طراحی و بهره برداری از تاسیسات حذف بیولوژیکی نیتروژن

مقدمه

این مبحث مرور کلی در زمینه طراحی و بهره برداری از تاسیسات حذف بیولوژیکی نیتروژن است.در این مبحث کاربرد سیستم های تک مرحله ای اکسیداسیون کربن / نیترات سازی / نیترات زدایی ، به دلیل هزینه های مربوطه و سهولت استفاده مورد تاکید قرار می گیرد.به هر حال کاربرد تاسیسات نیترات زدایی به عنوان مرحله ای مجزا به صورت گزینه مناسب مورد بحث قرار می گیرد .

تجارب بدست آمده در تاسیسات واقعی ، حذف فیزیکی – شیمیایی نیتروژن ، معایبی را در مقایسه با تاسیسات حذف بیولوژیکی نیتروژن نشان می دهد. معمولا سیستم های فیزیکی –شیمیایی پر هزینه بوده و نگهداری از آنها بسیار مشکل است . همچنین ممکن است اثرات زیست محیطی ثانویه قابل توجهی را در بر داشته باشند . (نظیر رها سازی نیتروژن آمونیاکی به اتمسفر در طی هوادهی ).

بنابر این در اغلب موارد حذف بیولوژیکی نیتروژن ، سیستم انتخابی می باشد .بطور معمول ، تکنولوژی های فیزیکی شیمیایی تنها برای پالایش پساب خروجی سیستم حذف بیولوژیکی نیتروژن بکار می روند. به عنوان مثال ، هنگامیکه اختلالات بهره برداری سبب نیترات سازی ناقص می شود، کلرزنی تا نقطه شکست می تواند بجای سیستم حذف بیولوژیکی بکار برده شود.

گزینه های فرایند

حذف بیولوژیکی ترکیبات نیتروژنه از فاضلاب شهری ، شامل سه فرایند اصلی می باشد:

سنتز : ورود نیتروژن به داخل ساختار جرم میکروارگانیسم که در طی رشد سلول صورت می گیرد .

نیترات سازی : تبدیل آمونیاک و نیتروژن آلی ( به طور معمول در فاضلاب شهری یافت میشود ) به نیترات ،این عمل از طریق اکسیداسیون توسط میکروارگانیسم های نیترات ساز انجام میگیرد .

نیترات زدایی : تبدیل نیترات به گاز نیتروژن بوسیله میکروارگانیسم های نیترات زدا ، سپس نیتروژن از فاضلاب به اتمسفر رها میشود .

همه سیستم های موجود حذف بیولوژیکی فسفر ، این فرایند ها را مورد استفاده قرار می دهند . با توجه به تلفیق این فرایند ها با فرایند های تصفیه فاضلاب شهری ، بر اساس نیترات زدایی ، دو روش کاربرد دارد .:

1) نیترات زدایی در یک واحد فرایند مجزا که به عنوان " نیترات زدایی مجزا " اطلاق می گردد.

2) واحد " لجن تک مرحله ای " که شامل ترکیب اکسیداسیون کربن ، نیترات سازی و نیترات زدایی می باشد.

روش های حذف نیتروژن ممکن است بر اساس روش بکار رفته برای انجام فرایند نیترات سازی نیز تقسیم بندی گردند.

در زیر هر یک از این روش ها با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار می گیرد.

گزینه های نیترات زائی

همان گونه که شرح داده شد ، نیترات سازی ( تبدیل بیولوژیکی آمونیاک و نیتروژن آلی به نیترات ) جزء لاینفک و ضروری هر واحد بیولوژیکی  حذف  نیتروژن است . برای انجام عمل نیترات سازی فاضلاب شهری دو روش وجود دارد :

1) نیترات سازی مرحله مجزا

2) فرایند ترکیبی اکسیداسیون کربن ، نیترات سازی .

                     مواد  BOD  نیترات سازی مرحله مجزا شامل دو فرایند بیولوژیکی سری است . در مرحله اول   

 پائینی ( ناشی از مرحله اول )BODبا  کربنه حذف می شود و در دومین مرحله نیترات سازی  پساب

  و نیترات سازی در یک       BOD انجام میشود . در سیستم ترکیبی اکسیداسیون کربن و نیترات سازی ، حذف

برایند بیولوژیکی واحد انجام می گیرد.  هر دو روش نیترات سازی بطور موفقیت آمیزی در تصفیه فاضلاب های شهری بکار گرفته شده اند . انتخاب روش مناسب به عوامل اقتصادی بستگی دارد.

گزینه های نیترات زدایی

نیترات زدایی مرحله مجزا

نیترات زدایی مرحله مجزا شامل استفاده ازیک فرایند بیولوژیکی مجزا برای حذف نیترات است . این فرایند بر روی  پساب خروجی نیترات سازی بالادست ممکن است سیستم نیترات سازی مجزا یا ترکیبی باشد .

وقتی از نیترات سازی مرحله مجزا همراه با نیترات زدایی مرحله مجزا  استفاده میشود، کل سیستم حذف بیولوژیکی نیتروژن شامل سه فرایند بیولوژیکی می گردد که به حالت سری مورد استفاده قرار می گیرند. این BOD  فرایند تحت عنوان " فرایند مرحله ای " یا " فرایند لجن سه مرحله ای " نامیده میشود.در مرحله اول

  حذف میگردد، در مرحله دوم فرایند نیترات سازی بر روی پساب مرحله اول صورت گرفته و در مرحله سوم نیترات موجود در پساب مرحله دوم حذف میشود . وقتی که سیستم ترکیبی اکسیداسیون کربن و نیترات سازی  همراه با نیترات زدایی مرحله مجزا مورد استفاده قرار می گیرد ، کل سیستم حذف بیولوژیکی نیتروژن شامل دو فرایند بیولوژیکی است . این دو فرایند که به صورت سری بکار میروند ، تحت عنوان " فرایند دو مرحله ای " یا    و نیترات سازی انجام میشود و در BOD"فرایند دو مرحله ای لجن " نامیده می شوند . در مرحله اول حذف

مرحله دوم نیترات موجود در پساب مرحله اول ، نیترات زدایی می شود . بنابراین چه در سیستم ترکیبی اکسیداسیون کربن و نیترات سازی و چه در سیستم نیترات سازی مرحله مجزا؛ فرایند نیترات زدایی در یک واحد مجزا انجام میشود.

مواد کربن و نیترات سازی ، به میزان زیادی مواد آلی کربنه موجود در فاضلاب را مصرف BODچون حذف می نماید لذا افزودن یک منبع خارجی کربن به فاضلاب فاقد این ترکیبات برای انجام فرایند نیترات زدایی ، وجود فاضلاب  ضروری است .معمولا برای این منظور از متانول استفاده می شود . ولی برای جلوگیری از

بالا در پساب خروجی تصفیه خانه ، افزایش متانول به فاضلاب بایستی با دقت کنترل شود .BOD

بطور معمول برای نیترات زدایی مرحله مجزا ، دو گزینه فرایند متفاوت بکار می رود :

 1)رشد معلق

2) رشد چسبیده

رشد معلق:

این روش شبیه به سیستم تصفیه لجن فعال است . ابتدا فاضلاب از درون یک حوضچه با اختلاط مداوم عبور داده میشود . به این حوضچه یک ترکیب دارای کربن (متانول ) اضافه میشود. متانول بوسیله گروهی از میکروارگانیسم ها بعنوان منبع کربن مورد استفاده قرار می گیرد. این میکروارگانیسم ها در حوضچه های ته نشینی بعدی رسوب کرده و بعنوان لجن برگشتی به حوض نیترات زدایی به حوض نیترات زدایی برگشت داده در حد مطلوب ، (SRT) زمان ماند جامدات (MCRT)  میشود یا  .به منظور نگهداری زمان ماند متوسط سلولی بخشی از لجن از سیستم دفع میگردد.

بر خلاف حوضچه هوادهی لجن فعال ، محتویات این حوضچه ، هوادهی نمیشود، ولی برای نگهداری جامدات بیولوژیکی به حالت معلق ، محتویات حوضچه اختلاط داده میشود.در این حالت شرایط انوکسیک لازم برای نیترات زدایی حفظ میگردد.

اندازه حجم حوضچه اختلاط برای تامین متوسط زمان ماند 2-3 ساعت طرح میشود . برای حصول اطمینان  از ته نشینی کامل جامدات در حوضچه های زلال ساز و به منظور رها شدن حباب ها ی گاز نیتروژن از جامدات میکروبی بعد از راکتور نیترات زدایی ، یک کانال هوادهی یا یک تانک هوادهی کوچک در نظر گرفته میشود.همچنین ممکن است برای اکسید کردن باقیمانده متانول مرحله هوادهی در نظر گرفته شود.

رشد چسبیده

در این روش ، فاضلابی که نیترات سازی را گذرانده و همچنین یک منبع خارجی از کربن ( معمولا متانول ) به آن افزوده شده است از داخل یک یا چند حوضچه عبور داده می شود . این حوضچه ها حاوی محیط مائی هستند که یک میکروارگانیسم های نیترات زدا بر روی این محیط رشد می نمایند.

 چندین نوع مختلف از سیستم های نیترات ردایی با رشد چسبنده توسعه پیدا کرده است. این سیستم ها شامل انواع بسترهای آکنده ، انواع صافی های با بستر دانه ای عمیق و نوع بستر سیال است. سیستم بستر آکنده می تواند به دو نوع پر شده گازی و یا پر شده مائی تقسیم گردند. سیستم بستر آکنده پر شده گازی شامل یک راکتور سر پوشیده است که با محیط های رشد پلاستیکی پر شده است . فاضلاب مانند صافی مکنده از میان این محیط های رشد پلاستیکی عبور می نماید. بدلیل سر پوشیده بودن راکتور، گاز نیتروژن در داخل واحد نگهداری می شود . چون بخشی از میکروارگانیسم های چسبنده ( لایه بیولوژیکی ) به طور مداوم از سطح محیط رشد جدا شده و همراه پساب خارج می گردند، مرحله زلال سازی یا صاف سازی بعد از این سیستم ضروری است .

 سیستم های بستر آکنده پر شده مائی شامل دو نوع با تخلخل زیاد و تخلخل کم است . هر دوی اینها ، حوضچه های بسته حاوی محیط هایی هستند که میکروارگانیسم های نیترات زا به آن چسبیده و به حالت شناور باقی می مانند. در بسترهای تخلخل بالا از محیط پلاستیکی که به صورت در هم  چیده شده است استفاده می گردد،بعد از این سیستم واحد زلال ساز برای حذف جامدات میکروبی که بطور پیوسته از سطح محیط رشد جدا می شوند مورد نیاز است. در بستر آکنده تخلخل پایین ، شن درشت که بطور یکنواخت دانه بندی شده بعنوان محیط رشد بکار گرفته می شود. در این واحد هر دو هدف نیترات زدایی و زلال سازی از طریق رشد بر روی این محیط ها انجام می گیرد . برای حذف جامدات تجمع یافته و جلوگیری از انسداد و گرفتگی محیط رشد ، شستشوی معکوس بطور متناوب لازم است.

 نوع دیگر این نوع سیستم نیترات زدایی ، صافی عمیق با بستر دانه ای است . مانند یک صافی ثقلی معمولی، این صافی شامل بستر نسبتا عمیق ( 6 فوت ) شن درشت است .این بستر بوسیله صفحات محافظ منفذ دار نگهداشته می شود. همچنین جهت حذف جامدات تجمع یافته و گاز نیتروژن محبوس شده شستشوی معکوس بطور متناوب مورد نیاز است .

در سیستم های با بستر سیال از شن ریز و یا کربن فعال بعنوان محیط استفاده میشود .جهت جریان فاضلاب در راکتور از پایین به طرف بالا است به نوعی که موجب انبساط بستر ( محیط ) میگردد. انبساط بستر باعث رشد میکروبی بیشتر بر روی ذرات محیط میگردد.به علت انبساط بستر مشکلاتی نظیر افت فشار بالا ، کاتالیزه شده و کاهش راندمان ( که در سیستم بستر آکنده رخ می دهد ) ، در این سیستم ، حداقل می رسد . در این سیستم نیز به دلیل جدا شدن دائمی جامدات میکروبی از سطح محیط ها ، مرحله زلال سازی یا صاف سازی بعد از این سیستم لازم است . جزئیات بیشتر در مورد گزینه های مختلف نیترات زدایی با رشد چسبیده در منابع دیگر ارائه شده است.

نیترات زدایی لجن تک مرحله

به منظور اجتناب از هزینه های بالا بهره برداری جهت افزودن مداوم متانول مورد نیاز در فرایند نیترات زدایی مرحله مجزا ، فرایند های دیگری توسعه پیدا کرده اند که در آنها منبع کربن طبیعی موجود در فاضلاب برای ادامه فرایند نیترات زدایی مورد استفاده قرار میگیرند . این فرایند ها تحت عنوان "اکسیداسیون کربن / نیترات سازی / نیترات زدایی ترکیبی " یا " لجن تک مرحله ای " نامیده میشوند. دو منبع کربن در سیستم های لجن تک مرحله ای حذف بیولوژیکی نیتروژن مورد استفاده قرار میگیرد :

1) تجزیه خود تخریبی میکروارگانیسم های لجن فعال

 2) فاضلاب ورودی به سیستم تصفیه ثانوی

استفاده از یک یا هر دوی این منابع کربن به شکل و ساختار فرایند بستگی دارد . ترکیب اکسیداسیون کربن و نیترات سازی (بر خلاف نیترات ساری مرحله مجزا) جزء جدایی ناپذیر این سیستم ها می باشد .سیستم هایی که از منبع کربن خود تخریبی استفاده می کند از ابتدای سال 1970 پیشنهاد شدند.

در این سیستم ها بین حوضچه هوادهی و زلال ساز سیستم نیترات ساز لجن فعال متداول یک راکتور انوکسیک اضافه میگردد. سیستم هوادهی جهت انجام نیترات سازی طراحی شده است و نیترات زدایی از نیترات حاصل در یک حوض آنوکسیک صورت میگیرد .این سیستم به سادگی با یک واحد لجن فعال موجود ترکیب میشود. ولی این سیستم به خاطر در دسترس بودن نسبتا پایین میزان کربن از تجزیه خود تخریبی ، دارای سرعت بسیار پایین در نیترات زدایی می باشد . همچنین پتانسیل رها شدن نیتروژن آمونیاکی به خاطر تجزیه و لیز شدن جامدات بیولوژیکی وجود دارد.

در تلاش به منظور به حداقل رساندن رها سازی آمونیاک و احتیاج به راکتور انوکسیک بزرگ و سرعت پایین    ( منبع کربن خود تخریبی ) سیستم های تصفیه دیگری توسعه پیدا کرده اند. در این سیستم ها از مواد آلی موجود در فاضلاب ورودی برای انجام عمل نیترات زدایی استفاده میشود. اشکال متنوعی از این فرایند پیشنهاد و مورد ارزیابی قرار گرفته است.همه این فرایند ها شامل نواحی یا مراحل متناوب هوازی انوکسیک برای افرایش قابلیت حذف نیتروژن هستند . معمول ترین این سیستم ها فرایند چهار مرحله ای باردنفو میباشد.

در سیستم چهار مرحله ای باردنفو هم از کربن موجود در فاضلاب و هم کربن حاصل از تجزیه خود تخریبی جهت انجام فرایند نیترات زدایی وارد میشود. به این ناحیه جریانی از فاضلاب حاوی مایع مخلوط نیترات سازی شده ، از ناحیه بعدی برگشت داده میشود. کربن موجود در فاضلاب ورودی برای انجام نیترات زدایی بر روی جریان برگشتی مورد استفاده قرار میگیرد. سپس گاز نیتروژن حاصل در حوض هوادهی رها میگردد. آمونیاک موجود در فاضلاب خام که از نخستین ناحیه هوازی عبور می نماید ، در اولین ناحیه هوازی نیترات سازی نمی گردد. مایع مخلوط نیترات سازی شده که از ناحیه هوازی عبور نموده سپس به ناحیه دوم انوکسیک وارد میشود که در آن جا عمل نیترات زدایی بیشتر با میزان پایین منبع کربن خود تخریبی انجام میگیرد. یک مرحله نهایی هوادهی قبل از ته نشینی وجود دارد . این عمل رها سازی گاز نیتروژن و بهبود قابلیت ته نشینی لجن را فراهم میسازد . بر روی آمونیاک رها شده از لجن در ناحیه دوم انوکسیک عمل نیترات سازی انجام میگیرد.

فرایند های دیگر نیز برای دستیابی به اکسیداسیون کربن / نیترات سازی / نیترات زدایی ترکیبی مورد استفاده قرار میگیرد. نمونه ای از این فرایند ها از این فرایند ها ، استفاده از سیستم نهر اکسیداسیون می باشد . در سیستم نهر اکسیداسیون لجن فعال ، مایع مخلوط  بطور مداوم در یک کانال بیضی شکل می چرخد . مایع مخلوط ضمن حرکت توسط وسایل هوادهی نصب شده در یک یا چند نقطه از کانال هوادهی میشود. وسیله هوادهی ممکن است    شکل یا وسایل مناسب دیگر باشد. U هواده برسی ، هواده متداول با سرعت پایین ، هواده شناور با لوله

نوع طراحی و بهره برداری  سیستم این امکان را فراهم می نمایدکه در یک ناحیه هوازی عمل نیترات سازی بلافاصله در پایین دست هواده انجام شود و در ناحیه انوکسیک در بالا دست هواده که در یک فاصله معینی  بوجود می آید ،عمل نیترات زدایی صورت میگیرد .پساب نهر اکسیداسیون از قسمت بالادست ناحیه انوکسیک به حوض ته نشینی فرستاده میشود. این سیستم فقط دارای یک ناحیه انوکسیک است بنابراین درصد حذف نیتروژن به میزان فرایند باردنفو نمی باشد.

امکان بکارگیری تعداد زیادی از راکتور های دیگر وجود دارد . سیستم هایی که تنها از ناحیه انوکسیک اولیه و ناحیه هوازی اولیه استفاده می نمایند، راندمان خوبی جهت حفظ نیتروژن دارند ولی میزان حذف نیتروژن در آنها به میزان حذف در سیستم باردنفو نمی باشد. سیستم های راکتور بسته متوالی یا استفاده از سیکل های متوالی انوکسیک و هوازی را میتوان بطور موثر تری همانند توالی سیستم باردنفو بکار گرفت .سیستم های انتقال اکسیژن می توانند بطور متناوب جهت نیترات سازی  مورد بهره برداری قرار گیرند. این امر منجر به ایجاد دوره ای نواحی بی هوازی شده و نیترات زدایی صورت میگیرد. همچنین در صورتی که در حوضچه هوادهی مداوم ، میزان اکسیژن محلول به تدریج کاهش  یابد و در بخشی از حوضچه حالت انوکسیک ایجاد گردد، فرایند نیترات زدایی میتواند اتفاق بیفتد. این نکته حائز اهمیت است که عملکرد همه این سیستم ها بر طبق همان اصول بنیادی مشابه است و میتواند بر طبق همان اصول مورد ارزشیابی ، طراحی و بهره برداری قرار گیرد.

عملکرد

 هر دو فرایند نیترات زدایی مرحله مجزا و لجن تک مرحله ای قادر به حذف بالای نیتروژن تا حدود 85 تا95 درصد می باشند . همچنانکه در ادامه با جزئیات بیشتری بحث خواهد شد ، در هر دو فرایند پسابی با کیفیت مشابه حاصل می گردد. در فرایند لجن تک مرحله ای کنترل جامدات معلق در پساب انجام نمی گیرد. این فرایند رفتاری بسیار مشابه با فرایند لجن فعال نیترات ساز را نشان می دهد . به هر حال، بر اساس نوع فرایند نیترات پساب خروجی را افزایش داده و یا مانع از آن شود.سیستم های TSS زدایی در مرحله مجزا این فرایند ممکن است پساب خروجی دارد. به هر حال TSS صافی رشد چسبیده به دلیل صاف کردن پساب تاثیر مطلوب بر روی مقادیر ، در پساب به دلیل قابلیت ته TSS در سیستم های رشد چسبیده ریزش مداوم جامدات میکروبی باعث افزایش نشینی ضعیف این جامدات می گردد. سیستم های مرحله مجزای نیترات زدایی با رشد معلق  تاثیر چندانی برمیزان پساب ندارد. TSS

بهر برداری و نگهداری

هر کدام از دو روش فرایند نیترات زدایی ملاحظات بهره برداری منحصر به خود را دارا می باشند . هر دو سیستم برای اطمینان از انجام نیترات سازی  در دبی ها ( بار گذاری ها ) و دماهای مختلف به کنترلی مشابه با مرحله اکسیداسیون / نیترات سازی نیاز دارند. برای سیستم های مرحله مجزا ، فرایند نیترات زدایی با برگشت دادن میزان مایع مخلوط حاوی نیترات به ناحیه اول انوکسیک کنترل می گردد. نیترات موجود در لجن فعال برگشتی و مایع مخلوط میزان نیترات ورودی به اولین ناحیه انوکسیک را تشکیل می دهد.بنابراین میزان بالای حذف نیترات در ناحیه انوکسیک به وقوع می پیوندد. میزان مواد آلی موجود در فاضلاب می تواند یک عامل محدود کننده باشد، به ویژه اگر فاضلاب های صنعتی با نیتروژن بالا مورد تصفیه قرار گیرد. غلظت های بالای اکسیژن محلول در مایع مخلوط برگشتی بر روی قلیائیت انجام نیترات زدایی در فاضلاب های ضعیف تاثیر می گذارد. عملکرد بهره برداری کنترلی اولیه در سیستم های مرحله مجزا بر میزان افزایش متانول موثر است . در سیستم های رشد معلق یک حوضچه یا کانال هوادهی در ادامه فرایند نیترات زدایی برای اکسید نمودن متانول باقیمانده تعبیه میگردد.به هر حال ، میزان بیش از حد متانول می تواند ظرفیت مرحله هوادهی را به خود

  پساب خروجی می گردد.هوادهی پس از سیستم رشد چسبیده  BOD اختصاص داده و در نتیجه باعث افزایش

برای اکسیداسیون متانول موثر نبوده در نتیجه نیاز به کنترل دقیق این سیستم ها افزایش می یابد.بنابراین برای داشتن کیفیت پساب مشابه در هر دو سیستم لجن تک مرحله ای و مرحله مجزا ، بهره برداری از سیستم مرحله مجزا بسیار مشکل تر می باشد. به علاوه سیستم لجن تک مرحله ای به استفاده از مواد شیمیایی خارجی نیاز ندارد، در حالیکه در سیستم مجزا ذخیره سازی و کنترل متانول مورد دغدغه است. متانول یک ماده قابل اشتعال ، قابل انفجار و زیان آور برای تنفس است . به همین دلیل روش های ویژه ای برای ذخیره سازی و کنترل ایمن آن مورد نیاز است.

از لحاظ نگهداری ، نه فرایند مرحله مجزا و نه فرایند لجن تک مرحله ای موانع به خصوصی را ندارند . برای سیستم های صافی رشد چسبیده ممکن است عملیات نگهداری اضافی برای جابجایی بستر در مواقع گرفتگی بیش از حد ضروری باشد.

هزینه

سرمایه گذاری

راکتور های مرحله اول و دوم در سیستم های لجن تک مرحله ای نیتروژن به یک حوضچه مجزا یا قسمتهای مجزا در یک حوضچه معمولی احتیاج دارد .استفاده از یک حوضچه مشترک به دلیل هزینه پایین آن ترجیح داده می شود.به علاوه پمپاژ برگشت مایع مخلوط ( نیترات ) باید فراهم شود.برای نیترات زدایی مرحله مجزای رشد چسبیده ، یک راکتور انوکسیک کوچک تر از سیستم لجن تک مرحله ای مورد نیاز است. به هر حال باید ، مجموعه دیگری از تاسیسات زلال سازی و پمپاژ برگشت لجن احداث شود. این امر سبب افزایش هزینه سرمایه گذاری در این روش در مقایسه با سیستم های لجن تک مرحله ای میگردد. سیستم های نیترات زدایی با رشد چسبیده نیازمند احداث تانک  برای قرار دادن محیط ، سیستم زهکشی و شستشوی معکوس هستند. انواع سیستم های مرحله مجزا دارای هزینه اضافی جهت ذخیره سازی متانول و تجهیزات تزریق متانول می باشند. از فاکتور های مورد بحث در بالا چنین نتیجه میشود که سیستم نیترات زدایی مرحله مجزا دارای هزینه های سرمایه گذاری اولیه بالاتری از سیستم ها ی لجن تک مرحله ای خواهد بود.

بهره برداری

انرژی الکتریکی و مواد شیمیایی مورد نیاز دو مورد عمده از هزینه های سیستم های جذف نیتروژن هستند. سیستم های لجن تک مرحله ای ، برگشت مایع مخلوط به حوضچه انوکسیک و اختلاط حجم های بزرگ نواحی انوکسیک اول و دوم در مقایسه با سیستم مرحله مجزا روی هم رفته انرژی مازادی را مصرف می نمایند . با وجود این، این   و حذف تجهیزات هوادهی به خاطرانجام فرایند  نیترات BOD  هزینه ها بوسیله حذف قسمتی از

زدایی در فرایند لجن  تک مرحله ای جبران می شود.در فرایند های نیترات زدایی مرحله مجزا ، هزینه اضافی بهره برداری ( در مقایسه با فرایند لجن تک مرحله ای ) ، مربوط به متانول است.

همچنین هزینه های پرسنلی عملیات بهره برداری ممکن برای سیستم های مرحله مجزا بیشتر باشد ، زیرا واحد های فرایند بیشتری باید مورد بهره برداری قرار گیرند. به خاطر هزینه مربوط به استفاده از متانول ، معمولا سیستم های نیترات زدایی مرحله مجزا ، هزینه های بالا تری نسبت به سیستم های لجن تک مرحله ای داراست.

طراحی سیستم های لجن تک مرحله ای

طراحی فرایند

سیستم ها ی لجن تک مرحله ای حذف نیتروژن از سه فرایند اکسیداسیون کربن ، نیترات سازی و نیترات زدایی تشکیل شده است. در این سیستم ها ، اکسیداسیون کربن و نیترات سازی در نواحی هوازی انجام میگیرد. نیترات زدایی در ناحیه انوکسیک به وقوع می پیوندد.

مبحثی که در اینجا ارایه گردیده است ، مرور کلی پیرامون طراحی فرایند حذف نیتروژن است . روش ساده ای که در زیر مورد بحث قرار گرفته است شامل موارد زیر می باشد:

طراحی اولین ناحیه هوازی

طراحی نواحی انوکسیک و پمپاژ برگشت فاضلاب

طراحی دومین ناحیه هوازی ، در صورت نیاز

طراحی زلال ساز

کنترل موازنه جرمی کل فرایند

اولین ناحیه هوازی

نیتروژن قبل از حذف توسط فرایند نیترات زدایی باید در سیستم لجن تک مرحله ای حذف بیولوژیکی نیتروژن به نیترات تبدیل گردد. چون نیترات سازی یک فرایند هوازی است ، لذا تنها در ناحیه هوازی به وقوع می پیوندد. در نتیجه منطقی است که طراحی سیستم لجن تک مرحله ای با طراحی اولین ناحیه هوازی شروع شود.

) با متوسط زمان ماند سلولی جامدات SRT فرایند نیترات سازی زمانی انجام می شود که زمان ماند جامدات (

 در اولین ناحیه هوازی از مقادیر بحرانی حداکثر رشد باکتری های حذف کننده نیتروژن بالاتر باشد.MCRT    

  ناحیه هوازی به طور قابل ملاحظه ای تحت تاثیر دما قرار می گیرد. در نتیجه طراحی حداقل SRT حداقل

 ناحیه هوازی برای سیستم بیولوژیکی بر اساس پایین ترین میزان درجه حرارت بهره برداری صورت می SRT

گیرد. معمولا برای این منظور متوسط حداقل هفتگی یا ماهیانه درجه حرارت راکتور بیولوژیکی به جای حداقل درجه حرارت های روزانه انتخاب میگردد. به عنوان مثال ، سیستمی که متوسط هفتگی حداقل درجه حرارت    و تحت شرایط لحاظ شده در10^0C تخمین زده شده است را در نظر می گیریم ، در 10^0C راکتور بیولوژیکی برابر

 هوازی حدود 5/5 روز خواهد بود.SRT تهیه منحنی زیر حداقل

  ناحیه هوازی در فاکتور ایمنی که معمولا SRT طراحی ناحیه هوازی ، حداقل SRT پس برای بدست آوردن

بین 5/1 تا 5/2 است ، ضرب می شود. فاکتور ایمنی به منظور فراهم نمودن بهره برداری پایدار و کیفیت مورد  معمولا10^0C قبول پساب خروجی با توجه به شرایط متغیر جریان ورودی ضروری است . برای بهره برداری در

   طراحی بین 11 تا 14 روز به دست می آید.SRT فاکتور ایمنی بین 2 تا 5/2 مورد استفاده قرار می گیرد. در

، بسنگی دارد.MLSS نتیجه مقدار طراحی ناحیه هوازی نیز به میزان تولید لجن و غلظت جامدات معلق مایع

0/6 – 0/8 Lb Tss/Lb BOD وقتی که پساب اولیه مورد تصفیه قرار می گیرد، اغلب محدوده بین

  مورد استفاده قرار میگیرد.0/8 – 1 Lb Tss / Lb BOD و برای فاضلاب خام محدوده

روشی که در اینجا شرح داده شده است ، اساسا همانند روشی است که جهت طراحی راکتور بیولوژیکی در سیستم اکسیداسیون کربن ونیترات سازی مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین طراحی اولین ناحیه هوازی سیستم لجن تک مرحله ای نیترات سازی / نیترات زدایی با سیستم ترکیبی اکسیداسیون کربن و نیترات سازی یکسان است. عملکرد سیستم به لحاظ حذف نیتروژن آمونیاکی مشابه خواهد بود. بهره برداری در شرایط پایداری ، غلظت نیتروژن        2- 5/ 0   می باشد. mg/L آمونیاکی در پساب خروجی معمولا بین

بطور خلاصه ، طراحی اولین ناحیه هوازی شامل مراحل زیر است :

هوازی طراحی که بر اساس پایین ترین مقدار متوسط ماهانه یا هفتگی درجه حرارت بهره برداری SRT- انتخاب

و انتخاب فاکتور ایمنی صورت می گیرد.

 و بازدهی صورت میگیرد.BOD- محاسبه میزان تولید لجن ثانویه که بر اساس بارگذاری

 هوازی طراحی ( روز ) ضرب میگردد تا میزان جامدات اولین ناحیه هوازیSRT - میزان تولید لجن ثانویه در

حاصل گردد.

نواحی انوکسیک

طراحی فرایند نواحی انوکسیک شامل تعیین حجم راکتور های انوکسیک و میزان مورد نیاز فاضلاب بازگشتی است.

برقراری موازنه بین لجن نگه داشته شده در شرایط هوازی جهت انجام نیترات سازی و لجن هوادهی نشده موجود برای نیترات زدایی ضروری است. لجن هوادهی نشده بایستی بین اولین و دومین ناحیه انوکسیک تقسیم گردد. در حقیقت ، زمانیکه فقط 60 تا 75 در صد حذف نیتروژن مورد نظر باشد ، دومین ناحیه انوکسیک ممکن است به طور کامل حذف گردد. میزان نیترات سازی در اولین ناحیه انوکسیک به طور مستقیم به حداقل درجه حرارت فاضلاب و اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی بستگی دارد. موقعی که بار گذاری نیترات به اولین ناحیه انوکسیک ( که بوسیله میزان فاضلاب برگشتی کنترل می گردد) معادل پتانسیل نیترات زدایی باشد، بهترین عملکرد فرایند نیترات زدایی حاصل  میشود .طراحی حوضچه انوکسیک به غلظت تخمینی مایع مخلوط و میزان لجن هوادهی نشده در هر یک از نواحی انوکسیک بستگی دارد.

طراحی اولین ناحیه انوکسیک جهت حذف نیترات ورودی به آن ( مایع مخلوط برگشتی ) و بر اساس مقادیر ویژه نیترات زدایی انجام می گیرد. سپس طراحی دومین ناحیه انوکسیک برای حذف باقیمانده نیترات  برای رسیدن به حد مجاز تخلیه ، صورت می گیرد. در این روش ابتدا میزان نیتروژنی که باید تبدیل به نیترات گردد محاسبه می گردد. این مقدار را میتوان از کم کردن میزان نیتروژن جذب شده ثانویه از کل نیتروژن ورودی محاسبه نمود. میزان نیتروژن موجود در لجن ثانویه معمولا 8 تا 12 درصد میزان جامدات فرار آن می باشد.

سپس باید میزان مایع مخلوط محاسبه شود . اساسا ، مقداری از نیترات حذف شده در اولین ناحیه انوکسیک باید برگشت داده شود. میزان نیترات حذف شده در اولین ناحیه انوکسیک با نیترات تولید شده در اولین ناحیه هوازی منهای مقدار نیترات ورودی به دومین ناحیه انوکسیک ، برابر است با انتخاب غلظت نیترات در اولین ناحیه هوازی ، می توان مقدار کاهش نیترات در اولین و دومین ناحیه انوکسیک را محاسبه نمود. میزان بزگشت مایع مخلوط با استفاده از محاسبه میزان نیتراتی که باید کاهش یابد، تعیین میگردد. معمولا طراحی اولین ناحیه انوکسیک و میزان برگشت فاضلاب بر اساس میزان حذف 65 تا85 در صد نیترات صورت می گیرد. غلظت نیترات در اولین ناحیه هوازی 4 تا 8 میلی گرم در لیتر بر حسب نیتروژن می باشد. ظرفیت پمپاژ جریان برگشتی بین 100 تا 400 درصد میزان جریان ورودی به تصفیه خانه می باشد.

در مرحله بعدی طراحی هر دو ناحیه انوکسیک اول ودوم بر اساس سرعت های ویژه مناسب فرایند نیترات زدایی بالا تر فاضلاب خام ، سرعت ویژه نیترات زدایی در اولین ناحیه انوکسیک بالا تر از COD انجام میشود به دلیل  فاضلاب خام می باشد.COD دومین ناحیه انوکسیک است.این مساله بخاطر میزان بالاتر

سرعت های ویژه نیترات زدایی در اولین ناحیه انوکسیکبه میزان نسبت غذا به میکروارگانیسم در اولین ناحیه انوکسیک به صورت زیر ارتباط دارد:

SRDN₁ = 0/03 ( F/M ) + 0/029         (1)

که :

سرعت ویژه نیترات زدایی در اولین ناحیه انوکسیک

SRDN₁ = g NO_X – N/ _{g MLSS-day}

  دراولین ناحیه انوکسیک F/M میزان بارگذاری

F/M = g BOD / _{g MLSS} – _day

سرعت ویژه نیترات زدایی در اولین ناحیه انوکسیک به طور معمول در محدوده

 15/0 – 05/0 g NO_X – N/ _{g MLSS-day}

می باشد سرعت های ویژه نیترات زدایی عمدتا به میزان بارگذاری آلی در ناحیه انوکسیک و به طبیعت فاضلاب بستگی دارد . مقادیر محاسبه شده از طریق معادله 1 معمولا برای فاضلاب شهری متوسط در نظر گرفته می شود. سرعت های ویژه نیترات زدایی در دومین ناحیه انوکسیک به طور معمول بین 20 تا 50 درصد مقدار آن در اولین ناحیه انوکسیک است. به هر حال با ، استفاده از میزان حذف نیترات در هر ناحیه میتوان سرعت ویژه    طراحی و حجم هر ناحیه را محاسبه نمود.MLSS مناسب نیترات زدایی ، غلظت

بطور خلاصه روش طراحی نواحی انوکسیک شامل مراحل زیر است :

محاسبه میزان نیتروژنی که باید حذف شود

انتخاب غلظت نیترات در پساب اولین ناحیه انوکسیک ، که بر اساس آن میزان نیتراتی که در اولین ناحیه انوکسیک  حذف میشود محاسبه میگردد. هم چنین میزان مایع مخلوط برگشتی محاسبه میشود.

انتخاب سرعت های ویژه مناسب برای فرایند زدایی برای نواحی اول و دوم انوکسیک

محاسبه ابعاد هر کدام از نواحی انوکسیک ، بر اساس مقادیر حذف  نیترات در هر ناحیه ، سرعت های ویژه MLSS نیترات زدایی ، غلظت

برای بهینه سازی طراحی کل سیستم و حذف بهتر نیترات ، مراحل 2 تا 4 را میتوان با استفاده از غلظت های متفاوت نیترات  در پساب اولین ناحیه هوازی تکرار نمود.

دومین ناحیه هوازی

در سیستم لجن تک مرحله ای ،دومین ناحیه هوازی اهداف زیر را تامین مینماید :

رهاسازی گاز نیتروژن تولید شده توسط جامدات میکروبی در دومین ناحیه انوکسیک ، به منظور فراهم ساختن ته نشینی مناسب و زلال ساز های بعدی

نیترات سازی روی آمونیاک تولید شده در نتیجه تجزیه خود تخریبی در دومین ناحیه انوکسیک

بنابراین چنانچه دومین ناحیه انوکسیک موجود باشد، حذف آمونیاک ضروری است.طراحی این ناحیه نسبتا ساده است که شامل تعیین ابعاد ناحیه ونیاز های هوادهی می باشد. اندازه این ناحیه باید به نحوی در نظر گرفته شودکه در شرایط جریان متوسط  زمان ماند هیدرولیکی 30 تا 45 دقیقه را تامین نماید.

هوادهی مورد نیاز باید بر اساس پیش بینی نیترات سازی بر روی آمونیاک خروجی از دومین ناحیه انوکسیک و اکسیژن مورد نیاز مواد کربنه ناشی از تجزیه خود تخریبی در مایع مخلوط تعیین گردد.

 انرژی مورد نیاز برای  زلال سازی ثانویه

میباشد 0/6 – 1/5 hp /_{1000 ft}³ یا برای هوا دهی مکانیکی  سطحی 20cfc/_1000ft³ هوا دهی دیفیوزری حدود

اساسا طراحی فرایند زلال سازهای ثانویه با طراحی این سیستم در فرایند لجن فعال یکسان است. یعنی در تعداد و نیز ابعاد زلال ساز ها برای تامین با ر سطحی مورد نیاز در حدود 300 تا 600 گالن بازای فوت مربع در روز ( بر اساس متوسط جریان ) با یکدیگر یکسان هستند . البته میزان بار گذاری جامدات زلال ساز ثانویه باید مورد  طراحی مطلوب نیست زیرا در برخی از تاسیسات لجن تک مرحله ای SOR. تجدید نظر قرار گیرد میزان بالای   در این شرایط ممکن است پدیده توده ای شدن لجن پیش آید.

کنترلهای موازنه جرمی

پس از طراحی اجزا اختصاصی فرایند ، طرح باید بوسیله محاسبه موازنه های جرمی متعدد کنترل گردد. موازنه جرمی اکسیژن کل فرایند بر اساس اکسیژن مورد نیاز مواد کربنه/ نیترات سازی انجام میگیرد.همچنین موازنه جرمی قلیائیت شامل قلیائیت تولیدی در فرایند نیترات زدایی و قلیائیت مصرف شده در فرایند نیترات سازی باید   بوسیله افزودن مواد شیمیایی پیش از اولین ناحیه هوازی   pH انجام شود. محاسبه قلیائیت نشان میدهد که آیا تنظیم

  کل فرایند باید محاسبه گردد که در محدوده قابل قبول قرار داشته باشدSRT ضروری می باشد یا خیر. در نهایت