مراحل تصفیه لجن به روش های گوناگون

در این مقاله می خواهیم به تصفیه لجن و دفع آن بپردازیم. ابتدا انواع لجن ها را بررسی می کنیم. سپس روش های تصفیه لجن و مراحل آن را طبقه بندی کرده و شرح می دهیم. در انتها نیز به روش های دفع لجن خواهیم پرداخت.

انواع لجن

پسماندهایی که در تصفیه خانه های فاضلاب جمع می شوند، لجن (یا جامدات زیستی) نامیده می شوند. لجن همان مواد باقیمانده جامد، نیمه جامد یا دوغابی است که به عنوان محصول جانبی فرآیندهای تصفیه فاضلاب تولید می شود. این پسماند معمولاً به عنوان لجن اولیه و ثانویه طبقه بندی می شود.

لجن اولیه از رسوب شیمیایی، ته نشینی و سایر فرآیندهای اولیه تولید می شود، در حالی که لجن ثانویه توده زباله زیستی فعال است که از تصفیه بیولوژیکی حاصل شده است. برخی از  تصفیه خانه های فاضلاب نیز مواد جامد سپتیک تانک ها را از سیستم های تصفیه فاضلاب خانگی در محل دریافت می کنند. معمولا لجن ها برای تصفیه و دفع در ادامه فرآیند با هم ترکیب می شوند.

روش های تصفیه لجن

تصفیه و دفع لجن فاضلاب از موضوعات اصلی در طراحی و بهره برداری از کلیه تصفیه خانه های فاضلاب می باشد. دو هدف اساسی از تصفیه لجن قبل از دفع نهایی آن، کاهش حجم آن و تثبیت مواد آلی است. لجن تثبیت شده بوی زننده ای ندارد و مزاحمت یا خطر برای سلامتی ندارند. حجم لجن کمتر، هزینه های پمپاژ و ذخیره سازی را کاهش می دهد.

تصفیه لجن فاضلاب معمولا شامل ترکیبی از سه فرآیند  غلیظ شدن، هضم و آبگیری است. این سه روش گفته شده، اصلی ترین مراحل تصفیه لجن می باشند.

غلیظ شدن

غلیظ شدن معمولاً اولین مرحله تصفیه لجن است زیرا کنترل لجن نازکی که منسجم نیستو دوغابی از مواد جامد معلق در آب است، غیر عملی است. غلیظ شدن لجن درواقع باعث کاهش حجم و در نهایت باعث ضخیم شدن لجن باقیمانده میشود. غلیظ شدن معمولاً در مخزنی به نام غلیظ کننده گرانشی انجام می شود. یک غلیظ کننده می تواند حجم کل لجن را به کمتر از نصف حجم اولیه کاهش دهد. یک روش جایگزین برای غلیظ شدن گرانشی، شناورسازی با هوای محلول است. در این روش، حباب های هوا مواد جامد را به سطح می برند، جایی که لایه ای از لجن غلیظ تشکیل می شود.

هضم یا گوارش

هضم لجن یک فرآیند بیولوژیکی است که در آن مواد جامد آلی به مواد پایدار تجزیه می شوند. هضم، جرم کل مواد جامد را کاهش می دهد، عوامل بیماری زا را از بین می برد و آبگیری یا خشک کردن لجن را آسان تر می کند. لجن هضم شده دیگر حالت مضر و تهاجمی ندارد و ظاهر ویژگی های یک خاک غنی برای گیاهان و گلدانها را داراست.

اکثر تصفیه خانه های بزرگ فاضلاب از یک سیستم هضم دو مرحله ای استفاده می کنند که در آن مواد آلی توسط باکتری ها به صورت بی هوازی متابولیزه می شوند (در صورت عدم وجود اکسیژن).

مرحله اول

در مرحله اول، لجن غلیظ شده، به مدت چند روز در یک مخزن دربسته، حرارت داده شده و مخلوط می شود. باکتری‌های اسیدساز، مولکول‌های بزرگی مانند پروتئین‌ها و لیپیدها را هیدرولیز می‌کنند و آنها را به مولکول‌های کوچک‌تر محلول در آب می‌شکنند و سپس آن مولکول‌های کوچک‌تر را به اسیدهای چرب مختلف تخمیر می‌کنند. لجن سپس به مخزن دوم می ریزد، جایی که مواد محلول توسط باکتری های دیگر به بیوگاز، مخلوطی از دی اکسید کربن و متان تبدیل می شود. متان قابل احتراق است و به عنوان سوخت برای گرم کردن اولین مخزن هضم و همچنین برای تولید برق برای نیروگاه استفاده می شود.

هضم بی هوازی به دما، اسیدیته و عوامل دیگر بسیاری حساس است. این فرآیند نیاز به نظارت و کنترل دقیق دارد. در برخی موارد، در آغاز اولین مرحله هضم، لجن با آنزیم های هیدرولیتیک اضافی تلقیح می شود. هدف این کار، تکمیل و تقویت عمل باکتری ها است. اثبات شده است که این فرآیند آنزیمی می تواند پاتوژن های ناخواسته بیشتری را در لجن از بین ببرد و همچنین می تواند منجر به تولید بیوگاز بیشتر در مرحله دوم هضم شود.

فرآیند هضم بی‌هوازی دو مرحله‌ای سنتی پیشرفت هایی داشته است، که یکی از آنها، هیدرولیز حرارتی یا شکستن مولکول‌های بزرگ توسط گرما است. این کار در یک مرحله جداگانه قبل از هضم انجام می شود. معمولا این فرآیند با لجنی شروع می شود که آبگیری شده و به محتوای DS یا ذرات خشک حدود 15 درصد رسیده است.

مرحله دوم

لجن با بخار مخلوط می‌شود و این مخلوط همگن داغ به یک راکتور داده می‌شود، جایی که در حدود 30 دقیقه در دمای 165 درجه سانتی‌گراد تحت فشار قرار می‌گیرد. در این نقطه، با کامل شدن واکنش‌های هیدرولیتیک، مقداری از بخار خارج می‌شود و لجن، که هنوز تحت فشار کمی است، به طور ناگهانی در یک «فلاش تانک» رها می‌شود، که باعث افت ناگهانی فشار شده و دیواره های سلولی بسیاری از مواد جامد شکسته می شوند. سپس لجن هیدرولیز شده خنک شده و کمی با آب رقیق می شود و سپس مستقیماً به مرحله دوم هضم بی هوازی فرستاده می شود.

هضم یا گوارش لجن ممکن است به صورت هوازی یعنی در حضور اکسیژن نیز انجام شود. در این روش، لجن به مدت 20 روز به شدت در یک مخزن باز، هوادهی می شود. گاز متان در این فرآیند تشکیل نمی شود. اگرچه عملکرد سیستم های هوازی آسان تر از سیستم های بی هوازی است، اما معمولاً به دلیل قدرت مورد نیاز برای هوادهی، هزینه بیشتری برای کار کردن دارند. هضم هوازی اغلب با سیستم های هوادهی کوچک یا تثبیت تماسی ترکیب می شود.

هضم  هوازی و بیهوازی معمولی می توانند حدود نیمی از جامدات لجن آلی را به مایعات و گازها تبدیل می کند. در حالی که هیدرولیز حرارتی و به دنبال آن هضم بی هوازی می تواند حدود 60 تا 70 درصد مواد جامد را به مایعات و گازها تبدیل کند. در این روش های پیشرفته تر، نه تنها حجم مواد جامد تولید شده کمتر از هضم معمولی است، بلکه تولید بیشتر بیوگاز می تواند برخی از تصفیه خانه های فاضلاب را از نظر انرژی خودکفا کند.

آبگیری

لجن فاضلاب هضم شده معمولاً قبل از دفع، آبگیری می شود. لجن آبگیری شده هنوز حاوی مقدار قابل توجهی آب است (حدود 70 درصد) اما حتی با این رطوبت، لجن دیگر مانند یک مایع رفتار نمی کند و می تواند به عنوان یک ماده جامد در نظر گرفته شود. بسترهای خشک کننده لجن، ساده ترین روش آبگیری اند.

لجن هضم شده روی یک بستر باز از ماسه پخش می شود و تا زمانی که خشک شود بر این بستر باقی می ماند. خشک شدن با ترکیبی از تبخیر و زه کشی گرانشی از طریق ماسه صورت می گیرد. یک شبکه لوله کشی که در زیر بستر ماسه ای ساخته شده است، آب را جمع آوری می کند و به سمت ابتدای تصفیه خانه پمپ می کند. پس از حدود شش هفته که از خشک شدن می گذرد، مواد باقی مانده ممکن است حاوی حدود 40 درصد مواد جامد باشند. به این مواد باقیمانده، کیک لجنی گفته می شود که می توان آن را از روی ماسه جدا کرد.

به منظور کاهش زمان خشک شدن در هوای مرطوب یا سرد، ممکن است یک محفظه شیشه ای روی بسترهای شنی ساخته شود. از آنجایی که مقدار زیادی زمین برای خشک کردن بستر مورد نیاز است، این روش آبگیری معمولاً در شهرهای روستایی یا حومه شهرها به جای شهرهای پرجمعیت استفاده می شود.

روش های جایگزین

برای بسترهای شنی که در بالا شرح داده شد، روش های جایگزینی وجود دارد که شامل فیلتر خلاء درام دوار، سانتریفیوژ و فیلتر پرس تسمه ای است. این سیستم های مکانیکی به فضای کمتری نسبت به بسترهای خشک کننده لجن نیاز دارند و سطح بالاتری برای کنترل عملیاتی را ارائه می دهند. با این حال، معمولاً باید مرحله‌ای به نام تهویه لجن نیز انجام شود که در آن مواد شیمیایی به لجن مایع اضافه می‌شوند تا جامدات را منعقد کنند و زه‌ کشی را بهبود بخشند.

تصفیه آب به روش های مختلف انجام میشود که میتوانید در مقاله روش های تصفیه آب مطالعه کنید.

دیاگرام مراحل تصفیه لجن

در تصویر زیر یک دیاگرام مراحل تصفیه لجن را به طور نمونه مشاهده می کنید. ابتدا لجن مخلوط دریافتی از تصفیه فاضلاب ثانویه از یک مخزن شناور با هوای محلول عبور داده می شود، جایی که مواد جامد به سطح بالا می روند و از بین می روند. لجن غلیظ شده با بخار خمیر می شود، سپس به هیدرولیز حرارتی منتقل می شود، جایی که مولکول های بزرگ مانند پروتئین ها و لیپیدها تحت حرارت و فشار تجزیه می شوند.

لجن هیدرولیز شده از یک فلاش تانک عبور داده می شود، جایی که افت ناگهانی فشار باعث ترکیدن سلول ها می شود و سپس به هضم بی هوازی می رسد، جایی که باکتری ها مواد آلی محلول را به بیوگاز تبدیل می کنند (که می توان از آن برای سوخت فرآیند تصفیه استفاده کرد). لجن هضم شده از یک مرحله آبگیری عبور داده می شود. مواد جامد خشک شده دفع می شوند و آب به تصفیه ثانویه بازگردانده می شود.

روش های دفع لجن

مقصد نهایی لجن تصفیه شده معمولاً زمین است. لجن آبگیری شده را می توان در زیر زمین  به صورت بهداشتی دفن نمود. منظوز از دفن بهداشتی آن است که لجن را با آب و آهک مخلوط و سپس در زمین دفن میکنند و یا با حفر شیارهایی به عمق 90 سانتیمتر و فاصله 1.5 متر لجن را در آن ها مدفون می کنند. همچنین ممکن است در زمین های کشاورزی پخش شود تا از ارزش آن به عنوان تقویت کننده خاک و کود استفاده شود. از آنجایی که لجن ممکن است حاوی مواد شیمیایی صنعتی سمی باشد، در زمین هایی که محصولات برای مصرف انسان در آن کشت می شوند، پخش نمی شود.

در جایی که مکان مناسبی برای دفع در زمین در دسترس نباشد، مانند مناطق شهری، لجن ممکن است سوزانده شود. سوزاندن رطوبت را به طور کامل تبخیر می کند و مواد جامد آلی را به خاکستر بی اثر تبدیل می کند. خاکستر باید دور ریخته شود، اما کاهش حجم، دفع را مقرون به صرفه تر می کند. هنگام سوزاندن لجن فاضلاب، کنترل آلودگی هوا یک نکته بسیار مهم است. باید از دستگاه های مناسب برای تمیز کردن هوا مانند اسکرابر و فیلترهای مناسب استفاده شود.

ریختن لجن در اقیانوس که زمانی روشی اقتصادی برای تصفیه لجن در بسیاری از مناطق ساحلی بود، دیگر گزینه مناسبی در نظر گرفته نمی شود و در حال حاضر در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای ساحلی دیگر ممنوع است.