تعریف    

      برکه های تثبیت فاضلاب (WSP) گودال های خاکی هستند که فاضلاب خانگی و دیگر فاضلاب ها برای مدت طولانی در آنها نگهداری شده و با عمل ته نشینی و به کمک نور،حرارت، رشد جلبکها و میکروارگانیسم ها مواد آلی موجود در فاضلاب تجزیه و تثبیت می گردد.در این واحد ها عمل ته نشینی و تثبیت  هر دو با ام انجام می شود

     از آنجا که فرآیندهای طبیعی در تصفیه فاضلاب در برکه ها نقش اساسی داشته و با توجه به پایین بودن سرعت فرآیندهای تصفیه طبیعی ، به زمان ماند طولانی برای تصفیه فاضلاب مورد نیاز می باشد که این زمان ماند با توجه به شرایط آب و هوایی از چند روز تا چندین ماه متغیر است.برکه های تثبیت جزو روش های ارزان قیمت تصفیه فاضلاب بوده و در مناطقی که دارای شرایط آب و هوایی مناسب و زمین ارزان قیمت کافی باشند به راحتی می توان برای تصفیه طیف وسیعی از فاضلاب های شهری و صنعتی استفاده نمود.

        اگر چه راندمان تصفیه در برکه ها در مناطق دارای آب و هوای گرم در حد مطلوب است ولی در عین حال از آنها می توان برای تصفیه فاضلاب در مناطق سردسیر هم استفاده نمود. در مناطق سردسیر زمان طولانی تر برای تصفیه فاضلاب مورد نیاز خواهد بود. راندمان تصفیه در این روش عمدتا بستگی به نور خورشید ، درجه حرارت و شدت  وزش باد و ...  داشته که این پارامترها مستقیما بر روی بیولوژی سیستم دارای تاثیر می باشند.

      پساب خروجی از برکه ها از نظر کیفیت میکروبی و شیمیایی در حدی است که از ان می توان برای آبیاری زمین های کشاورزی و دیگر مصارف استفاده نمود . مهمترین طبقه بندی برکه ها براساس واکنش های بیولوژی غالب در آنها است که بر این اساس آنها را به سه دسته زیر طبقه بندی می نمایند:

    Øبرکه های بی هوازی

    Øبرکه های اختیاری

    Øبرکه های هوازی

مزایای سیستم برکه های تثبیت  

     مزایای سیستم WSP  که اختصارا شامل سادگی ، هزینه کم و راندمان بالا می باشد به شرح زیر است :

سادگی ساخت و راهبری

      برکه های تثبیت از نظر ساختمانی بسیار ساده هستند و مهمترین مرحله ساخت آنها را گود برداری ، تاسیسات تصفیه مقدماتی ، سازه های ورودی و خروجی ، جداره سازی و آب بندی دیواره ها و کف برکه تشکیل می دهد.

     از نظر بهره برداری و نگهداری نیز ساده بوده به طوری که بهره برداری از آنها شامل جمع آوری کفاب روی سطح برکه ، درو کردن علف ها ،تمیز نمودن سازه های ورودی و خروجی و تعمیر هر گونه صدماتی که به خاکریزهای اطراف آنها وارد می شود را شامل می گردد.همچنین از نظر پرسنل بهره برداری نیز به کارگران ساده و یا با مهارت کم نیازمند می باشد .

ارزان بودن

    برکه های تثبیت نسبت به سایر روش های تصفیه فاضلاب معمولا ارزان تر می باشند. برکه ها نیاز به تجهیزات الکتریکی و مکانیکی نداشته و از نظر هزینه های جاری نیز مصرف انرژی در آنها بسیار پایین است. از نظر نیروی انسانی لازم برای بهره برداری نیز در برکه های تثبیت هم به نیروی انسانی کمتری مورد نیاز بوده و هم اینکه نیاز به نیروی متخصص و ماهر نمی باشد که در مجموع سبب کاهش هزینه های جاری تصفیه خانه می گردد.

راندمان بالا

     پساب خروجی از برکه های تثبیت با استانداردهای کیفیت پساب ارائه شده از سوی جامعه اروپا (EC ) و سازمان محیط زیست (EPA) مطابقت دارد .  در برکه های تثبیت راندمان حذف  BOD ، ازت و فسفر در حد مطلوبی است . همچنین برکه های تثبیت در زدایش عوامل بیماری زا بسیار موثر می باشند . در اکثر فرآیند های متداول تصفیه فاضلاب راندمان زدایش عوامل بیماری زا پایین بوده به طوری که جهت نابود سازی عوامل بیماری زا در پساب خروجی نیاز به گند زدایی پساب اجتناب ناپذیر است .

قابلیت تحمل شوک مواد آلی و سمی و بالا بودن راندمان حذف فلزلت سنگین

      برکه های تثبیت به دلیل دارا بودن حجم زیاد و طولانی بودن زمان ماند هیدرولیکی در آنها ، نسبت به تحمل شک مواد آلی و سمی در برابر دیگر فرایند های متداول تصفیه فاضلاب دارای مقاومت بیشتری می باشد . علاوه بر این ، برکه ها نسبت به بالا بودن غلظت فلزات سنگین در فاضلاب ورودی دارای مقاومت زیادی می باشند بطوری که حتی تا غلظت 60 میلی گرم در لیتر فلزات سنگین را تحمل می نماید .

    بالا بودن مقاومت برکه ها نسبت به شک فلزات سنگین به دلیل کاهش غلظت فلزات از طریق رقیق سازی فاضلاب خام با حجم زیاد فاضلاب موجود در برکه ها است .

    همچنین در برکه ها به دلیل بالا بودن pH   که حتی به بالای 10 نیز می رسد فلزات سنگین با تشکیل کمپلکس های نا محلول و ته نشینی سریع به میزان قابل ملاحظه ای زدایش می شوند . بنا بر این از برکه ها می توان برای تصفیه طیف وسیعی از فاضلاب صنعتی استفاده نمود .

     فاضلاب خیلی قوی همچون فاضلاب صنایع مواد غذایی به راحتی توسط برکه های  تثبیت تصفبه می شوند . به دلیل اینکه طراحی برکه ها بر اساس سردترین فصل سال است ،در فصول گرم سال ظرفیت تصفیه پذیری آنها بالا بوده بطوری که در تابستان فاضلاب بیشتری را می توانند تصفیه نمایند که این مسئله در شهرهای توریستی دارای اهمیت زیادی می باشد .

معایب برکه های تثبیت

مهمترین معایب  برکه های تثبیت عبارت است از :

 تولید بو

    برکه های تثبیت اگر بطور صحیح طراحی و راهبری شوند و بار مواد آلی ورودی به آنها بیش از حد مجاز نباشد ، مشکلات مربوط به تولید بو وجود نخواهد داشت . تولید بو در برکه های بی هوازی را نیز می توان در مرحله طراحی به حداقل رساند . علت تولید بو در برکه های بیهوازی تولید گاز SH2  و ترکیباتی دیگر مانند مرکاپتان ها و اندول و اسکاتول می باشد که این گاز ها و ترکیبات در اثر احیاء ترکیبات محتوی گوگرد و تجزیه پروتئین ها تولید می شوند .

     مشکلات مربوط به تولید احتمالی بو را در برکه های تثبیت می توان از طریق رعایت فاصله با مناطق مسکونی به حداقل کاهش داد . همچنین وجود کمربند فضای سبز در اطراف تصفیه خانه در کاهش مزاحمت ناشی از تولید بو مؤثر بوده خواهد بود .

پرورش حشرات

    رشد گیاهان و علف های هرز در برکه ها بخصوص بوته های نی ، محیط را برای تخم ریزی و رشد و تکثیر حشرات مساعد می سازد به همین دلیل یکی از راههای مؤثر جهت مقابله با حشرات ، درو کردن مرتب علف های هرز می باشد .

بالا بودن غلظت جامدات معلق

     در پساب خروجی از برکه های تثبیت به دلیل رشد بیش از حد جلبک ها غلظت جامدات معلق بالا خواهد بود که این بالا بودن غلظت جامدات معلق در مواردی جهت استفاده مجدد از پساب ممکن است مشکل ساز باشد به ویژه برای تغذیه آبهای زیر زمینی و همچنین در سیستم های آبیاری تحت فشار و قطره ای نیز سبب مسدود شدن نازل ها می شود .

       در صورت نیاز از طریق روش های ارزان قیمت می توان نسبت به جدا سازی جلبک از پساب خروجی برکه ها اقدام نمود .

نیاز به زمین زیاد

     یکی ازمعایب عمده برمه های تثبیت نیاز به زمین زیاد می باشد که دلیل آن بالا بودن زمان ماند هیدرولیکی فاضلاب در برکه ها است . میزان زمین مورد نیاز تابعی از شرایط آب و هوایی و کیفیت فاضلاب خام ورودی می باشد بطوری که در مناطق گرمسیری برای احداث برکه ها به زمین کمتری نیاز است که علت آن بالا بودن سرعت واکنش های بیولوژیکی در آب و هوای گرم است .

    در مناطق سرد سیر برای احداث برکه ها به زمین بیشتری نیاز می باشد . تملک زمین ارزان قیمت در بعضی از شهر ها با مشکل مواجه خواهد بود به همین دلیل در دسترس نبودن زمین کافی در بسیاری از مناطق کاربرد آنها را با محدودیت مواجه می کند . در اکثر کشور ها استفاده از این روش علی رغم نیاز به زمین زیاد ، از نظر اقتصادی باز هم نسبت به سایر روش ها ارزان ترین گزینه می باشد .

اتلاف زیاد زمین

      در مناطق خشک و نیمه خشک آب کالای با ارزشی است به خصوص با توجه به وجود بحران آب در بسیاری از مناطق دنیا که استفاده بهینه از منابع آب و برنامه ریزی صحیح در این خصوص به صورت یک ضرورت عاجل در آمده است . اتلاف زیاد آب از طریق تبخیر و همچنین نشت در داخل  زمین از طریق برکه ها سبب کاهش مقدار پساب قابل استفاده برای مصارف کشاورزی و دیگر مصارف می شود .

احتمال آلودگی آب های زیر زمینی

     اگر در حین مراحل ساختمانی در برکه ها نکات فنی و سازه ای رعایت گردد ، مشکل مربوط به آلودگی آب های زیر زمینی اصلا وجود نخواهد داشت . در صورتی که محل انتخابی برای احداث برکه ها از نظر جنس خاک مناسب نباشد مسئله نشت فاضلاب در داخل زمین وجود داشته و آلودگی احتمالی آب های زیر زمینی را به همراه خواهد داشت . با انجام لاینینگ یا آب بندی در کف و دیواره برکه ها می توان میزان نشت فاضلاب را به حد اقل کاهش داد . پارامتر اصلی در رابطه با نشت فاضلاب ضریب نفوذ پذیری خاک است .

انواع برکه های تثبیت

برکه های بی هوازی :

      در این برکه ها اکسیژن محلول در فاضلاب وجود نداشته و باکتری های بی هوازی مواد آلی را تجزیه می نمایند . عمق این برکه ها معمولا بین 5-2 متر است که دریافت کننده بار مواد آلی زیاد می باشند . به دلیل بار گذاری زیاد مواد آلی در برکه های بی هوازی هیچ گونه اکسیژن محلول و جلبکی در فاضلاب ندارد . در بعضی مواقع یک لایه نازکی از جلبک کلامیدوموناس در سطح این برکه ها دیده می شود .

    . زمان ماند فاضلاب در این برکه ها بین 5-2 روز نگهداری می شود اگرچه زمان ماندهای طولانی تری نیز گزارش شده است . مهمترین واکنش بیولوژیکی در آنها تولید اسید و تخمیر متانی است . در حین عبور فاضلاب از برکه های تثبیت بی هوازی تغییرات زیر در فاضلاب صورت می گیرد :

    Ø- اکثر جامدات معلق در کف برکه ته نشین می شود .

    Ø- تا حدودی حذف پاتوژن ها صورت گرفته و تخم انگ ها نیز ته نشین می شوند .

    Ø- مواد سبک و کم وزن همچون روغن ، چربی ، کرک ، و کف بر روی سطح فاضلاب تجمع یافته و تشکیل لایه کفاب را می دهد.

    Ø- مواد آلی در دو مرحله شامل تخمیر اسیدی و متانی تبدیل به گاز و جامدات تثبیت شده می شوند .

      برکه های بی هوازی اغلب پیش از برکه های اختیاری جهت کاهش زمین مورد نیاز به کار برده  می شود. در بسیاری از موارد نیز نقش آنها به عنوان پیش تصفیه برای کاهش بار آلودگی فاضلاب های با شدت آلودگی زیاد است . ( فاضلاب صنایع غذایی و کشتارگاه ) . پساب خروجی از آنها جهت تصفیه بیشتر وارد برکه های اختیاری می شود . این پساب محتوی غلظت پائین جامدات معلق و جامدات قابل ته نشینی و تخم انگل ها می باشد . عملکرد این برکه ها بیشتر شبیه سپتیک تانک می باشد .

 برکه های اختیاری :

     متداول ترین نوع برکه ها هستند که در لایه های فوقانی آنها به دلیل وجود اکسیژن محلول شرایط هوازی وجود دارد و در لایه های تحتانی به دلیل عدم وجود اکسیژن محلول شرایط بی هوازی غالب می باشد . لایه حد واسط نیز در بین لایه هوازی و بی هوازی شناسایی شده است . عمق این برکه ها معمولا بین 5/2 -5/1 متر و زمان ماند در آنجابین30 -7 روز می باشد . در لایه هوازی فوقانی ، جلبک ها و باکتری های هوازی و اختیاری به صورت همزیستی زندگی می کنند .

      جلبکها در حضور نور خورشید و مواد معدنی شروع به فعالیت فتوسنتز می نمایند که در نتیجه آن تولید جلبکها ی جدید و همچنین تولید اکسیژن محلول ( DO ) می باشد که باکتری ها از اکسیژن محلول تولیدی توسط جلبکها استفاده نموده و شروع به اکسیداسیون مواد آلی موجود در فاضلاب می نمایند که نتیجه آن تجزیه مواد آلی و رشد و تکثیر باکتری ها می باشد . در اثر اکسیداسیون مواد آلی گاز و ترکیباتی همچون PO4 , NO3, CO2  و .......تولید می شود که بخشی از این گازها و ترکیبات مجددا توسط جلبکها در فعالیت فتوسنتز استفاده می شود

     جامدات معلق موجود در فاضلاب که در قسمت عمده آنها را مواد آلی تشکیل می دهد در اثر نیروی وزن در کف برکه تجمع یافته و تشکیل لایه لجن را می دهند که در این لایه لجن با توجه به عدم وجود اکسیژن محلول فعالیتهای بیولوژیکی بی هوازی اتفاق افتاده و مواد آلی لجن را تجزیه می نمایند که نتیجه آن تولید گازهای همچون SH 2 ,NH 3, N 2 , CO 2 , CH 4 و ....... می باشد .گازهای تولیدی در اثر نیروی شناوری به سمت بالا حرکت نموده و به صورت حباب از سطح فاضلاب خارج می شوند .

      در مواقعی که در اثر افزایش درجه حرارت سرعت فعالیتهای بیولوژیکی بی هوازی در لایه های لجن زیاد باشد مقدار گازهای تولیدی به حدی است که حتی می تواند سبب شناور شدن لخته های لجن بر روی سطح فاضلاب در برکه ها شده که این مسئله بیشتر در فصول گرم سال اتفاق می افتد.

    برکه های اختیاری را به دو نوع تقسیم می کنند :

    Ø- برکه های اختیاری اولیه که دریافت کننده فاضلاب خام می باشند.

    Ø- برکه های اختیاری ثانویه که دریافت کننده فاضلاب ته نشین شده می باشند .

      رنگ فاضلاب در برکه های اختیاری به رنگ سبز دیده می شوند . در بعضی مواقع رنگ فاضلاب در برکه ها به صورت قرمز و یا صورتی رنگ در می آید به ویژه زمانی که بار مواد آلی ورودی به آنها بالا باشد که علت این تغییر شکل وجود باکتری های اکسید کننده سولفید می باشد .

      بطور کلی در حین عبور فاضلاب از برکه های اختیاری تغییرات زیر در فاضلاب مشاهده می شود :

    Ø- جامدات معلق فاضلاب در کف برکه ته نشین شده و تشکیل لایه لجن را می دهد که در این لایه لجن فعالیت های بیولوژیکی بی هوازی اتفاق می افتد .

    Ø- مواد آلی محلول و کلوئیدی فاضلاب توسط باکتری های هوازی و اختیاری در حضور اکسیژن محلول تثبیت شده و در نهایت مواد بی اثر آن به صورت لجن در کف برکه تجمع می یابد . تثبیت مواد آلی در برکه ها از طریق باکتری های هتروترف همچون پسودوموناس ، فلاووباکتریم ، اکرموباکتر و آلکالیژنس صورت می گیرد .

 برکه های هوازی :

     در برکه های هوازی اکسیژن محلول در تمام نقاط برکه وجود داشته و فعالیت های بیولوژیکی کلا به صورت هوازی انجام می گیرد .

    برکه های هوازی را به سه گروه زیر تقسیم بندی ی نمایند :

برکه های هوازی کم بار :

      فاضلاب های محتوی مواد آلی محلول در این برکه ها در شرایط هوازی تصفیه می شود . دو منبع تولید اکسیژن شامل فتوسنتز جلبک ها و اکسیژن گیری از طریق اتمسفر است . تولید اکسیژن از طریق فتوسنتز در نقاط تحتانی به صورت ضعیف انجام می گیرد . در طول روز در لایه های فوقانی اکسیژن محلول به حد غلظت اشباع و یا حتی فوق اشباع     می رسد .

    اگر در فاضلاب جامدات معلق وجود داشته باشد این جامدات در ته برکه تجمع یافته و تحت تجزیه بیولوژیکی بی هوازی قرار می گیرند . به همین دلیل فقط فاضلاب های محتوی مواد آلی محلول را در این برکه ها تصفیه مینمایند . عمق برکه های هوازی کم بار در حدود 5/1 -1 متر است که عمیق تر از برکه های پر بار می باشند .

 برکه های هوازی پر بار :

      این برکه ها با برکه های دیگر از نقطه نظر تولید سلول های جلبکی دارای تفاوت می باشند . از جلبک های تولیدی می توان به عنوان منبع پروتئین برای خوراک حیوانات استفاده نمود . سیستم HPR در زدایش BOD ، ازت و فسفر بسیار موثر   می باشد . عمق برکه های پر بار حدود 45/0 -3/0 متر است که اجازه عبور نور خورشید را به تمام اعماق می دهد .

      تولید جلبک همراه با زدایش مواد مغذی از اهداف احداث این برکه ها می باشد . رشد بیش از حد جلبک ها سبب بالا بودن غلظت مواد معلق در پساب خروجی می شود بطوری که برای تولید پساب با کیفیت مناسب نیاز به روش های جدا سازی جلبک خواهد بود .

 برکه های هوازی تکمیلی :

     هدف از این برکه ها بهبود کیفیت میکروبی پساب فر آیندهای تصفیه ثانویه و یا پساب خروجی از برکه های اختیاری می باشد . عمق آنها بین 5/1 – 9/0 متر است که به صورت سری پشت سر هم قرار می گیرند. تعداد برکه های تکمیلی لازم عمدتا بستگی به کیفیت پساب مورد نظر دارد . در برکه های تکمیلی در تمام طول روز اکسیژن در فاضلاب وجود دارد . جمعیت جلبکی موجود در این بر که ها نسبت به بر که های اختیاری بسیار متنوع تر می باشد .

      بطوریکه گونه های جلبکی غیر متحرک در آنها متداول تر بوده و در برکه های انتهایی شیوع گونه های جلبکی بسیار بیشتر از برکه های تکمیلی ابتدایی می باشد . در مواقعی نیز شکوفا شدن جلبک ها در این برکه ها اتفاق می افتد . هدف اصلی از احداث برکه های تکمیلی زدایش عوامل میکروبی بسیار می باشند . حذف BOD  در برکه های تکمیلی در حد بسیار کم اتفاق می افتد ولی نقش آنها در زدایش مواد مغذی همچون ازت و فسفر بسیار قابل توجه است .

 فاکتورهای موثر در تصفیه در برکه های تثبیت :

    ü   - فاکتورهای طبیعی :

 فاکتورهای طبیعی

 باد

     برکه های تثبیت می بایست طوری طراحی شوند که از طریق جریان باد ، تلاطم لازم در آنها ایجاد شود.

درجه حرارت :

      تصفیه فاضلاب در برکه ها از طریق مجموعه ای از فر آیند های فیزیکی ، شیمیایی و بیولوژیکی اتفاق می افتد که درجه حرارت بر روی این فرآیندها تاثیر قابل ملاحظه ای دارد .

بارندگی

     بارندگی متوسط و شدید میتواند دارای اثراتی بر روی عملکرد و ضریب اطمینان برکه ها دارا باشد .

نور خورشید

     شدت تابش نور خورشید پارامترهای مهم در عملکرد رضایت بخش برکه ها به حساب می آید . زیرا نور خورشید بطور غیر مستقیم بر روی تولید اکسیژن به واسطه فعالیت فتوسنتز تاثیر دارد .

تبخیر

      تبخیر از سطح برکه ها سبب اتلاف آب شده که این اتلاف آب هم از نظر استفاده مجدد از پساب و هم از نظر تاثیر بر روی کیفیت پساب دارای اهمیت خواهد بود .

نشت

    نفوذ آب از کف و دیواره برکه ها به لجاظ اتلاف مقادیر قابل توجهی آب و از لحاظ آلودگی آبهای زیر زمینی دارای اهمیت می باشند .

بالانس هیدرولیکی آب در برکه ها

      جهت نگهداری ارتفاع مناسب فاضلاب در برکه ها ،مقدار فاضلاب ورودی حداقل باید بیش از تبخیر خالص و نشت در تمام اوقات باشد .

فاکتورهای فیزیکی

ارتفاع فاضلاب

     برکه های تثبیت معمولا در عمق ثابت فاضلاب بهره برداری می شوند . کاهش ناگهانی ارتفاع آب در برکه ها به واسطه نشت یا تبخیر و یا برداشت اضطراری می تواند سبب بروز مسائلی شود .

میان بر زدن

    میان بر زدن در برکه ها به علل مختلفی اتفاق افتاده و سبب می شود فاضلاب کوتاهترین مسیر را طی نموده و کمترین زمان ماند را داشته باشد که نتیجه آن به وجود آمدن نقاط کور و مرده است به طوری که سطح و حجم برکه ها را کاهش داده و تولید بو را به همراه خواهد آورد . همچنین جریان میان بر در کاهش راندمان تصفیه نیز موثر می باشد.

فاکتورهای شیمیایی

PH

     هر دو نوع برکه ها بی هوازی و اختیاری تحت شرایط قلیایی جزئی دارای بهترین عملکرد می باشند .

مواد سمی

     وجود غلظت زیاد مواد سمی در فاضلاب ورودی  به برکه ها می تواند مشکل آفرین باشد .

اکسیژن محلول

     اکسیژن محلول بهترین شاخص جهت بررسی عملکرد مطلوب برکه های اختیاری و هوازی می باشد .

 پارامترهای طراحی :

    علاوه بر درجه حرارت و تبخیر که در بخش های قبلی توضیح داده شد ، دبی جریان و BOD  نیز پارامتر مهم در طراحی برکه ها هستند . چنانچه پساب برای مصارف کشاورزی و پرورش آبزیان مورد استفاده قرار گیرد ، تعداد کلی فرم ها و تخم انگل ها نیز دارای اهمیت می باشد