حذف فسفر از فاضلاب

کنترل فسفر تخلیه شده از تصفیه خانه های فاضلاب شهری و صنعتی یک عامل کلیدی در جلوگیری از اوتروفیکاسیون آب های سطحی است. فسفر یکی از مواد مغذی اصلی است که در افزایش اتروفیکاسیون دریاچه ها و آب های طبیعی نقش دارد. وجود آن باعث بسیاری از مشکلات کیفی آب از جمله افزایش هزینه های تصفیه، کاهش کیفیت یک آبگیر، تلف شدن دام و رشد جلبکی که باعث مسموم شدن آب آشامیدنی می شود، میباشد. حذف فسفر از فاضلاب در حال حاضر عمدتاً توسط فرایند رسوب شیمیایی حاصل می شود که روشی گران قیمت است و باعث افزایش حجم لجن تا 40 درصد می شود. یکی از روش های جایگزین آن، حذف بیولوژیکی فسفات (BPR) است.

فسفر در فاضلاب

فاضلاب شهری ممکن است حاوی 5 تا 20 میلی گرم در لیتر فسفر کل باشد که 1 تا 5 میلی گرم در لیتر آن آلی و بقیه غیر آلی است. فسفر یکی از اجزای اصلی مواد شوینده مصنوعی است. سهم فسفر تولیدی برای هر فرد، بین 0.65 تا 4.80 گرم در هر نفر در روز با میانگین حدود 2.18 گرم متغیر است. اشکال معمول فسفر موجود در محلول های آبی عبارتند از:

• ارتوفسفات ها: برای متابولیسم بیولوژیکی بدون تجزیه بیشتر در دسترس هستند.
• پلی فسفات ها: مولکول هایی با 2 یا تعداد بیشتر اتم فسفر، اکسیژن و در برخی موارد اتم های هیدروژن در یک مولکول پیچیده ترکیب می شوند. معمولا پلی فسفات ها تحت هیدرولیز قرار می گیرند و به فرم های ارتوفسفات باز می گردند. این روند معمولاً بسیار کند است.

به طور معمول تصفیه اولیه تنها می تواند 1-2 میلی گرم در لیتر را حذف کند، بنابراین مقدار زیادی فسفر در پساب نهایی تخلیه می شود و باعث اتروفیکاسیون در آب های سطحی می شود. طبق قوانین جدید، تخلیه فاضلاب در پذیرنده های طبیعی مستلزم حداکثر غلظت فسفر 2 میلی گرم در لیتر میباشد. بنابراین باید از روش های پیشرفته تر برای حذف فسفر از فاضلاب بهره جست.

پیشنهاد می کنیم مقاله مواد منعقد کننده در تصفیه فاضلاب را مطالعه نمایید و اطلاعات بیشتری در این زمینه کسب کنید.

باکتری های حذف کننده فسفر

مهم ترین باکتری حذف فسفر، هترتروف  heterotroph نام دارد که می‌تواند مولکول‌های کربنی ترکیبات آلی را جذب یا هضم کند و به جای استفاده از فرایند تثبیت کربن، از منابع غیر آلی مانند کربن دی‌اکسید استفاده و ادامه حیات دهد.

روش های حذف فسفر از فاضلاب

حذف فسفر از فاضلاب شامل ترسیب فسفات به TSS و مرحله بعدی ، حذف این مواد جامد است. فسفر را می توان در جامدات بیولوژیکی (مانند میکروارگانیسم ها) یا رسوبات شیمیایی جمع آوری کرد. رسوب شیمیایی برای حذف اشکال غیر آلی فسفات با افزودن یک منعقد کننده و مخلوط کردن فاضلاب و منعقد کننده استفاده می شود. یون های فلزی چند ظرفیتی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند کلسیم، آلومینیوم و آهن هستند.

•  کلسیم: معمولاً به شکل آهک Ca(OH)2 اضافه می شود. با قلیاییت طبیعی موجود در فاضلاب واکنش نشان می دهد تا کربنات کلسیم تولید کند که در درجه اول مسئول افزایش حذف TSS است. با افزایش مقدار pH فاضلاب به حدود 10، یون‌های کلسیم اضافی با فسفات واکنش داده و رسوب می‌کنند.  از آنجا که واکنش بین آهک و فسفر در درجه اول به قلیایی بودن فاضلاب بستگی دارد، دوز آهک مورد نیاز را می توان 1.5 برابر قلیائیت CaCO3  تقریب زد. خنثی سازی ممکن است برای کاهش pH قبل از تصفیه یا دفع بعدی مورد نیاز باشد. برای کاهش مقدار pH از کربن دی اکسید کربن (CO2) استفاده می شود.

• آلومینیوم و آهن: آلومینیوم به طور گسترده موجب رسوب فسفات های آلومینیوم (AIPO4) میشود. این واکنش به طرز معجزه آسایی ساده است و بسته به ثابت های تعادلی واکنش های مرتبط و اثرات قلیاییت و pH در نظر گرفته شود. میزان دوز مورد نیاز تابعی از حذف فسفر مورد نیاز است. با کاهش غلظت فسفر، کارایی انعقاد کاهش می یابد. در عمل، نرخ حذف 80 تا 90 درصد در نرخ های دوز منعقد کننده بین 50 تا 200 میلی گرم در لیتر به دست می آید. منعقد کننده های آلومینیومی می توانند بر جمعیت میکروبی در لجن فعال، به ویژه تک یاخته ها و روتیفرها، در نرخ های دوز بالاتر از 150 میلی گرم در لیتر تأثیر نامطلوب بگذارند. با این حال، این مسئله بر حذف BOD یا TSS تأثیر چندانی نمی‌گذارد، زیرا عملکرد شفاف‌سازی تک یاخته‌ها و روتیفرها تا حد زیادی با حذف TSS افزایش یافته ، که توسط رسوب شیمیایی جبران می‌شود.

• کلرید آهن یا سولفات آهن نیز به عنوان منعقدکننده شناخته شده اند، و به طور گسترده برای حذف فسفر از فاضلاب استفاده می شوند. یون های آهن با هم ترکیب می شوند و فسفات آهن را تشکیل می دهند. آنها به آرامی با قلیاییت طبیعی واکنش نشان می دهند و بنابراین معمولاً یک کمک منعقد کننده مانند آهک برای افزایش pH به منظور افزایش انعقاد اضافه می شود.

در مقاله حذف بو در تصفیه خانه فاضلاب به بررسی راه های حذف کردن بو می پردازیم.

استراتژی ها

فرآیندهای اصلی حذف بیولوژیکی فسفر عبارتند از (تصویر زیر را ببینید):

1. تصفیه فاضلاب اولیه (رسوب شیمیایی)

2. تصفیه پساب واحد بیولوژیکی

3. تصفیه همزمان با واکنش بیولوژیکی ثانویه (هم رسوب).

فرآیند اول در دسته کلی فرآیندهای رسوب شیمیایی قرار می گیرد. فسفر با راندمان 90 درصد حذف می شود و غلظت فسفر نهایی کمتر از 0.5 میلی گرم در لیتر است. دوز شیمیایی برای حذف فسفر همان دوز مورد نیاز برای حذف BOD و TSS است. این، فرآیندی است که بیشترین کارایی را در حذف فسفر دارد. راندمان حذف می تواند به 95% برسد و غلظت فسفر در پساب می تواند کمتر از 0.5 میلی گرم در لیتر باشد. رسوب شیمیایی همچنین باعث حذف درصد بالایی از TSS می شود. مزیت آن نیز تضمین کارایی تصفیه در حد معینی است که حتی اگر فرآیند بیولوژیکی به دلایلی کارآمد نباشد، جبران کند. فرایند شیمیایی برای حذف فسفر از فاضلاب، کاربردی تر است؛ زیرا تصفیه بیولوژیکی بخشی از فسفات های آلی را به ارتوفسفات تبدیل می کند. از معایب این روش، هزینه های بالای تصفیه خانه (حوضچه های بزرگ ) و یا گاهی اوقات پساب بیش از حد رقیق است.

استفاده از نمک های فریک نیز خطر وجود مقداری آهن در پساب با رنگ باقیمانده را دارد. دوز یون های فلزی در حدود 1.5-2.5 یون برای هر یون فسفر است که به طور متوسط حدود 10-30 گرم در یک لیتر آب میباشد. فرآیند رسوب همزمان به ویژه برای واحد‌های لجن فعال، جایی که مواد شیمیایی مستقیماً در مخزن هوادهی یا قبل از آن مخلوط میشود، مناسب است. گردش مجدد لجن ، همراه با فرآیند انعقاد و لخته سازی و جذب به دلیل لجن فعال، امکان کاهش مصرف مواد شیمیایی را فراهم می کند. از آنجایی که نیازی به حوضچه های بزرگ پس از رسوب شیمیایی نیست، هزینه های این تصفیه خانه کمتر است. در این فرآیند مواد شیمیایی اضافه شده فقط آهن و آلومینیوم است و آهک فقط برای اصلاح pH اضافه می شود. غلظت فسفر در پساب نهایی حدود 1 میلی گرم در لیتر خواهد بود.

در مقاله تصفیه ثانویه فاضلاب درباره این روش توضیحات بیشتری داده ایم که می توانید مطالعه کنید.

فرآیندهای بیولوژیکی حذف فسفر از فاضلاب

در طول 20 سال گذشته، چندین فرآیند رشد معلق بیولوژیکی برای حذف بیولوژیکی فسفر استفاده شده است. مزایای اصلی حذف بیولوژیکی فسفر کاهش هزینه های شیمیایی و تولید لجن کمتر در مقایسه با رسوب شیمیایی است. در حذف بیولوژیکی فسفر، فسفر موجود در فاضلاب ورودی به زیست توده سلولی وارد می شود که متعاقباً در نتیجه جداسازی لجن از فرآیند حذف می شود. پیکربندی راکتور به ارگانیسم‌های تجمع‌دهنده فسفر (PAO) مزیت رقابتی نسبت به سایر باکتری‌ها می‌دهد. بنابراین PAO تشویق به رشد و مصرف فسفر می شود. پیکربندی راکتور از یک واحد بی هوازی و یک واحد لجن فعال تشکیل شده است. زمان ماند در مخزن بی هوازی حدود 0.5 تا 1.5 ساعت است و محتویات آن برای ایجاد تماس با لجن فعال برگشتی و فاضلاب ورودی مخلوط می شود.

◉ ناحیه بی هوازی

در شرایط بی هوازی، PAO  محصولات تخمیر (یعنی اسیدهای چرب فرار) را به محصولات ذخیره سازی درون سلول ها با آزادسازی همزمان فسفر از پلی فسفات های ذخیره شده جذب می کند. استات از تخمیرCOD  تولید می‌شود، که می‌تواند به راحتی توسط زیست توده جذب شود. با استفاده از انرژی موجود از پلی فسفات های ذخیره شده، PAO استات را جذب کرده و محصولات ذخیره سازی پلی هیدروکسی بوتیرات درون سلولی (PHB) تولید می کند. همزمان با جذب استات آزادسازی ارتوفسفات ها و همچنین کاتیون های منیزیم، پتاسیم و کلسیم است. محتوای PHB در PAO با کاهش پلی فسفات افزایش می یابد.

◉ ناحیه هوازی

انرژی با اکسیداسیون محصولات ذخیره سازی تولید شده و ذخیره پلی فسفات در داخل سلول افزایش می یابد. PHB ذخیره شده متابولیزه می شود و انرژی را از اکسیداسیون و کربن برای رشد سلول های جدید فراهم می کند. مقداری گلیکوژن از متابولیسم PHB تولید می شود. انرژی آزاد شده از اکسیداسیون PHB برای تشکیل پیوندهای پلی فسفات در ذخیره سازی سلول استفاده می شود. ارتوفسفات محلول از محلول خارج می شود و به پلی فسفات های داخل سلول باکتری وارد می شود. استفاده از PHB همچنین رشد سلولی را افزایش می دهد و این زیست توده جدید با ذخیره پلی فسفات بالا باعث حذف فسفر از فاضلاب می شود. همانطور که بخشی از زیست توده هدر می رود، فسفر ذخیره شده از راکتور تصفیه زیستی برای دفع نهایی (لجن مازاد) حذف می شود. مقدار فسفر حذف شده توسط ذخیره بیولوژیکی را می توان از مقدار COD موجود در پساب خروجی تخمین زد. عملکرد بهتر برای سیستم های BPR زمانی حاصل می شود که COD استات با نرخ ثابت در دسترس باشد.

برای یادگیری حذف فلزات سنگین به مقاله حذف فلزات سنگین از فاضلاب مراجعه کنید.

سخن پایانی

فسفر و مشتقات آن به همراه نیترات ها از آلایندگی های مهم فاضلاب ها بوده و معمولا در کنار هم مشاهده می شوند و خوشبختانه روش های حذف نزدیک به هم دارند. وجود فسفر باعث کاهش نسبت BOD/COD می گردد، و این بدان معناست که تصفیه بیولوژیکی به تنهایی قادر به حذف فسفر از فاضلاب نیست. اینجاست که تصفیه شیمیایی راندمان بالایی در حذف فسفر از خود نشان می دهد. بعد از تصفیه شیمیایی ، فرآیند بیولوژیکی ترکیبی می تواند راندمان حذف فسفر را تا 98% برساند. شرکت مهندسی پاک پساب اقلیم فعال در حوزه تصفیه و بازیافت فاضلاب، آماده اراِئه خدمات مشاوره، طراحی، بهسازی، نصب و راه اندازی تصفیه خانه های شماست. برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس حاصل فرمائید.