هدف اصلی در سیستم UASB حذف آلاینده های آلی از فاضلاب، پساب و لجن می باشد چرا که تصفیه بی هوازی فاضلاب فرآیندی است که در آن با استفاده از روش های بیولوژیکی و بدون استفاده از هوا یا اکسیژن اقدام به تصفیه فاضلاب می کنند. میکروارگانیسم های بی هوازی، آلاینده‌های آلی را به بیوگاز که شامل متان و کربن دی اکسید است، تبدیل می نماید.
راکتور پتوی لجن بی هوازی با جریان رو به بالا (UASB)
تکنولوژی پتوی لجن با جریان رو به بالا که با نام راکتور UASB نیز شناخته می شود، نوعی هاضم بی هوازی می باشد که از آن برای تصفیه فاضلاب استفاده می شود. راکتور UASB نوعی هاضم تولید کننده متان است که با به کارگیری فرآیند و میکروارگانیسم های بی هوازی، پتوی لجن دانه ایی تشکیل می دهد.
مفهوم و طراحی
اساس کار راکتور UASB بر مبنای سیستمی به عنوان جداکننده سه فازه می باشد که راکتور را قادر می سازد تا گاز، آب و مخلوط لجن را تحت شرایطی با میزان آشفتگی بالا، از هم جدا کند. این عملکرد موجب فشرده شدن پکیج و به دنبال آن کاهش هزینه ها می شود.
راکتور برای جداسازی بیوگازها دارای دودکش ها (دریچه های) متعددی می باشد. به دلیل آنکه مرز مشترک بزرگ میان آب و گاز موجب کاهش شدید آشفتگی جریان می شود، لذا بارگذاری‌های نسبتا زیاد (۱۰ تا ۱۵ kg/m3) ممکن خواهد بود. جداسازی در راکتورهای UASB تنها به ۱ متر ارتفاع نیاز دارد که همین امر مانع از بروز اثرات شناور سازی در لایه های بالاتر و در نتیجه تشکیل لایه های شناور در منطقه دلخواه می شود.
به طور کلی در طول فرآیند تصفیه توسط راکتورهای UASB، زیر لایه ها از یک بستر لجن گسترش یافته عبور می کنند که حاوی زیست توده هایی (بیومس) با غلظت بالا می باشند. پس از آن، قسمت های باقی مانده ی زیرلایه ها از زیست توده هایی با تراکم کمتر که پتوی لجن نامیده می شوند، عبور می کنند.
جریان فاضلاب ورودی توسط پمپ، از پایین (کف) وارد راکتور UASB می شود. جریان ورودی در حین حرکت رو به بالای خود با زیست توده های موجود در بستر لجن تماس پیدا نموده و سپس با ادامه ی حرکت رو به بالای خود، سایر زیر لایه ها مجدداً با زیست توده هایی که غلظت آن ها در مقایسه با بسترهای لجن پایینی بسیار کمتر می باشد، واکنش می دهد.
حجم پتوی لجن باید مقداری باشد که توانایی تصفیه تکمیلی بر روی فاضلاب برگشتی از لایه‌های زیرین بستر لجن را نیز داشته باشد. در عین حال این کار موجب ثبات کیفیت جریان خروجی نیز می گردد. یک جدا کننده سه فازی (گاز – مایع – جامد یا GLS) که در بالای پتوی لجن قرار دارد، وظیفه ی جداسازی ذرات جامد را از مخلوط (گاز، مایع و جامد) پس از تصفیه بر عهده دارد و به این ترتیب گاز و مایع می توانند از راکتور UASB خارج شوند.
سپس فاضلاب تصفیه شده توسط سیستم جمع آوری خروجی که شامل آبشخورها یا لاندر می‌باشد که در سرتاسر منطقه تخلیه وجود دارند، جمع آوری شده و به مخزن اصلی فرستاده می‌شود. بیوگاز تولید شده نیز پس از جمع آوری برای دفع یا استفاده به عنوان سوخت از سیستم خارج می شود.
در مطالعه ای که بر روی ۶۸۲ تصفیه خانه صورت گرفت، متوسط بارگذاری طراحی شده برای سیستم UASB مقدار ۱۰kgCOD/m3.d بود.
ارتفاع و سطح راکتور UASB
در راستای کاهش فضای مورد نیاز برای تصفیه خانه (کاهش هزینه خریداری زمین تصفیه خانه) راکتور UASB باید تا جای ممکن بلند در نظر گرفته شود. همچنین طراحی باید به گونه ای صورت گیرد که ارتفاع بستر لجن کافی بوده و سرعت جریان در حداکثر مقدار مجاز ( ۱/۲ تا ۱/۵ m/h ) قرار گیرد. بنابراین ارتفاع بستر لجن می بایست حداقل در حدود ۲/۵ – ۱/۵ متر باشد، و همچنین خود راکتور برای تامین فضای مناسب برای بستر لجن، پتوی لجن و جدا ساز سه فازه به ۴ متر ارتفاع نیاز دارد. آن طور که در استانداردهای موجود بیان شده است بیشترین ارتفاع مجاز برای راکتور ۸ متر می باشد، اما ارتفاع مناسب و کاربردی برای مصارف معمول بین ۴/۵ تا ۶ متر است.
در بیشتر مواقع بستر لجن ۳۰ تا ۶۰ درصد از حجم کلی راکتور را به خود اختصاص می دهد و پتوی لجن نیز ۲۰ تا ۳۰ درصد و ۱۵ تا ۳۰ درصد باقی مانده از حجم کلی نیز سهم جداساز GLS است.
جداساز گاز، مایع و جامد (GLS)
هدف اصلی از طراحی این این بخش، تسهیل برگشت لجن بدون نیاز به استفاده از انرژی خارجی یا تجهیزات کنترلی می باشد. وظیفه ی اصلی جداساز GLS مهیا نمودن سطح تماس کافی و مناسب بین گاز و آب در درون محفظه گاز، مهیا نمودن سطح کافی ته نشینی در خارج از محفظه برای کنترل مقدار سرریز سطح و باز شدن کافی روزنه های (سوراخ ها) کف برای پیشگیری از ایجاد آشفتگی به علت سرعت بالای جریان ورودی در بخش ته نشینی و برگشت مقدار کافی جامدات به راکتور UASB می باشد. توجه به هندسه و ویژگی های هیدرولیکی واحد، از عوامل مهم در اطمینان از عملکرد مناسب جداساز GLS می باشد.
مقایسه فرآیندهای هوازی و بی هوازی
جدول بالا مقایسه روش تصفیه هوازی با تصفیه بی هوازی برای فاضلابی با ۱۰۰۰kgCODB/d می باشد.
کاربردها و موارد استفاده از سیستم UASB
• صنایع تولید نوشیدنی
• صنایع تخمیر و تولید الکل
• صنایع غذایی
• صنایع کاغذ
مزایای UASB
• در طول فرآیند تصفیه، حجم قابل توجهی از بیوگازهای ارزشمند جمع آوری می شود که می توان پس از جمع آوری از آن ها استفاده نمود.
• تولید بسیار کمتر جامدات زائد بیولوژیکی در مقایسه با فرآیندهای هوازی، چرا که بیشتر انرژی موجود در فاضلاب در این روش صرف تولید محصولات گازی شده و در نتیجه انرژی چندانی برای رشد سایر سلول ها باقی نمی ماند.
• نیاز کم به انرژی برای انجام فرآیند تصفیه
• نیاز کمتر به مواد مغذی
• توانایی از مدار خارج نمودن سیستم برای مدت زمان طولانی بدون بروز خسارت های جدی
• توانایی مدیریت شوک های آلی
معایب UASB
• تصفیه بی هوازی بدون استفاده از تصفیه تکمیلی توانایی تامین استانداردهای لازم برای تخلیه خروجی به آب های سطحی را ندارد
• تولید ترکیبات کاهش یافته سولفور و نیاز توجه جدی به آن ها (به دلیل خوردگی، بوی نامطبوع و موارد ایمنی)
• طولانی بودن مدت زمان راه اندازی
• نیاز فرآیندهای بی هوازی به دامنه ی مناسبی از درجه حرارت (۱۵ تا ۳۵ درجه سانتیگراد) و در نتیجه عدم کارآیی آن برای مناطق سردسیر (به خصوص در زمستان)
• نیاز به برخی تجهیزات (pH سنج، دماسنج و …) و همچنین نیروی متخصص برای بازرسی و زیر نظر داشتن شرایط داخلی راکتور (هزینه بر بودن راهبری)
جمع بندی
در نهایت می توان گفت پتوی لجن بی هوازی با جریان رو به بالا (UASB) نوعی هاضم بی هوازی می باشد که از آن برای تصفیه فاضلاب استفاده می شود. این روش معمولاً برای رقیق سازی جریان های فاضلاب (اندازه ذرات بیشتر از ۰/۷۵ میلی متر و TSS سه درصد) مناسب است.
همانطور که در بالا اشاره شد، ۴ مورد زیر اصلی ترین کاربردهای این سیستم ها می باشند:
• صنایع تولید نوشیدنی
• صنایع تخمیر و تولید الکل
• صنایع غذایی
• صنایع کاغذ
روی هم رفته این ۴ مورد ۸۷ درصد از فعالیت های صنعتی را تشکیل می دهند. در نتیجه کاربردهای این روش روز به روز در حال گسترش بوده و امروزه در موارد زیر نیز از این فرآیند استفاده می شود:
۱- تصفیه فاضلاب و پساب صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی
۲- فاضلاب صنایع نساجی
۳- شیرابه زباله ها
۴- چرخه تبدیل سولفور و حذف فلزات
همچنین در مناطق گرمسیر می توان از UASB برای تصفیه فاضلاب خانگی نیز استفاده کرد.