطور انفرادي توسط يك گاز كروماتوگراف مدل PU4500 (Pye-Unicam) داراي ستون WHP حاوي ۵% مادة جاذب FFAP با طول ۵/۱ متر و قطر داخلي mm 4 در دماي C 120 درجه با استفاده از نيتروژن به عنوان گاز حامل اندازه گيري مي شد. تركيب گاز نيز با استفاده از دستگاه آناليز كننده Gow Mac تعيين مي‌گرديد. قلياييت بي‌كربنات بوسيله تيتراسيون در pJ برابر ۷۵/۵ بر اساس روش رايپلي (۱۹۷۵) تعيين شد. سپس داده‌ها با استفاده از نرم افزار ميني تب آناليز و نمودارهاي مورد نياز تهيه گرديد.

نتايج و بحث :
عملكرد براساس فاضلاب كارخانه
در شروع كار در ژوئن سال ۱۹۸۷، راكتورها فاضلاب خروجي كارخانه را دريافت كردند. UASB و فيلتر بي‌هوازي ابتدا با معادل CoD/ 25/0 بهره برداري شد. پس از ۴ هفته مقدار به ۱kg COD/ افزايش يافت. اين افزايش تا زماني كه حذف COD به بيش از ۷۰% و ميزان VFA به كمتر از mg/1 400 رسيد، همچنان ادامه يافت. در اوت سال ۱۹۸۷ؤ فيلتر و UASB معادل kg COD. .d – ۵/۴ بود. اما از اين زمان به بعد كاهشي تدريجي در عملكرد اين راكتورها ملاحظه شد به طوري كه حذف COD به ميزان ۵۰% كاهش يافت و ميزان VFA افزايش پيدا كرد. در نوامبر سال ۱۹۸۷ با معادل kg COD/ .d 4، كل ميزان VFA در فيلتر بي‌هوازي و UASB به ترتيب به ۶۵۰ و ۱۱۰۰ ميليگرم در ليتر رسيد و توليد گاز در UASB متوقف شد. درست در همان مدت زمان، فرايند تماسي با ميزان بارگذاري kg COD/ .d5/2 بهره برداري مي شد. دراين حال راندمان حذف COD در حد ۸۰% – ۷۰% و مقدار VFA پايين و هيچ افزايشي در ميزان MLSS مشاهده نشد.

تجربيات آزمايشگاهي توسط تحقيقات يونيلور نشان داد كه راكتورها تحت تأثير تخليه حاصل از فرايند ديگري قرار گرفته‌اند. در حقيقت مواد پاك كننده مصرفي در محل باعث افزايش بيش از حد پاك كننده‌ها در فاضلاب شده بود و اين مسئله باعث اختلال در سيستم كار راكتور شده بود و عملاً امكان جدا كردن اين مقدار غيرمعمول از فاضلاب جهت انجام آزمايشات پايلوت وجود نداشت. لذا از ژانويه ۱۹۸۸ از يك فاضلاب مشابه (مصنوعي) استفاده شد.
عملكرد فرايند تماسي در حالت پايدار
عملكرد راكتور فرايند تماسي در دورة زماني هفته بيست و سوم سال ۱۹۸۹ تا هفته سي و هشتم ۱۹۹۰ در شكل ۱ نشان داده شده است.
تصوير بيانگر اين واقعيت است كه حفظ توده ميكروبي در اين راكتور به علت مشكلات توان با طراحي حوضچه ته نشيني و كيفيت ضعيف ته نشيني توده ميكروبي به سختي صورت مي گيرد. در ابتداي اين دوره زماني، پس از بذردهي راكتور با لجن بستني سازي، خروج توده ميكروبي از راكتور به مدت طولاني ادامه داشت. به طوري كه غلظت توده ميكروبي از راكتور به مدت طولاني ادامه داشت. به طوري كه غلظت توده ميكروبي در طول مدت ۷ ماه از ۶۰۰۰ به mgSS/L 1000 كاهش يافت. كشل ۱ مربوط به سه موقعيت زماني مختلف مي باشد كه راكتورها با مقدار بيشتري توده ميكروبي حاصل از فاضلاب لجن هضم شده فاضلاب شهري (حاوي kgSS12) به دست آمده از پايلوت فيلتر بي‌هوازي تغذيه گرديد. اين زمان با هنگام حذف مقداري از مواد نگهدارندة بستر (آكند) و در نتيجه از دست رفتن مقدار بيشتري از لجن هاضم لبنيات سازي مصادف بود.

در ماههاي قبل زماني كه راكتور بدون بهم زدن به مدت ۱۹ ساعت در روز بهره برداري شد، MLSS به آرامي شروع به افزايش نمود ولي COD كل بطور ثابت حدود ۸۰% كاهش را نشان مي داد. حتي در زماني كه MISS كمتر از mg/L2000 بود، اين موضوع صحت داشت. ضمناً HRT با بارآلي بين kg COD/ .d2-1 به طور متوسط سه روز بود. همانگونه كه در شكل ۱ مي‌توان مشاهده كرد در فاصلة زماني ماههاي مارس تا اوت سال ۱۹۹۰ (هفته دهم تا سي و هشتم) و دراين سرعت بازگذاري مقادير VFA در مقايسه با ۹ ماه قبل كه ميزان بار آلي فقط براي مدت ۷ هفته به ميزان kg COD/.d2-1 زياد شده بود، بيشتر شد.

لذا مي‌توان نتيجه گرفت كه گرچه حذف COD دراين راكتور بسيار خوب بود ولي داراي انعطاف پذيري كمي در مقابل تغييرات بار آلي كه ممكن است در صنايع فصلي مانند بستني سازي اتفاق بيفتد، مي باشد.