فراوری لجن به منظور حذف پتانسیل گندیدن (فساد بی هوازی)، کاهش یا پیشگیری از تولید بو ،کاهش عوامل بیماری‌زا و در نهایت تبدیل ان به محصول پایدار برای استفاده یا دفع ، را تثبیت لجن میگویند. تثبیت لجن به یکی از روش‌های زیر انجام می‌گردد:
- هضم هوازی
- هضم بی هوازی
- تثبیت قلیایی
- کمپوست ها
- خشک کردن از طریق حرارت
در این مقاله به تشریح روش هضم هوازی لجن پرداخته‌شده است
- هضم هوازی
از گسترده ترین روش‌های مورد استفاده در فرایند تثبیت لجن تصفیه‌خانه های فاضلاب است که قادر به تصفیه حداکثر 20000 مترمکعب در شبانه‌روز می‌باشد. هضم هوازی فرایند اکسیداسیون و تجزیه بخش آلی لجن از طریق میکرو ارگانیسم‌های هوازی می‌باشد که در مخازن مخصوص باز یا بسته انجام می‌گیرد.
این روش یک فرایند بیولوژیکی رشد معلق بوده که شبیه فرایند توسعه یافته‌ی لجن فعال می‌باشد. این فرایند محصولی پایدار تولید می‌کند و جرم و حجم را کاهش داده و عوامل بیماری‌زا را تقلیل می‌دهد.
تئوری فرایند
درواقع فرایند هضم هوازی لجن را می‌توان ادامه‌ی فرایند لجن فعال در نظر گرفت. وقتی‌که سو بستره محلول به‌طور کامل توسط جمعیت میکروبی اکسید می‌شود میکرو ارگانیسم‌ها برای کسب انرژی موردنیاز بقای خود شروع به مصرف پروتوپلاسم خود می‌کنند.
پروتوپلاسم
به بخش زنده سلول گفته می‌شود که توسط غشای سلولی احاطه‌شده است. همچنین پروتوپلاسم یک اصطلاح عمومی برای سیتوپلاسم است.
این پدیده یعنی کسب انرژی از بافت سلولی که خودخوری نام دارد، یک واکنش عمده در هضم هوازی است.
پس از کامل شدن فرایند هضم، مواد باقی‌مانده اجزای خنثی و مواد آلی هستند که قابلیت تجزیه بیولوژیکی را ندارند. این مواد سطح انرژی پایینی دارد و ازنظر بیولوژیکی لزوماً پایدارند.
مراحل هضم
اولین مرحله از فرایند؛ اکسیداسیون می‌باشد که منجر به اکسیداسیون مستقیم مواد تجزیه‌پذیر می‌باشد و
معادله‌ی این واکنش به شکل زیر است
در مرحله دوم باکتری‌ها وارد فاز خودخوری می‌شوند
در تخریب بیومس برای اکسیداسیون جرم سلولی، دی‌اکسید کربن، آب و اکسیژن استفاده می‌شود که این واکنش بیکربنات آمونیوم تولید می‌کند.
شایان‌ذکر است که آمونیاک پس از آزاد شدن بادی اکسید کربن تولیدی ترکیب‌شده و بیکربنات آمونیوم تولید می‌کند.
وقتی فقط لجن مازاد به‌طور هوازی هضم می‌شود، فاز غالب فاز خودخوری است؛ اما اگر فرایند شامل لجن اولیه نیز باشد، واکنش در مدت زمان زیادتری انجام می‌گیرد.
نحوه رشد باکتری‌ها معمولاً از یک نمودار پیروی می‌کند که شامل چهار فاز می‌باشد که آخرین مرحله مربوط به فاز خودخوری می‌باشد و در این مرحله با توجه به نبود سو بستر کافی، باکتری‌ها شروع به تغذیه از بدن سایر باکتری‌ها می‌کنند.
حال اگر از لجن اولیه استفاده شود به دلیل زیاد بودن منبع غذایی خارجی، رخداد فاز خودخوری درزمان طولانی‌تری اتفاق می‌افتد به عبارت دیگر در این حالت زمان ماند زیادی نیاز است.
هضم هوازی متعارف
قبلاً هاضم های هوازی به صورت فرایندهای نیمه پیوسته طراحی می‌شدند. این مورد هنوز هم در بسیاری از تصفیه خانه‌های کوچک‌تر به کار می‌رود.
لجن بلافاصله پس از زلال ساز یا پس از تغلیظ وارد هاضم هوازی می‌رود.
در حین عملیات پر کردن مخزن محتویات هاضم به‌طور پیوسته هوادهی می‌رود. پس از پر شدن مخزن عملیات هوادهی تا زمان ماند ادامه پیدا می‌کند.
سپس هوادهی قطع‌شده و مواد جامد پایدار شونده ته‌نشین می‌شوند.
نکات بهره‌برداری
- غلظت مواد جامد در لجن ورودی به هاضم؛ اهمیت خاصی در طراحی و عملیات آن دارد.
- دمای مایع در هاضم های که مخازن روباز دارند، به شرایط آب و هوایی بستگی دارد. در طراحی هاضم ها به کمینه سازی اتلاف گرما بایستی توجه داشت. ازجمله استفاده از بتن به جای فولاد قرار دادن تانک پایین‌تر از سطح و استفاده از هوادهی زیرسطحی به جای هوادهی سطحی می‌تواند در این زمینه مؤثر باشد.
- اکسیژن موردنیاز: برای اکسید شدن یک کیلوگرم از جرم سلولی بدون نیتریفیکاسیون به 1.45 کیلوگرم اکسیژن نیاز است.
مخازن مربوط به هضم بی هوازی لجن معمولاً به صورت مستطیلی، مدور یا حلقوی طراحی می‌شود. در هاضم های که از نازل هوا برای اختلاط و اکسیژن استفاده می‌شود، کف مخزن در حالت کلی مسطح است.
مخازن کوچک با شیب بسیار کمی طراحی می‌شود تا زدودن لجن یا تخلیه مخزن در صورت لزوم صورت گیرد.
انواع فرایندهای هضم
چندین نوع هضم هوازی متعارف وجود دارد که عبارت است از
- هضم با خلوص بالای اکسیژن : در این فرایند به جای هوا از اکسیژن خلوص بالا به عنوان منبع اکسیژن استفاده می‌شود. این فرایند با استفاده از اکسیژن خالص اغلب در مخزن بسته مشابه فرایند لجن فعال برای تصفیه فاضلاب، انجام می‌گیرد.
- هضم هوازی در دمای کم : در این نوع هاضم ها با کاهش دمای بهره‌برداری،SRT افزایش داده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که مقدار تخریب مواد جامد فرار قابل‌قبول است.
- هضم دوگانه : این فرایند یک هضم دومرحله‌ای است که مرحله‌ی اول آن هضم ترموفیلیک هوازی و مرحله‌ی دوم ان هضم بی هوازی مزوفیلیک است. این سیستم به‌طور گسترده در اروپا استفاده می‌شود. زمان ماند در بخش هوازی 18 الی 24 ساعت است و در بخش بی هوازی حدوداً 10 روز می‌باشد.
- هضم هوازی مزوفیلیک : هضم هوازی مزوفیلیک فرایند هضم خود گرم شامل تغلیظ لجن و پس از آن دو یا سه مرحله تصفیه در راکتورهای هوازی است.
- برای توازن گرما در فرایند لجن باید 4 تا 5 درصد مواد جامد پیش تغلیظ شود.
- هضم هوازی مزوفیلیک را می‌توان در رده‌ی فرایندهایی که به‌طور چشم‌گیری پاتوژن را کاهش می‌دهند قرارداد؛ اما در مقایسه با هضم هوازی متعارف به علت هزینه سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری زیاد استفاده از این فرایند محدودشده است.
- هضم هوازی ترموفیلیک : هضم هوازی ترموفیلیک فرایند هضم لجن است که قادر است به درجه‌ی بالایی از تثبیت و کاهش پاتوژن دست یابد. مشخصه‌ی این فرایند نرخ بالای واکنش در دمای ترموفیلیک 40 تا 70 درجه‌ی سانتی‌گراد است. با استفاده از گرمای آزادشده از طریق فرایند اکسیداسیون میکروبی، این دما حاصل می‌شود.
از مزایای این فرایند
- کاهش چشم‌گیر SRT
- امکان کاهش ویروس‌های بیماری‌زا
- نابودی به زر علف‌های هرز
- تقریبا 25 درصد کاهش اکسیژن خواهی