تصفيه به روش بركه هاي تثبيت (لاگون ها)

يكي از انواع روش هاي تصفيه بيولوژيكي فاضلاب، استفاده از بركه هاي تثبيت مي باشد. اين بركه ها استخرهاي خاكي با عمقهاي متفاوتي مي باشند كه در آنها فاضلاب به وسيله عوامل طبيعي تصفيه مي شود. استفاده از اين روش در تصفيه فاضلاب از دير باز متداول بوده ولي به علت پاره اي از معايب اساسي در مقایسه با روش هاي مدرن، از دامنه كاربرد آن كاسته شده بود. اين متد در سالهاي اخير مجدداً مورد توجه قرارگرفته و بررسي و تحقيقات زيادي را به خود اختصاص داده است. اكنون در  يكسري از كشورهاي جهان با شرايط آب و هوايي متفاوت از استراليا گرفته تا هندوستان و كانادا و آلاسكا از بركه هاي تثبيت در تصفيه فاضلاب استفاده مي نمايند. اساس كار بركه هاي تثبيت بر پايه فعاليت ميكروارگانيسم هاي مختلف در شرايط متفاوت مي باشد. اين ميكروارگانيسم ها اكسيژن مورد نياز خود را از منابع زير تأمين نموده و پس از تكثير، مواد آلي فاضلاب را اكسيده نموده، ته نشين مي سازند، این منابع عبارتند از:

1- اكسيژن محلول در فاضلاب

2- اكسيژن موجود در هواي آزاد

3- اكسيژن موجود در تركيبات آلي درون فاضلاب

مناسب بودن شرايط اقليمي در ايران و زياد بودن تعداد روزهاي آفتابي و وجود زمين كافي در اطراف شهرهاي جنوبي، استفاده از اين روش در تصفيه فاضلاب را بيش از پيش مطرح مي سازد. در مناطق سردسير كشور به علت برودت هوا از راندمان بركه ها كاسته شده و جهت بدست آوردن راندمان مناسب، زمان توقف نسبتاً بالايي مورد نياز خواهد بود كه دستيابي به آن مستلزم وجود اراضي باير و وسيع مي باشد.بركه هاي تثبيت علاوه بر تصفيه فاضلاب شهري در تصفيه فاضلاب صنعتي نيز كاربرد دارد. محاسن و معايب بركه هاي تثبيت به شرح زير مي باشد:

× محاسن بركه هاي تثبيت:

– عدم نياز به تجهيزات مكانيكي پيچيده و درنتيجه عدم نيازبه افراد متخصص درسطح بالا

– سادگي راهبري و بهره برداري

– نياز به مصرف انرژي در حد بسيار كم

– عدم نياز به ارز براي تهيه تجهيزات

– پايين بودن هزينه هاي ساختماني به علت سادگي آن (در صورت وجود خاك مناسب در منطقه)

× معايب بركه هاي تثبيت:

–  نياز به زمين بيشتر كه اين امر خود هزينه تصفيه خانه را مخصوصاً در مناطقي كه زمين از ارزش بالايي برخوردار است، به شدت افزايش مي دهد. زمين مورد نياز در لاگون هاي بدون هوادهي (بركه تثبيت ساده) به طور متوسط در حدود 8 مترمربع و در سيستم هوادهي طولاني در حدود 5/0 مترمربع  و در هوادهي پله اي در حدود 3/0 مترمربع و در لاگون هاي هوادهي در حدود 75 /0 مترمربع براي هر نفر گزارش شده است.

– خط انتقال فاضلاب در تصفيه فاضلاب به روش بركه ها به دليل محدوديت در فاصله از مراكز جمعيتي طولاني تر از بقيه روشها مي باشد و اين مسأله نيز به نوبه خود هزينه پروژه را افزايش مي دهد.

– يخ زدن سطح بركه ها در فصول سرد در مناطق سردسير مشكلات زيادي به وجود آورده و راندمان بركه ها را به شدت كاهش مي دهد. اين مسأله موجب اختصاص زمين زيادي جهت ذخيره سازي فاضلاب در زمستان مي گردد.

– انتشار بوهاي ناراحت كننده در محيط اطراف بركه ها و تجمع حشرات موذي نظير پشه و مگس از ديگر معايب بركه ها مي باشد.

– افزايش هزينه عمليات خاكي، پوشش كف و ديواره در صورت عدم وجود خاك مناسب در محل تصفيه خانه

انواع استخرهاي تثبيت

بر حسب عمق استخر و نفوذ اكسيژن و نور خورشيد به درون استخر و نوع ميكروارگانيسم هاي غالب در فعل و انفعالات بيولوژيكي، بركه ها به چند نوع دسته بندي مي گردند. در گزارش حاضر انواعي از بركه ها که بر اساس فعل و انفعالات بيولوژيكي تقسيم بندي شده اند مورد بحث قرار می گیرند و عبارتند از :

الف- بركه هاي هوازي (Aerobic Ponds)

ب- بركه هاي بي هوازي (Anaerobic Ponds)

ج- بركه هاي اختياري يا فاكولتاتيو (Facultative Ponds)

د- لاگون هاي با هوادهي مكانيكي(Aerated Lagoons)

ی- بركه هاي تكميلي ( Maturation Ponds)

الف- بركه هاي هوازي (Aerobic Ponds)

در استخرهاي هوازي عمق استخر را به اندازه اي در نظر مي گيرند كه نور آفتاب در تمام عمق آن نفوذ نمايد. اكسيژن گيري اين بركه ها بر مبناي فتوسنتز جلبكها و تماس هوا با سطح استخر صورت مي پذيرد. عمق اين استخرها بايد كم و در حدود 5/0 تا 5/1 متر باشد كه تحت آن شرايط، در تمام عمق استخر، باكتريهاي هوازي بتوانند فعل و انفعالات بيولوژيكي را به راحتي انجام دهند. چون در تمام عمق حوضچه شرايط هوازي برقرار مي باشد ايجاد بوهاي مزاحم به حداقل خواهد رسيد. باكتريهاي هتروتروف، مواد آلي داخل فاضلاب را حذف نموده كه اين مواد هم براي توليد انرژي و هم براي عمليات سنتز مورد استفاده قرار مي گيرند. بخشي از مواد آلي كه باعث توليد انرژي مي گردند ، بصورت CO2 و آب و بقيه به مواد معدني تبديل مي شوند. مواد معدني و CO2 آزاد شده ناشی از فعل و انفعالات باكتري ها، توسط جلبكها در طول رشد آنها مورد استفاده قرار مي گيرد. در اصل باكتري ها و جلبك ها در اين سيستم يك رابطه (Symbiotic Relationship) دارند. در اين استخرها به منظور رسيدن نور خورشيد به كف حوضچه بايد از رشد بي رويه گياهان آبزي جلوگيري به عمل آيد. در برخي از استخرهاي هوازي با پيش تصفيه كه  به منظور حذف مواد قابل ته نشيني ساخته مي شوند از تركيب چندين استخر استفاده  مي گردد كه حداقل سه استخر بايد در اين تركيب وجود داشته باشند. بار سطحي استخرها معمولاً بزرگتر از 4 گرم BOD  برمترمربع در روز توصيه مي گردد. اين رقم برابر با  10 الي 15 مترمربع براي هر نفر مي باشد. استخرهاي هوازي بر مبناي بارگذاري به سه نوع پربار، معمولي و كم بار تقسيم مي شوند. حداقل فاصله آنها از مناطق مسكوني بين 500 تا 1500 متر مي باشد. زمان ماند در استخرهاي هوازي معمولاً 10 الي 40 روز است. (البته درمرجعی بنام “Biological Process Design for Wastewater Treatment”  نوشته بنيفيلد اين زمان 2 تا 6 روز ذكر شده است). اين بركه ها به علت نياز به زمين بسيار زياد در مناطقي كه زمين از ارزش بالايي برخوردار است مورد استفاده قرار نمي گيرد. بار سطحي متداول در اين سـيستم از 2/11 تا 4/22 گرم در هر مترمربع (100 تا 200 پوند در هر يك روز) مي باشد.

ب- بركه هاي بي هوازي (Anaerobic Ponds)

در استخر هاي بي هوازي بار مواد آلي و عمق استخر به قدري زياد است كه تمام استخر در شرايط بي هوازي عمل مي نمايد. عمق اين استخرها معمولاً 5/2 الي 5 متر و زمان ماند فاضلاب در آنها حدود 2 الي 5 روز انتخاب مي گردد. استخرهاي بي هوازي معمولاً براي تصفيه مقدماتي  فاضلاب هاي صنعتي و يا تصفيه لجن حاصل از تصفيه بيولوژيكي فاضلاب به كار مي روند پساب خروجي از استخرهاي بي هوازي بايد مورد تصفيه تكميلي و نهايي قرار گيرد. اشكال عمده تصفيه توسط بركه هاي بي هوازي، ايجاد بوهاي مزاحم و ناخوشايند و غيرقابل كنترل مي باشد. گاهاً به منظور جلوگيري از انتشار اينگونه بوها از مواد شيميايي مانند نيترات سديم استفاده مي نمايند كه در پاره اي از موارد  چاره ساز نمي باشد. بنابراين در ساخت اين نوع استخرها، فاصله بيشتري از مناطق مسكوني را بايد اختيار نمود. تغييرات درجه حرارت بر روي عملكرد و راندمان استخرهاي بي هوازي تأثير فاحشي مي گذارد . در درجه حرارت زير 3 درجه سانتيگراد، اين استخرها عملاً به يك حوضچه ته نشيني تبديل مي گردند و در خلال ماه هاي سرد سال و در درجات حرارت زير صفر درجه سانتيگراد، تجزيه مواد آلي توسط اين استخرها متوقف مي گردد. تصفيه فاضلاب در اين بركه ها عمدتاً توسط ميكروارگانيسم هاي بي هوازي انجام مي گيرد كه اكسيژن مورد نياز خود را  از اكسيژن محلول در فاضلاب و يا از اكسيژن موجود در مواد آلي فاضلاب كسب مي نمايند. اين استخرها در فواصل معيني بايد لجن روبي گردند و اين زماني است كه تقريباً نيمي از استخر از لجن پر شده باشد، مدت زماني كه مي توان براي اين كار تعيين نمود 2 تا 5 سال مي باشد.

محاسبه استخرهاي بي هوازي معمولاً به روشهاي زير انجام مي گيرد:

الف) ميزان بار سطحي ( برحسبBOD5 (kg/ha.day) )

ب) ميزان بار حجمي ( برحسبBOD5 (gr/m3.day) )

ج) زمان ماند هيدروليكي (برحسبday )

استفاده از اين استخرها توسط بعضي از مراجع براي فاضلاب شهري هم توصيه شده است. يكي از عيوب عمده بركه هاي بي هوازي توليد بوهاي نامطبوع است. نيترات سديم به منظور جلوگيري از ايجاد بوهاي نامطبوع در مواردي به كار گرفته شده ولي اين ماده اولاً گران است و ثانياً در پاره اي موارد تأثير چنداني نداشته است. در بعضي موارد نيز سعي شده است با اضافه كردن آب به استخر و تشكيل لايه اي هوازي  در سطح، از متصاعد شدن بوهاي نامطبوع جلوگيري گردد.

 

ج- بركه هاي اختياري ( Facultative Ponds )

بركه هاي فاكولتاتيو يا دوزيستي يكي از متداولترين بركه ها مي باشد. در اينگونه بركه ها در عمق مايع، سه منطقه از نظر فعل و انفعالات بيولوژيكي شناسايي شده اند. منطقه بالايي به صورت هوازي عمل مي نمايد. در اين قسمت، باكتريها اكسيژن مورد نياز خود را از طريق جذب سطحي و مقدار بيشتري از طريق فتوسنتز جلبكها (با استفاده از نور خورشيد) دريافت نموده و در نتيجه تكثير يافته و مواد آلي را تبديل مي كنند. در منطقه پاييني (در عمق بركه) به علت فقدان اكسيژن ، باكتريهاي بي هوازي فعاليت مي نمايند. منطقه مياني منطقه اي است كه بخشي به صورت بي هوازي عمل مي كند و بدين جهت اين گونه بركه ها را بركه هاي فاكولتاتيو يا اختياري نامگذاري نموده اند. در كف بركه شرايط بي هوازي حاكم مي باشد و چون جذب اشعه خورشيد به وسيله سلولهاي جلبكي انجام شده و عمق نفوذ مؤثر خورشيد كمتر از يك متر مي باشد، بنابراين توليد اكسيژن محلول در استخر نشانگر ماكزيمم اكسيژن حل شده در سطح بركه و مقدار ناچيزي در عمق بركه است. لازم به ذكر است كه اكسيژن محلول در  بخش هوازي بركه در روز بيشتر از شب مي باشد. عمق مايع در اين بركه ها 2/1 تا 5/2 متر و زمان ماند معمولاً از 25 تا 180 روز متغير است BOD5 پساب خروجي نيز بين 20 تا 60 ميلي گرم در ليتر و SS نيز از 30 تا 150 ميلي گرم در ليتر متغیر است. نكته  بسيار مهمي كه در اين گونه بركه ها مطرح مي باشد اين است كه عليرغم استفاده گسترده از بركه هاي اختياري در شرايط آب و هوايي گوناگون و كسب نتايج مطلوب، نمي توان اين بركه ها را به سادگي براي مناطقي كه درجه حرارت هوا در زمستان زير صفر بوده و روزهاي يخبندان زياد می باشد، طرح و اجراء نمود. در مناطق سردسير، ايجاد قشر يخ در سطح مايع (در فصل زمستان) مانعي در برابر تابش نور خورشيد (در روزهاي آفتابي) بوده كه خود سبب كاهش شديد فتوسنتز جلبكها شده و همچنين فرآيند جذب سطحي اكسيژن نيز منتفي و بركه عملاً تبديل به بركه بي هوازي خواهد شد. نتيجه اين امر كاهش شديد در راندمان سيستم و توليد بوهاي نامطبوع در آغاز فصل بهار و همزمان با ذوب يخها خواهد بود. توليد گاز حاصل از تجمع لجن در كف اين استخرها باعث تعليق جامدات ته نشين شده و افزايش بار BOD5 و SS خروجي از اين استخرها در فصل بهار مي گردد. در شکل زیر شمائي از فعل و انفعالات داخل برکه اختياري نشان داده شده است.

 

شمائي از فعل و انفعالات داخل برکه اختياري

 

د- لاگون های با هوادهي مكانيكي ( Aerated  Lagoons )

براي كاهش سطح مورد نياز و افزايش راندمان تصفيه در زمانهاي كوتاه از هواده هاي سطحي در بركه ها استفاده مي شود. در اين حالت اصطلاحاً به اين بركه ها لاگون گفته مي شود . لاگونهاي هوادهي، بسته به ميزان انرژي كه به واحد حجم استخر داده مي شود به 2 نوع اختلاط كامل و ناقص تنظيم مي شوند.

 

 

د-1- لاگون هاي هوادهي اختلاط ناقص یا اختیاری ( Facultative  Lagoons )

در بسياري از مناطق كشور، اختلاف درجه حرارت زيادي در ماه هاي گرم و سرد سال وجود دارد و از طرفي زمين كافي براي آنكه بركه براي ماههاي سرد سال طراحي شود وجود ندارد. بنابراين بركه ها را براي ماه هاي گرم سال طراحي مي كنند و براي جبران كاهش ظرفيت تصفيه در ماه هاي سرد سال از
هواده هاي مكانيكي براي رساندن اكسيژن به حجم فاضلاب استفاده مي شود.

 

 

د-2-  لاگون هاي هوادهي با اختلاط كامل

در لاگون هاي هوادهي با اختلاط كامل قدرت هواده ها طوري در نظر گرفته مي شود كه تمام جرم ميكروبي در لاگون به صورت معلق در آورده شود. زمان ماند در اين استخرها حدود 3 تا 10 روز مي باشد و عمق لاگون ها 2 تا 5 متر در نظر گرفته مي شود.

 

شماي لاگون اختلاط کامل

 

ميزان انرژي داده شده به حجم استخر طبق نشريه شماره 3-129 استاندارد از 6 الي 20 كيلووات به ازاي هر هزار مترمكعب ذكر شده است. در مرجعی به نام Industrial Water Pollution Control-2000  تاليف Eckenfelder ميزان انرژي داده شده به حجم استخر بر اساس غلظت مواد معلق براي  اختلاط كامل از 8/2 تا 9/3 كيلووات براي هر هزار مترمكعب فاضلاب ذكر شده است.

ی- بركه هاي تكميلي (Maturation Ponds)

هدف از ايجاد استخرهاي تكميلي، بهبود كيفيت پساب خروجي مي باشد. چنانچه تصفيه فاضلاب توسط لاگونهاي اختياري- هوازي و يا بي هوازي، نتيجه مورد نظر را تأمين نمايد و يا در اثر ازدياد جمعيت، سيستم موجود جوابگوي شرايط فعلي نباشد، استخرهاي تكميلي به عنوان عامل كمكي به مدار تصفيه اضافه مي گردد. استخرهاي تكميلي را معمولاً به طور سري در مدار قرار داده و تعداد آنها را براساس درجه تصفيه تعيين مي نمايند. زمان ماند اين استخرها 1 تا 5 روز طبق توصيه WHO در نظر گرفته مي شود. ميزان انرژي داده شده به حجم استخر طبق نشريه شماره 3-129 استاندارد از 6 الي 20 كيلووات به ازاي هر هزار مترمكعب ذكر شده است. در مرجعی به نام Industrial Water Pollution Control-2000  تاليف Eckenfelder ميزان انرژي داده شده به حجم استخر بر اساس غلظت مواد معلق براي  اختلاط كامل از 8/2 تا 9/3 كيلووات براي هر هزار مترمكعب فاضلاب ذكر شده است.

هدف از ايجاد استخرهاي تكميلي، بهبود كيفيت پساب خروجي مي باشد. چنانچه تصفيه فاضلاب توسط لاگونهاي اختياري- هوازي و يا بي هوازي، نتيجه مورد نظر را تأمين نمايد و يا در اثر ازدياد جمعيت، سيستم موجود جوابگوي شرايط فعلي نباشد، استخرهاي تكميلي به عنوان عامل كمكي به مدار تصفيه اضافه مي گردد. استخرهاي تكميلي را معمولاً به طور سري در مدار قرار داده و تعداد آنها را براساس درجه تصفيه تعيين مي نمايند. زمان ماند اين استخرها 1 تا 5 روز طبق توصيه WHO در نظر گرفته مي شود.