هضم بی هوازی یکی از قدیمی ترین و پر کاربرد ترین فرایند های تثبیت لجن فاضلاب در تصفیه خانه های با دبی بیش از 20000 متر مکعب در روز، است. این فرایند مواد جامد الی در لجن را در غیاب اکسیژن به محصولات نهایی مانند متان، دی اکسید کربن و مواد بی ضرر تبدیل می کند. کاهش کلی مقدار مواد جامد و نابودی پاتوژنها نیز در فرایند انجام می گیرد.
تئوری هضم بی هوازی :
هضم بی هوازی متشکل از چندین مرحله متوالی واکنش‌های شیمیایی و بیوشیمیایی تشکیل‌شده است که شامل آنزیم‌ها و محیط مختلط میکرو ارگانیسم‌ها می‌شود.
در این فرایند تجزیه لجن بدین ترتیب است که مواد آلی طی سه مرحله به موارد ریزتر تبدیل‌شده و نهایتا خروجی به شکل گاز متان و گازهای مختلف از سیستم به همراه مواد تجزیه‌شده خارج می‌شود.
همان‌طور که گفته شد این فرایند شامل سه فاز کلی می‌باشد:
- هیدرولیز
- اسیدسازی
- متان سازی
شکل ساده‌ای از فرایندهای هضم بی هوازی
فاز اول : هیدرولیز
در این فاز ترکیبات پیچیده‌ای مانند کربوهیدرات‌ها، پروتئین ها و لیپید ها به شکل حل‌شدنی تبدیل و به منومر های ساده هیدرولیز می‌شود. هیدرولیز یک مرحله محدودکننده‌ی سرعت در فاز اسیدسازی است.
فاز دوم : اسیدسازی
در این فاز باکتری‌های بیماری زا اسید ساز محصولات فاز اولیه را به اسیدهای آلی با زنجیره کوتاه مانند استیک اسید، پروپیونیک اسید و لاکتی; اسید و لاکتیک اسید و هیدروژن و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کنند.
فاز سوم : متان سازی
باکتری‌های متان ساز اسیدهای فرار را به متان تبدیل می‌کنند. این فاز آخرین مرحله در تجزیه مواد الی به شکل بی هوازی می‌باشد.
ویژگی‌های باکتری‌هایی که در سه فاز مزبور نقش دارند:
باکتری‌های تشکیل دهنده‌ی اسید به همراه باکتری‌های تشکیل دهنده‌ی متان بیشترین نقش را در فرایند هضم بی هوازی لجن ایفا می‌کنند. این میکرو ارگانیسم‌ها شامل باکتری‌های بی هوازی اختیاری (که ترکیبات آلی محلول و ساده را تخمیر می‌کنند) و باکتری‌های بی هوازی مطلق (که کربوهیدرات‌ها و پروتئین ها را تجزیه می‌کنند) می‌باشند.
کیفیت فرایند تجزیه لجن در شرایط بی هوازی به شرایط محیطی و سازوکار باکتری‌ها بستگی دارد لذا تغییر در شرایط بهره‌برداری که منجر به تغییر گونه‌های غالب باکتریایی می‌شود باعث تغییر در غلظت اسیدها و الکل‌ها به‌طور قابل توجهی میزان سوبسترا های موجود برای باکتری‌های تشکیل دهنده متان و فعالیت آنها و در نتیجه عملکرد هاضم را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
باکتری‌های اسید ساز:
این‌گونه از باکتری‌ها در اجرای فاز دوم تخمیر نقش اساسی دارند. این‌گونه از باکتری‌ها دارای زندگی مسالمت آمیزی با باکتری‌های تولیدکننده‌ی متان هستند.
اسید ساز ها اغلب باکتری‌های اختیاری هستند و در برابر تغیرات PH و دما نسبتاً مقاوم هستند. باکتری‌های اختیاری می‌توانند از اکسیژن محلول در متابولیسم استفاده کنند.
اسید ساز ها زمان تقسیمی در حدود چند ساعت دارند و می‌توانند در شرایط مختلف محیطی عمل کنند.
باکتری‌های متان ساز:
باکتری‌های تولیدکننده متان نام‌های مختلفی دارند و ازنظر مرفولوژی (ریخت‌شناسی) گروه متفاوتی از ارگانیسم‌ها هستند که دارای شکل‌ها، الگوی رشد و اندازه‌های متنوعی هستند
این باکتری‌ها در دمای های بالا به خوبی رشد می‌کنند. این‌گونه از باکتری‌ها حساس به اکسیژن هستند وبی هوازی اجباری هستند.
نام‌های رایج که برای این‌گونه در نظر می‌گیرند:
- متانوژیک ها
- متانوژن ها
- متان سازها
برخی از اشکال این باکتری‌ها در تصاویر زیر نمایان است:
متان سازها ذاتا آهسته رشد می‌کنند و سرعت تقسیم آنها چند روز است و همچنین تغییرات کم PH و دما تأثیرات مضری بر آنها دارد.
زمانی که هاضم تحت استرس نوسانات دمایی یا بار شوک قرار می‌گیرند تولید متان نسبت به تولید هیدروژن و اسید به تأخیر می‌افتد.
در سیستم‌های هضم بی هوازی لجن اسیدسازی و متان سازی در تعادل پویا قرار دارند، به این معنی که بعد از تبدیل مواد آلی به اسیدهای فرار و هیدروژن، این مواد با همان نرخی که تشکیل شده‌اند به متان و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌شوند. بنابراین در هاضم که خوب کار می‌کند مقدار هیدروژن و اسیدهای فرار کم است.
عوامل محیطی
مهم‌ترین عوامل مؤثر بر واکنش‌های بی هوازی عبارت اند از:
- زمان ماند مواد جامد (SRT)
- زمان ماند هیدرولیکی (HRT)
- دما
- PH
- قلیاییت
- وجود مواد سمی
- SRT
مهم‌ترین عامل در هاضم بی هوازی این است که باکتری‌ها زمان کافی برای تکثیر و سوخت ساز مواد جامد فرار را در اختیار داشته باشند.
SRT: زمان میانگینی است که مواد جامد در هاضم می‌مانند. سه واکنش سیستم هضم بی هوازی به‌طور مستقیم به این پارامتر مرتبط است. با افزایش SRT میزان توسعه واکنش‌ها زیاد می‌شود و بالعکس.
با کاهش SRT غلظت اجزای لجن خروجی به‌تدریج زیاد می‌شود تا اینکه مقدار SRT به حدی برسد که پس از آن غلظت به سرعت افزایش می‌یابد.
در سیستم‌های هاضم لجن بی هوازی SRT و HRT برابر در نظر گرفته می‌شود و تأثیرگذاری مشابه در سیستم دارند.
: دما دما اثر مهمی در نرخ رشد باکتری‌ها می‌گذارد از این رو بین SRT و عملکرد هاضم را تغییر می‌دهد. دمای 20 درجه سانتی گراد حداقل دمایی است که می‌توان لجن را تثبیت کرد.
بیشتر هاضم ها در دمای 30 تا 38 درجه‌ی سانتی گراد کار می‌کنند.
حفظ دمای بهره‌برداری پایدار در هاضم، مهم است. نوسانات مکرر و شدید دما روی باکتری‌ها به‌ویژه متان سازها اثر می‌گذارد.
PH و قلیاییت : باکتری‌های متان ساز به‌شدت به PH حساس اند.PH بهینه برای متان سازها حدود 6.8 تا 7.2 است. اسیدهای تولیدشده در فاز اسیدسازی PH را کاهش می‌دهند. متان سازها با تولید قلیاییت به صورت دی‌اکسید کربن آمونیاک و بی‌کربنات با این کاهش مقابله می‌کند.
مواد سمی : بسیاری از مواد برای باکتری‌ها در هاضم بی هوازی سمی اند، اما فلزات سنگین، کاتیون فلزات سبک، آمونیاک، سولفید و برخی مواد معدنی اهمیت دارند.
آزمایش‌ها در سال‌های متمادی پنج نوع فرایند اصلی هضم بی هوازی لجن را نتیجه داده است:
- هضم با نرخ پایین
- هضم با نرخ بالا
- هضم ترموفیلیک
- هضم دومرحله‌ای
- هضم دو فازی
هضم با نرخ پایین
ساده‌ترین و قدیمی‌ترین نوع فرایند اصلی هضم بی هوازی لجن هضم با نرخ پایین است. شکل شما تیک این روش در شکل زیر قابل‌مشاهده می‌باشد.
طراحی این واحد بدین ترتیب است که این هاضم ها به شکل مخازن استوانه‌ای می‌باشد که قسمت پایینی آن شیب‌دار بوده و قسمت بالایی نیز پوشانده می‌شود.
در این سیستم هیچ اختلاطی صورت نمی‌گیرد اگرچه بالا رفتن گازهای تولیدی باعث ایجاد مقداری همزنی در سیستم می‌شود. به دلیل عدم همزنی در این سیستم لایه‌بندی به وجود می آید.
هضم لایه‌بندی در شکل زیر مشخص‌شده است.
در نهایت لجن‌های ته‌نشین شده در کف از سیستم جدا می‌شود و خروجی لایه شناور (این لایه در لایه‌بندی به وجود می آید) به ورودی تصفیه‌خانه انتقال داده می‌شود.
هضم با نرخ بالا
در دهه‌ی 1950 پیشرفت‌هایی در هضم با نرخ پایین صورت گرفت که منتج به سیستم هضم بی هوازی با نرخ بالا شد.
گرمایش؛ اختلاط تکمیلی؛ تغلیظ لجن خام و خوراک دهی یکنواخت به عنوان ملزومات سیستم هضم بی هوازی با نرخ بالا با اثر توأمان برای ایجاد محیط یکنواخت عمل می‌کنند. در نتیجه حجم مخزن کاهش و پایداری کارایی فرایند بهبود می‌یابد.
شکل زیر طراحی شماتیک را نشان می‌دهد.
از ویژگی‌های مهم این روش استفاده از مبدل‌های حرارتی است که نقش بسیار مهمی در راهبری هاضم ها دارند.
به علت انعطاف‌پذیری و سهولت نگهداری استفاده از مبدل‌های حرارتی خارجی معمول‌ترین روش‌های گرمایشی است.
استفاده از اختلاط کمکی مزایای زیر را دارد:
- کاهش لایه‌بندی حرارتی
- پراکنش لجن خام به منظور تماس بهتر با بیوماس
- کاهش تولید کف
- رقیق‌سازی مواد بازدارنده
- افزایش حجم مؤثر راکتور
- معلق نگه‌داشتن مواد معدنی
هضم ترموفیلیک:
اکثر هاضم های نرخ بالا در دمای 30 تا 38 درجه‌ی سانتی گراد کار می‌کنند. باکتری‌هایی که در این حدود دمایی رشد می‌کنند مزوفیلیک هستند.
گروه دیگری از میکرو ارگانیسم‌ها که در حدود دمایی 50 تا 57 درجه سانتی گراد رشد می‌کنند ترموفیلیک نامیده می‌شود.
مزایای این روش:
- افزایش نابودی پاتوژن ها
- نرخ سریع‌تر واکنش و در نتیجه تخریب سریع مواد جامد فرار
معایب این روش:
- افزایش انرژی موردنیاز برای گرمایش
- قابلیت زیاد ایجاد بو
- قابلیت آبگیری اندک
این واحد از لحاظ عملکرد مشابه روش قبلی است ولی به دلایل وجود معایب مزبور امروزه کاربرد زیادی ندارند.
هضم دومرحله‌ای:
با توجه به شکل زیر هضم دومرحله‌ای در یک مخزن هضم با نرخ بالا که به مخزن دوم (هاضم ثانویه) متصل است، انجام می‌گیرد.
مخزن دوم نه گرم می‌شود و نه هم زده می‌شود.
وظیفه اصلی آن تراکم ثقلی مواد جامد هضم شده و سرریز کردن لجن آب است.
سرریز کردن، حجم لجن هضم شده که به فراوری بیشتر نیاز دارد،را کاهش می‌دهد. هاضم ثانویه با درپوش شناور می‌تواند لجن هضم شده و گاز هاضم را ذخیره کند. در مخزن ثانویه گاز بسیار کمی تولید می‌شود و همچنین مقدار بسیار کمی از مواد جامد کاهش می‌یابد.
مکانیسم این روش بدین ترتیب است که در تانک اول عمل مداوم اختلاط و گرم کردن لجن انجام می‌گیرد و در مرحله‌ی دوم نیز لجن لایه‌بندی می‌شود و لجن تغلیظ شده و دران ذخیره می‌شود.
هضم دوفازی:
با توجه به مطالب ارائه‌شده در قسمت اول مقاله‌ی هاضم بی هوازی در خصوص واکنش‌هایی که در این هاضم رخ می‌دهد در صورتی که دو فاز اصلی فرایند تخمیر را از هم جدا کنیم و شرایط را طوری به وجود بیاوریم که دو واکنش در دو مخزن به صورت جداگانه انجام بگیرد در آن صورت ما مخازن هاضم های لجن را به صورت دو فازی طراحی کرده‌ایم.
درواقع اساس کار در این روش این است که در مخزن اول مرحله‌ی اسیدسازی تخمیر انجام می‌گیرد و در مخزن دوم عمل متان سازی انجام می‌گیرد.
در مخزن اول زمان ماند 1 تا 2 روز در نظر گرفته می‌شود. اسیدیته این مرحله 5.5 تا 6.5 می‌باشد؛ اما در راکتور دوم زمان ماند 10 روز را در نظر می‌گیرد.
مزایای این روش:
- مواد جامد فرار؛ بیشتر کاهش می‌یابد
- افزایش تولید متان
- افزایش نابودی پاتوژن ها
- کاهش مشکلات کف
- پایداری بهتر فرایند هضم
مخازن هاضم های بی هوازی:
عمدتاً این مخازن به شکل مستطیلی، استوانه‌ای یا به شکل تخم‌مرغی می‌باشد. مخازن تخم‌مرغی که پنجاه سال پیش در المان به کار گرفته شد و در این سیستم شن به راحتی با توجه به شیب زیاد قسمت پایینی ته‌نشین می‌شود. همچنین جمع‌آوری کف در این سیستم راحت‌تر است.
