خلاصه

در این مقاله سیستم تصفیهخانه فاضلاب همدان را که با روش Step-Feed احداث گردیده مورد مدلسـازی قـرار گرفـت و مدلی برای فرایند Step-Feed چهار مرحلهای به منظور ارتقاء کاربرد این فرایند در حذف نیترات با بررسی اثـر تغییـر نسـبت توزیع خوراک ورودی روی نتایج خروجی به وسیله نرمافزار متلب ارائه شد. ۴ آزمایش انجام شده که هر کدام خود شامل ۲۰ آزمایش متفاوت از لحاظ نسبت توزیع خوراک میباشد. دبی فاضلاب خام ورودی در محدوده ۱۳۰۰۰ تا۷۰۰۰۰ متر مکعب بر روز میباشد. حجم نواحی تصفیه که شامل قسمتهای بیهوازی، غیرهوازی و هوازی میباشد در طول آزمایشها ثابت در نظر گرفته شده است. یکی از تستها با نسبتهای ورودی q1=0/4، q2=0/3، q3=0/2 وq4=0/1 دارای کمترین غلظت برای NO3 خروجی و NH4-N میباشد. نتایج دورههای آزمایشی نشان میدهد کمترین غلظـت BOD، بیشـترین غلظـت آمونیاک و نیترات خروجی نیز مربوط به تستی با بیشترین زمـان مانـد و نسـبتهـای ورودی q1=0/1، q2=0/2، q3=0/3 وq4=0/4 میباشد.

کلید واژه: تصفیه بیولوژیکی فاضلاب، تغذیه مرحلهای، نیتراتزایی، نیتراتزدایی

.۱ مقدمه

با توسعه شهرنشینی و افزایش جمعیت و گسترش صنایع، روز به روز بر اهمیـت کنتـرل آلـودگی محـیط زیسـت و همچنـین استفاده مجدد از آب افزوده میگردد. فاضلابها یکی از عوامل آلودگی محیط زیست هسـتند کـه بایـد آنهـا را بـه طریـق بهداشتی جمعآوری، تصفیه و به منظور استفاده مجدد به گردش آب در طبیعـت برگردانـد .[۴] تصـفیه بیولـوژیکی فاضـلاب عبارت است از تغییر فرم آلایندههای آلی محلول و معلق به فرم توده باکتریایی (بیومس) و آزادسـازی گازهـایی نظیـر CO2، CH4، N2 و .[۳]SO2 اهداف اولیه تصفیه، شامل کاهش اکسیژن خواهی بیولوژیکی، کل مـواد جامـد معلـق، ارگـانیزمهـای بیماریزا در سطوح بالاتری ادامه داشته است. جداکردن مواد مغذی نظیر نیتروژن و فسفر نیز در چند دهه اخیـر مـورد توجـه قرار گرفته است. [۴]

در مقایسه با فرآیندهای فیزیکی- شیمیایی تصفیه فاضلاب، فرآیندهای بیولوژیکی به دلیل تأثیر بیشتر و ارزانتر بودن ترجیح داده میشوند. تصفیه بیولوژیکی مواد مغذی به وسیله سیستم لجن فعال کربن نیتروژن و فسفر را بـه صـورت بیولـوژیکی بـا هزینه کم و تولید لجن اضافی کمتر تصفیه میکند. فرآیندهای بیولوژیکی مورد استفاده برای حذف نیتروژن و فسفر بر اساس سه مرحله فسفرزدایی، نیتراته کردن و نیتراتزدایی انجام میگیرند.[۶] فرآیند تغذیهی مرحلهایی اصلاح شده (UCT) روشـی مؤثر و نوین در تصفیهی زیستی فاضلاب به شمار میرود. این فرآیند از ترکیب سه ناحیهی بیهوازی/ غیرهوازی/ هوازی در مرحله اول و دو ناحیهی غیرهوازی/ هوازی در مراحل بعد تشکیل شده است که به صورت متناوب پشت سرهم قرارگرفتهاند. فاضلاب ورودی بین نواحی غیرهوازی توزیع میشود. این فرآیند در حذف همزمان کربن، نیتـروژن و فسـفر کـارایی بـالایی دارد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی کارایی فرآیند تغذیهی مرحلـهای درحـذف نیتـروژن، تعیـین نسـبت بهینـهی ورودی فاضلاب به هر کدام از مراحل و تعیین بازده فرآیند برای حذف BOD، نیتروژن آمونیاکی و نیترات بود.[۵]

از آنجایی که به دنبال ارتقاء و پیشرفت کاربرد فرآیندهای Step-Feed میباشیم و به لحاظ اقتصادی، عدم وجود امکانـات و صرف زمان زیاد، با استفاده از آزمایشهای مکرر نمیتوان تغییرات خوراک را روی پارامترهای فاضلاب بررسی کرد، نیـاز بـه یک مدل مناسب داریم، بنابراین در این تحقیق، مدل مذکور در محیط برنامهنویسی متلب کدنویسی شده و اثر تغییر خـوراک ورودی، بر روی پارامترهای فاضلاب بررسی شد. درک مشخصات مختلف فاضلاب و انواع رنجهای مربوط به آنها به اپراتور در دستیابی به تصفیه مؤثر و رفع نقوص فرایندها کمک میکند. تصفیهخانههای فاضلاب عموماً برای ظرفیتهـای بیشـتر از جریان ورودی طراحی میشوند، درک مشخصات مختلف فاضلاب و انواع رنجهای مربوط به آنها به اپراتور در دسـتیابی بـه تصفیه مؤثر و رفع نقوص فرایندها کمک میکنند.[۱]

در حال حاضر بسیاری از تصفیهخانههای فاضلاب در حال ارتقاء کمی و کیفی هسـتند، ایـن تغییـرات بـه دلیـل نیـاز بـه فاضلاب تصفیه شده بیشتر با رعایت استانداردهای سخت گیرانهتر انجام میشود. نیـاز بـه آب بـرای آبیـاری یـا اسـتفاده در کشتهای مختلف کشاورزی و توسعه جنگلها ایجاب میکند که ارتقاء کمی و کیفی روی تصفیهخانههـای فاضـلاب فعلـی انجام شود. در راهاندازی و راهبری راکتورهای تغذیه مرحلهای همواره ابهام نحوه خوراکدهـی در مراحـل مختلـف و میـزان جریان برگشتی و رسیدن به حدّ غلظت میکروارگانیسمها جهت نیل به تصفیه بهینه و کاهش NO3 وP همواره وجـود داشـته است. این تحقیق با مدلسازی پدیده نیتراتزایی و نیتراتزدایی که به صورت همزمان با کاهشBOD و COD انجام مـی-

شود، ابهام فوق را مرتفع خواهد کرد. در واقع با در دست داشتن دادههای تجربی تصفیهخانههای بزرگ کشور(همدان) و خارج کشور می توان راهبری تصفیهخانههایی شامل تکنولوژی Step-Feed به صورت قابل قبولی مشابهسازی شود. با این مـدل-

سازی می توان رفتارهای دینامیک مربوط به نسبت توزیع خوراک و انجام پدیدههای نیتراتزایی، نیتراتزدایی و فسـفرزدایی را پیشبینی نمود.[۲]

.۲ روش تحقیق

در این تحقیق نسبت ورودیهای مختلف نسبت به ورودی کل برای هر مرحله، با ثابت در نظر گرفتن مشخصـات فاضـلاب طی ۲۰ آزمایش برای ۴ شدت جریان مختلف با مشخصات متفاوت بررسی شد و نتایج آنها بـر روی پارامترهـایی از جملـه غلظت BOD خروجی، غلظت نیترات و نیتروژن آمونیاکی در خروجی مورد تحلیل قرار گرفت. نحوه انتخاب این تستهـا بـه این صورت بوده است که در هر آزمایش بیشترین ورودی به یک مرحله وارد شده و تغییرات پارامترهای فاضلاب بررسی شد. از بین تستهای انجام شده بهترین تست با توجه به نتایج خروجی انتخاب میشود. حجم کل ثابت و برابـر بـا ۲۲۳۲۰m3 میباشد که به یک ناحیه بیهوازی، و چهار ناحیه غیرهوازی و چهار ناحیه هوازی مطابق با شکل ۱ تقسیم شده است. شـدت جریان طراحی تصفیهخانه همدان برابر با ۵۵۳۰۰ m3/d میباشد. همانطور که در جدول ۱ میبینیم در ۴ آزمـایش انجـام شده نسبتهای مختلفی از این شدت جریان ارائه شده است.

شکل -۱ شمایی از سیستم مدل شده تغذیه ۴ مرحلهای

.۳ بحث و نتایج

در جدولهای ۲تا ۵ تاثیر نسبت ورودیهای مختلف را بر روی چهـار پـارامتر BOD، TKN، نیتـروژن آمونیـاکی خروجـی (NH4-N) و نیترات خروجی (NO3) در هر مرحله برای مشخصات انتخابی مربوط به آن نشان داده شده است. در نمودار ۱ در قسمتهای C و D مشاهده میشود که بهترین حالت خوراک دهی به منظور بهبود زدایش نیترات و آمونیـاک در سیسـتم تغذیه ۴ مرحلهایی با اختصاص بیشترین مقادیر از خوراک ورودی به اولین و دومین مرحله از سیستم و مقـادیر کمتـر بـه دو مرحله آخر میباشد. از بین ۲۰ تست انجام شده در آزمایش۱ تست هیجـدهم بـا نسـبتهـای ورودی q1=0/4، q2=0/3، q3=0/2 وq4=0/1 دارای کمترین غلظت برای NO3 خروجی و NH4-N به ترتیب برابر با ۴/۳۷mg/L و ۰/۱۱ مـی-

باشد. این نتیجه در آزمایشهای ۲ و ۳ نیز با اندکی تغییر در غلظت نیترات به ترتیـب برابـر بـا ۳/۱۸ mg/L و ۲/۶۹ و آمونیاک خروجی برابر با ۰/۲۰mg/L و ۰/۴۱ تکرار میشود. همان طـور کـه در نمـودار ۳-C مشـاهده کـردیم چنانچـه سیستم Step-Feed تحت بهرهبرداری صحیح قرار گیرد، میتوان به غلظتهـای کمتـر از میـزان اسـتاندارد((۱۰mg/L تـا ۳-۵mg/L و حتی با خوراک دهی صحیح به غلظتهای زیر ۳mg/L برای نیترات خروجی نیز دست یافت.

همانطور که در نمودارهای ۴ میبینیم با افزایش شدت جریان ورودی و رقیقتر شدن فاضلاب و کاهش غلظت مشخصـات آن وابستگی غلظتهای خروجی به نحوه توزیع خوراک کمتر خواهد شد. در نمودار ۴-C مشاهده میشود که کمترین غلظت نیترات خروجی در تست شماره ۱۹ با نسبتهای ورودی q1=0/5، q2=0/1، q3=0/2 وq4=0/2 برابـر بـا ۲/۸۴mg/L به دست میآید.

در نمودار ۴-C میبینیم کمترین غلظت آمونیاک خروجی در تست شماره ۱۸ برابر بـا ۱/۲۴mg/L حاصـل مـیشـود. در آزمایشهای ۱، ۲، ۳ و ۴ مشاهده میشود که غلظتی کمتر میزان غلظت استاندارد آمونیـاک((۱/۵mg/L بـه دسـت آمـد. البته ممکن است در فصول بارندگی یا شرایط دیگر در حجمهایی که برای تصفیه فاضلاب ورودی مناسب نیستند بـه وجـود آیند، راهبری سیستم تغذیه مرحلهایی متفاوت و نیازمند راهکارهای دیگری مانند افزایش زمان ماند از طریـق افـزایش حجـم نواحی تصفیهخانه، جهت بهبود زدایش پارامترهای خروجی از جمله آمونیاک و BOD میباشد.

همچنین باتوجه نمودارهای C و D در هر آزمایش درمییابیمکه دو پارامتر نیترات خروجی و آمونیاک خروجی کاملاً متناسب با یکدیگر هستند. همچنین با توجه به مقدار غلظتهای به دست آمده در جداول ۲، ۳ و ۴ مشاهده شد کـه میـزان غلظـت آمونیاک خروجی از هر مرحله با نسبت توزیع فاضلاب ورودی به آن مرحله نسبت مستقیم دارد به همین دلیل انتخاب نسبت-های کمتری از فاضلاب ورودی برای مرحله آخر نتایج بهینهای برای خروجیها بدست میدهد. بنابراین میتوان گفت که در بیشتر موارد دسترسی به نتایج بهینه در خروجی برای نیتروژن آمونیاکی و نیترات با اختصاص مقادیر بیشتر به اولین و دومـین مرحله از سیستم و مقادیر کمتر به مراحل سوم و چهارم با رعایت روند کاهشی برای این دو مرحله امکان پذیر میباشد.

در هر ۴ آزمایش انجام شده بیشترین میزان غلظت آمونیاک خروجی مربوط به تست شـماره ۱ بـا نسـبت ورودی q1=0/1، q2=0/2، q3=0/3 وq4=0/4 با بیشترین زمان ماند میباشد. و همچنین بیشترین غلظت نیتـرات خروجـی در ۴ آزمـایش اول نیز مربوط به همین تست میباشد. در صورتی که بیشترین غلظت نیترات خروجی در آزمـایش پـنجم مربـوط بـه تسـت شماره ۱۸ میباشد.

قسمتهای a در هر نمودار نتایج بدست آمده برای غلظت BOD را در ۲۰ تست انجام شده نشان مـیدهـد. نمودارهـای a نشان دادند که اختصاص کمترین نسبت توزیع خوراک به مرحله اول از سیستم و داشتن روند افزایشی برای مراحل بعد باعث داشتن زمان ماند طولانیتر و غلظت BOD کمتر در خروجی خواهد شد. که با توجه به شـدت جریـان ورودی و مشخصـات انتخاب شده برای آن سبب ایجاد خروجیهای غیر استاندارد میشود