به فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی که در غیاب اکسیژن توسط میکرو ارگانیسم‌ها انجام می‌گردد، فرآیندهای بی‌هوازی می‌گویند. باکتری‌هایی که در این روش فعالیت می‌کنند اغلب در سه مرحله باعث تجزیه مواد آلی می‌شوند.
مراحل تجزیه مواد آلی
مرحله اول : هیدرولیز (Hydrolysis)
در اولین مرحله تجزیه، مواد معلق فاضلاب به مواد محلول تبدیل می‌شود. مرحله هیدرولیز که مهم‌ترین مرحله تصفیه بی‌هوازی است 5 تا 15 روز طول می‌کشد و اصولاً خیلی کند ادامه خواهد یافت. در این مرحله تصفیه، مواد پیچیده آلی شکسته شده و به مواد آلی محلول تبدیل می‌شوند که شامل هیدرولیز بیو پلیمرها نظیر پروتئین ها، کربوهیدرات‌ها، چربی و روغن می‌باشد.
مرحله دوم : اسیدی شدن و تولید استات
مرحله اسیدی شدن (Acidification) شامل فرمانتاسیون اسیدهای آمینه و قند و تولید هیدروژن، استات، اسیدهای چرب فرار با زنجیره کوتاه و الکل. در این مرحله از تجزیه بی‌هوازی ممکن است اسیدهای چرب با زنجیر طویل نیز به وجود آید. همچنین استات سازی (Acetogenesis) نیز صورت می‌پذیرد که در آن کلیه محصولات حاصل از دو مرحله 1 و همین مرحله به استات تبدیل می‌شود.
در این مرحله هضم بی هوازی یا تصفیه بی‌هوازی اعمال توأم اسیدی شدن و تولید استات است که در اثر آن مواد آلی ساده حاصل از مرحله هیدرولیز به اسید های چرب فرار و احتمالاً اسید استیک و سرکه تبدیل خواهند شد.
این مرحله تصفیه بی‌هوازی گاهی به ترش شدن تعبیر شده و اسیدهای آلی حاصل از آن نوع، COD هستند که باکتری‌های مولد متان آنها را مورد استفاده قرار می‌دهند و حاصل این عمل تولید متان است.
درمجموع مصرف این اسیدها اکسیژن موردنیاز کاهش خواهد یافت. درحالی‌که در محیط مقادیر قابل توجهی گازکربنیک وجود دارد میزان اکسیژن موردنیاز کاملا حذف نخواهد گردید. با پیدایش اسیدهای چرب فرار قطعاً PH محیط پایین آمده و زمان مربوط به انجام مرحله دوم تصفیه بی هوازی به کیفیت فاضلاب مربوط است.
اگر در فاضلاب قندهای ساده موجود باشد این مرحله به سرعت انجام خواهد گردید و اگر محتوی پروتئین و مواد آلی پیچیده باشد انجام دومین مرحله تصفیه بی‌هوازی به زمان نیاز خواهد داشت.
مرحله سوم تولید متان
سومین مرحله تولید متان (Methanogenesis) که در آن از استات و ترکیب (H2, Co2) گاز متان تولید می‌گردد و مواد مولد COD به متان تبدیل می‌شوند. در این مرحله بهره‌بردار باید نظارت دائم بر PH، حرارت، مواد سمی موجود در سیستم و مواد مغذی داشته باشد. در اکثر راکتورهای بی‌هوازی این مرحله حدود 5 ساعت به طول خواهد انجامید. در صورت بالا بودن غلظت سولفات در فاضلاب هنگام تصفیه بی‌هوازی امکان احیای سولفات به S H2 نیز وجود خواهد داشت.
مزایای استفاده از سیستم فاضلاب بی‌هوازی
- عدم نیاز به قطعات الکترو مکانیکال
- عدم نیاز به سیستم نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه
- انطباق کامل با الزامات و ضوابط محیط زیست .
- حذف عملیات گسترده ساختمانی و تأسیساتی.
- امکان ایجاد فضای سبز در قسمت بالای سیستم تصفیه فاضلاب بی‌هوازی که در داخل زمین قرارگرفته است.
- اقتصادی بودن این سیستم نسبت به سایر سیستم تصفیه فاضلاب
روش UASB، FBR،UAFB نمونه‌هایی از روش‌های بی‌هوازی تصفیه فاضلاب هستند. لازم به ذکر است که در سپتیک تانک ها به سبب عدم وجود اکسیژن محلول کافی فرآیندهای بی‌هوازی بیولوژیکی غالب هستند.
در این مقاله به‌اختصار در مورد هر یک از فرایندهای مزبور توضیحاتی داده می‌شود که شرح کامل آنها در مقالاتی به صورت مستقل آورده شده است.
روش UASB:
این سیستم با جریانی روبه بالا نوعی سیستم تصفیه بی‌هوازی فاضلاب یا راکتور بی‌هوازی است که قادر است با راندمان نزدیک به 80% فاضلاب‌های صنعتی با آلودگی شیمیایی بسیار بالا فلزات سنگین و مواد سمی را کاهش داده و فاضلابی مناسب جهت ورود به سیستم‌های هوازی را مهیا سازد.
در این روش بدون حضور اکسیژن و با کمک باکتری‌های بیماری زا بی‌هوازی فاضلاب را تصفیه می‌کنند. این باکتری‌ها با تبدیل مواد آلی و آلوده‌کننده به گاز متان (که قابل مصرف در تولید انرژی می‌باشد) نه‌تنها به انرژی برای فعالیت‌های خود در تصفیه فاضلاب نیاز ندارد بلکه قادر به تولید مقادیر قابل توجهی انرژی نیز هستند.
راکتور تصفیه بی‌هوازی با رشد چسبیده ( سیستم تصفیه UAFB ):
این روش از رایج‌ترین فرآیندهای بی‌هوازی رشد معلق در تصفیه فاضلاب هست.
در راکتورهای پیش تصفیه بی‌هوازی UAFB آکنده های از جنس پلاستیک به طرز خاص طراحی و ساخته‌شده و به صورت صفحات ماتریس شکل در داخل راکتور تعبیه می‌گردد. این ماتریس ها بستر مناسبی را برای رشد و تکثیر میکرو ارگانیزم ها که معمولاً به صورت بیو فیلم یا غشاء بیولوژیکی رشدی کمتر ایجاد می‌نماید. رشد این بیو فیلم‌ها (غشاء بیولوژیکی) معمولاً بسیار سریع می‌باشد.
مزایا:
- تولید لجن این سیستم (UAFB) اندک است
- در فرآیند پیش تصفیه UAFB از هیچ‌گونه مواد افزودنی استفاده‌نشده و حتی به واسطه تولید گاز متان این روش می‌تواند انرژی‌زا هم باشد.
- سیستم پیش تصفیه UAFB نسبت به سیستم‌های قدیمی و متعارف بی‌هوازی به فضای کمتری نیاز دارد.
FBR (Fluidized-bed reactor) :
راکتور بی‌هوازی رشد ثابت با بستر سیال (FBR) ازنظر طرح فیزیکی مشابه راکتور بستر انبساط یافته با جریان روبه بالا می‌باشد. اندازه دانه‌بندی بستر مشابه راکتور با بستر انبساط یافته است؛ برگشت پساب خروجی برای فراهم کردن سرعت کافی روبه بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد .
از فرآیندهای FBR بی هوازی برای تصفیه جریان‌های مواد زائد صنعتی خطرناک مورد استفاده قرارگرفته است.
ABR راکتور بافل دار بی هوازی (Anaerobic Baffled Reactor) :
یکی دیگر از روش‌های بی‌هوازی تصفیه فاضلاب استفاده از راکتورهای بی‌هوازی بافل دار می‌باشد. از مهم‌ترین ویژگی این روش سرعت بالای تصفیه آن است.
به دلیل ویژگی‌های هیدرولیکی خاص این نوع راکتور، زمان ماند جامدات در راکتور (SRT) بیشتر از زمان ماند هیدرولیکی (HRT) آن است به عبارت دیگر ویژگی خاص هیدرولیکی سامانه باعث جداسازی زمان ماند هیدرولیکی و زمان ماند جامدات شده و به این طریق تصفیه مناسب فاضلاب در زمان ماند کم حاصل می‌گردد.
روش تصفیه بدین ترتیب است که آن فاضلاب با عبور از میان تعدادی اتاقک به صورت پایین رونده و بالارونده، تصفیه می‌گردد. هر اتاقک از دو بخش پایین رونده و بالارونده تشکیل‌شده که معمولاً حجم و عرض بخش بالارونده 3 برابر بخش پایین رونده منظور می‌گردد.
به دلیل تقسیم این راکتور به اتاقک‌های مجزا، سامانه توانایی زیادی در مقابله با شوک‌های آلی و هیدرولیکی دارد و می‌توان گفت حساسیت این سیستم به تغییرات بسیار کمتر از دیگر دستگاه‌های بی‌هوازی مشابه است.
مزایای سیستم بی‌هوازی ABR
- بهبود فرایند تصفیه با عملکرد مرحله‌ای
- راندمان بالا برای فاضلاب‌های صنعتی
- عدم نیاز به انرژی
- زمان ماند هیدرولیکی کم و زمان ماند مواد جامد بالا
- مقاوم در برابر شوک‌های هیدرولیکی و کیفیتی
- راه بری ساده و عدم نیاز به سیستم جمع اویی گاز پیچیده
کاربرد:
این سیستم در تصفیه انواع فاضلاب‌های صنعتی، فاضلاب صنایعی که با تغییرات احتمالی در میزان دبی یا آلودگی فاضلاب همراه هستند، فاضلاب‌های شهری و انسانی، فاضلاب اجتماعات کوچک، اجتماعات کم‌درآمد و فاضلاب مناطقی که با مشکل وجود برق مواجه هستند و نیز به عنوان پیش تصفیه برای دیگر واحدهای فرایندی تصفیه فاضلاب کاربرد دارد.