سینتیک حذف ازت و فسفر از فاضلاب شهری توسط رآکتور ناپیوسته متوالی بیوفیلمی با بستر ثابت

علوم و تکنولوژی محیط زیست ، دورههفدهم، شماره چهار، زمستان 94

سینتیک حذف ازت و فسفر از فاضلاب شهری توسط رآکتور ناپیوسته

 متوالی بیوفیلمی با بستر ثابت

مینا خسروی[1]

امیرحسام حسنی[2]^*

ahh1346@gmail.com

محمدرضا خانی[3]

کامیار یغمائیان[4]

چکیده

زمینه و هدف: نیتروژن و فسفر از آلاینده‌های بالقوه منابع پذیرنده آبی می‌باشند که از طریق فاضلاب‌های با تصفیه ناکافی که غنی از فسفر و نیتروژن هستند وارد این منابع می‌شوند. هدف از انجام این مطالعه بیان کارایی رآکتور ناپیوسته متوالی بیوفیلمی با بستر ثابت برای تصفیه پیشرفته فاضلاب است.

روش بررسی: در این مطالعه  حذف ازت و فسفر از فاضلاب شهری  به روش زیستی‌ با راکتور ناپیوسته متوالی بیوفیلمی با بستر ثابت (به حجم 30 لیتر)  مورد بررسی قرار گرفت که طی آن یک پایلوت شامل دو رآکتور بی‌هوازی و هوازی/ انوکسیک به مدت 12 ماه جهت تصفیه فاضلاب سنتتیک با غلظت‌های COD ورودی 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم بر لیتر با غلظت فسفر 15 میلی‌گرم بر لیتر و نیتروژن 40 میلی‌گرم بر لیتر تحت مطالعه قرار گرفت.

یافته‌ها: کمینه و بیشینه کارایی سیستم برای حذف مواد آلی 9/76 و 4/98‌٪ بر حسب COD و برای حذف ازت 8/74 و8/98‌٪ و برای حذف فسفر 9/51 و 7/92٪ بوده است. آنالیز سینتیکی تطابق بسیار عالی مدل کینکنون استور را با سیستم نشان داد به طوری که در اکثر موارد ضریب همبستگی بالای 95٪ بوده است.

بحث و نتیجه‌گیری: سیستم FBSBR به منظور حذف مواد آلی و نیتروژن و فسفر از فاضلاب شهری در غلظت‌های بسیار بالا و پایین کارایی بسیار مناسبی از خود نشان داد. نتایج به دست آمده از آنالیز سینتیکی راکتور در مراحل مختلف نشان از تبعیت مناسب داده‌ها از مدل کینکنون استور داشته است و استفاده از این مدل به منظور طراحی و بهره‌برداری بهینه این سیستم توصیه می‌شود.

واژه های کلیدی: رآکتور ناپیوسته متوالی با بستر ثابت، ازت، فسفر، فاضلاب شهری، تصفیه پیشرفته.

Synthetic Analysis of Nitrogen and Phosphorous Removal from Municipal Wastewater Using Sequencing Batch Bio-film Reactor with Fixed Bed

Mina Khosravi[5]

Amirhessam Hassani[6](Corresponding Author)

ahh1346@gmail.com

Mohamadreza Khani[7]

Kamyar Yaghmaeian[8]

Abstract:

Background: Nitrogen and phosphorus are potential pollutants sources of water resources. They penetrate to the water resources through insufficient treated wastewater that is rich in nitrogen and phosphorus. The main aim of this paper is to evaluate the performance of fixed bed sequencing batch biofilm reactor in removing nitrogen and phosphorous from municipal wastewater.

Methods: In this paper, we study the nitrogen and phosphorus removal from municipal wastewater applying biological method and using sequencing batch biofilm reactor with fixed bed in a volume of 30 liters. For this purpose, we run a pilot study including anaerobic and aerobic/anoxic reactors for duration of 12 months for the treatment of synthetic wastewater with 300, 500, 800, and 1000 mg/L inlet COD concentration, 15 mg/L phosphorus concentration, and 40 mg/L nitrogen concentration.

Results: The minimum and maximum system efficiency for organic removal in terms of COD is 98.4 and 76.9%, nitrogen removal is 74.8 and 98.8%, and for the removal of phosphorus is 51.9 and 92.7%, respectively. Synthetic analysis shows significant match of the proposed system with Stover-Kincannon model and in most cases the correlation coefficient is reported 95%.

Discussion:  FBSBR system shows considerable improvement in removing organic matter, nitrogen and phosphorus from municipal wastewater at low and high concentrations. Moreover, the obtained results from synthetic analysis show competitive matching with Stover-Kincannon model and it is suggested for using in optimization and design.

Keywords: Fixed Bed Sequencing Batch Reactor (FBSBR), Nitrogen, Phosphorous, Municipal wastewater, Advanced Treatment.

مقدمه

به طور کلی، یکی از عوامل اصلی آلودگی در فاضلاب‌ها مواد مغذی می‌باشد. پساب‌های سطحی در مناطق کشاورزی، فاضلاب کارگاه‌های مختلف، مزارع پرورش آب‌زیان و دام وطیور دارای مقادیر قابل توجهی نیتروژن و فسفر می‌باشد. همچنین استفاده از این دو عنصر به عنوان کود شیمیایی و سموم دفع آفات نیز باعث آلودگی‌ آب می‌شود که این موضوع می‌تواند اکوسیستم‌های خشکی و آبی را تحت تاثیر قرار دهد. ورود این آلاینده‌ها به منابع آبی باعث وقوع پدیده پرغذایی (یوتریفیکاسیون) می‌شود که همگی از موارد مشخص مخاطرات محیط‌زیستی به شمار می‌آیند(1).

برای به وجود آمدن پدیده شکوفایی جلبکی فقط غلظت 005/0 تا 05/0 گرم بر لیتر فسفر کافی است. مواد مغذی از منابع متمرکز و غیر متمرکز به محیط وارد می‌شود. فاضلاب‌های شهری به عنوان یک منبع متمرکز آلوده کننده محیط حاوی انواع اشکال مختلف فسفر و نیتروژن می‌باشد. فسفر کل موجود در فاضلاب خام شهری در حدود ۱۰-۸ میلی‌گرم بر لیتر و حداکثر ۴۰-۲۰‌٪ این مقدار در فرایند تصفیه متداول قابل حذف است( 2). از سویی دیگر با توجه به شرایط اقلیمی ایران که در کمر‌بند گرم و خشک قرار گرفته است و بحران‌هایی از جمله خشک‌سالی، آن را تهدید می‌نماید. استفاده از علوم و روش‌های نوین به عنوان ابزارهای توانمند در مدیریت و استفاده مجدد از فاضلاب و باز‌گردانی آن‌ها به چرخه هیدرولوژیکی یکی از اولویت‌های اصلی کشور محسوب می‌شود (3).

روش‌های زیستی تصفیه فاضلاب، به دلیل سازگاری با محیط زیست و هزینه کم‌تر در قیاس با سایر روش‌ها یکی از اولویت‌های مهم حوزه مهندسی محیط‌زیست است. بررسی روش‌های مختلف حذف عناصر مغذی (ازت و فسفر) نشان می‌دهد که روش‌های مختلفی برای حذف این آلاینده‌ها به کار رفته است، اما از میان روش‌های موجود، فرایندهای زیستی به دلیل مزایای خاص خود از جمله تولید لجن کم‌تر، انعطاف‌پذیری بیش‌تر و هزینه کم‌تر نسبت به سایر روش‌ها در کانون توجه قرار گرفته و سیستم‌های متعددی جهت انجام این کار توسعه داده شده است(4).Shaowei  و همکاران در سال 2008 حذف هم‌زمان نیتروژن و COD با استفاده از رآکتور بیوفیلم غشا‌کربنی هوادهی شده را بررسی کردند. این رآکتور در زمان ماند هیدرولیکی 20 ساعت مورد استفاده قرار گرفت و حتی در زمان‌های ماند کوتاه‌تر تا 12 ساعت نیز به خوبی کار نمود. بازده‌های حذف COD، نیتروژن آمونیاکی (NH₄⁺-N) و نیتروژن کل (TN) به ترتیب به 86، 94 و 84‌٪ رسید(5 ).Shuai  و همکاران در سال 2010 حذف زیستی مواد مغذی را در یک بیوراکتور غشایی ناپیوسته متوالی با بستر متحرک (SBMBMBR) بررسی کردند. سیستم در حذف کربن و نیتروژن در نسبت‌های مختلف COD/TN بازده خوبی داشت. بازده حذف COD، TN و نیتروژن آمونیاکی به ترتیب 5/93، 6/82 و 6/95‌٪ به دست آمد. حذف فسفر در زمان ماند 2 ساعت به 1/84٪ رسید. در هنگام هوادهی DO فاکتور مهمی در حذف مواد مغذی می‌باشد که DO بهینه حدود 3 میلی‌گرم در لیتر بود(6). یوسف رحیمی و همکاران در سال 2011 حذف زیستی مواد مغذی (BNR) را در رآکتور نا‌پیوسته متوالی (SBR) و رآکتور نا‌پیوسته متوالی با بستر ثابت (FBSBR) مقایسه کردند. بازده حذف COD‌، نیتروژن و فسفر در FBSBR به ترتیب  96-90‌%، 88-60 % و 90-76 % بود در حالی که این موارد در رآکتور SBR  95-85 %، 60-38 % و 79-20 % توسط آن‌ها گزارش شد. FBSBR در حذف نیتروژن و فسفر کارایی بیش‌تری داشته و علاوه بر این لجن اضافی کم‌تری تولید می‌کند (7)‌.

 راکتور‌ نا‌پیوسته با عملیات متوالی (SBR)، یکی از روش‌های تصفیه زیستی فاضلاب و نیز یکی از سیستم‌های اصلاح شده لجن فعال است که در آن از یک راکتور اختلاط کامل‌ که به‌صورت ناپیوسته فعالیت می‌کند، استفاده می‌شود. همه سیستم‌های SBR به طور معمول 5 مرحله دارند که به طور پی‌درپی شامل: 1- پرشدن ‌2- واکنش (هوادهی) 3- ته نشینی 4- تخلیه 5- آماده سازی می‌باشد. این سیستم‌ها اغلب برای صنایعی کاربرد دارد که حجم فاضلاب تولیدی آن‌ها کم بوده و یا به صورت دوره‌ای فاضلاب تولید می‌کنند. برای کاربردهای جریان پیوسته حداقل دو تانک SBR باید تامین شود که یک تانک جریان را دریافت می‌کند، در حالی که تانک دیگر مراحل پنجگانه تصفیه را دنبال می‌کند. تغییرات مختلفی در هر دو مرحله می‌توان انجام داد تا به دفع مناسبی از نیتروژن و فسفر هم برسیم(8).  مدیریت هزینه، کاهش دشواری‌های بهره‌برداری ، افزایش کارایی سیستم‌های تصفیه فاضلاب بدون افزایش زمان و هزینه و مباحثی از این دست مهندسان محیط زیست را به سمت ایجاد فرآیندهای نوین در مهندسی فاضلاب سوق داده است. در این میان سیستم‌های بیوفیلمی با بستر ثابت (IFAS) چند‌ سالی است که به عنوان یکی از اصلاحات لجن فعال بسیار مورد توجه قرار داردکه در آن بیومس به صورت بیوفیلم بر روی مدیای ثابتی تشکیل می‌شود(9).

ایده اصلی ابداع این سیستم‌ها توسعه فرایندی بوده است که مزایای فرآیند‌های لجن‌‌فعال و سیستم‌های بیوفیلمی از جمله 1- قابلیت کاربری برای تصفیه و سموم‌زدایی کلیه فاضلاب‌ها و پساب‌های خانگی و صنعتی 2- شوک‌پذیر بودن 3- جمع و جور بودن 4- سادگی بهره‌برداری 5- عدم نیاز به لجن‌برگشتی و معایب آن مانند گرفتگی بستر، افت فشار، نیاز به شستشوی‌ معکوس و ... را داشته باشد. هم‌اکنون این سیستم تصفیه فاضلاب در بسیاری از کشورهای توسعه‌ یافته دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد(‌10‌). یکی از سیستم‌های نوین IFAS که به تازگی مورد استقبال متخصصان محیط زیست قرار گرفته است FBSBR  می‌باشد. این سیستم که تلفیقی از دو سیستم IFAS  و R‌B‌S می‌باشد، ویژگی‌های مناسب هر دو سیستم فوق را تقویت کرده و معایبشان را کاهش داده است(11). نظر به ویژگی‌های مناسب بر شمرده شده برای این سیستم در مطالعه حاضر تصمیم بر به کارگیری این سیستم در حذف ازت و فسفر از فاضلاب‌های شهری و پیشنهاد مبانی طراحی آن مد نظر بوده است. هدف از انجام این مطالعه بیان کارایی رآکتور ناپیوسته متوالی بیوفیلمی با بستر ثابت برای تصفیه پیشرفته فاضلاب است.

موادوروش‌ها

ساختارراکتوربیولوژیکمورداستفاده

راکتورهای مورد استفاده در این تحقیق  شامل دو مخزن مکعب مستطیلی از جنس پلاکسی گلاس بود، راکتور بی‌هوازی با ظرفیت 15 لیتر که ۵۰٪ آن با مدیای فیکس پر شد. راکتور هوازی / انوکسیک  شامل یک مخزن  با ظرفیت ۳۰ لیتر که ۵۰‌٪ از فضای آن با مدیای فیکس پر شد‌، این راکتور شامل یک میکسر بود که اختلاط لازم را در فاز انوکسیک ایجاد می‌کرد‌. در فاز هوازی نیز اختلاط  توسط جریان هوای ورودی از دیفیوزر نصب شده در کف مخزن تأمین ‌شد. مخزن هوازی / انوکسیک این سیستم توسط یک پمپ هوا با توان اسمی ۵۰ لیتر بر دقیقه هوادهی ‌‌شد که نظر به هوای مورد نیاز و بار آلی ورودی با استفاده از یک شیر میزان هوای ورودی به سیستم تنظیم گردید. اکسیژن محلول سیستم توسط یک DO متر دیجیتال به طور مداوم  اندازه‌گیری شد و در صورت کاهش تا زیر حد مجاز با افزایش میزان هوای ورودی و یا تمیز کردن سطح دیفیوز مشکل رفع ‌شد‌. میزان اکسیژن محلول سیستم در فاز هوازی  در حدود۳ تا ۴ میلی‌گرم بر لیتر ثابت نگه داشته شد. فاضلاب ورودی با استفاده از یک پمپ سانتریفیوژ از یک مخزن ۲۰۰ لیتری وارد سیستم ‌شد و با استفاده از سنسور کنترل کننده سطح مایعات میزان سطح ورودی به مخزن کنترل گردید. میزان pH سیستم در محدوده طبیعی (۷ تا ۸) و دمای سیستم در محدوده دمای اتاق (۲۰ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد) کنترل ‌شد. شکل ۱ فلودیاگرامی از پایلوت مورد استفاده می‌باشد.

شکل1- فلودیاگرام پایلوت مورد استفاده

مشخصات فاضلاب و مواد شیمیایی

فاضلاب مورد استفاده در این تحقیق یک فاضلاب مصنوعی با COD معادل با 300، 500، 800و 1000 میلی‌گرم در لیتر بود که برای تهیه آن از شیر خشک (برند نان ساخت کشور سوئیس) و گلوکز (تجاری) به عنوان ماده آلی و تأمین کننده کربن مورد نیاز، اوره به عنوان منبع نیتروژن و نمک‌های بافر فسفات K₂HPO₄ , KH₂PO₄  (تهیه شده از شرکت مرک آلمان) به عنوان منبع فسفر به آن اضافه شد. این فاضلاب به صورت روزانه با نسبت کربن به ازت به فسفر 100 به 5 به 1 آماده گردید.

راه‌اندازیاولیه سیستم

برای راه‌اندازی سیستم ۵۰ لیتر لجن برگشتی تصفیه‌خانه شهرک غرب تهیه گردید ۲۰ لیتر لجن غلیظ شده به داخل مخزن بی‌هوازی  و ۳۰ لیتر به مخزن هوازی/ انوکسیک منتقل شد. فاضلاب ورودی به سیستم با معیار COD تعیین شده شهری با مقدار 3۰۰ میلی‌گرم بر لیتر(حداقل بار آلی) به سیستم وارد شد.

پس از گذشت ۳۵ روز از راه اندازی سیستم، بیوفیلم مورد نیاز بر روی مدیای ثابت تشکیل شد و پس از رسیدن به شرایط پایدار تحقیق وارد فاز آزمایش‌ها شد.

نحوه انجام آزمایش‌ها

در کل مراحل تحقیق فوق، غلظت COD ورودی و خروجی به سیستم با استفاده از ویال‌های اندازه‌گیری COD به روش اسپکتوفتومتری با استفاده از اسپکتوفتومتر ساخت شرکت‌HACH   انجام گرفت DO،‌pH  و دما با استفاده از دستگاه مولتی پراب شرکت‌HACH ،‌ اندازه‌گیری شد. آزمایش‌های MLSS ‌، MLVSS (2540D و 2540E)‌، SVI ، فسفر و نیتروژن با روش استپکتوفوتومتری با کمک ویال‌های شرکت HACH اندازه‌گیری شد. آزمایش سنجشBOD  ورودی و خروجی سیستم با استفاده از دستگاه BOD track شرکت HACH  اندازه‌گیری شد. مرجع تأیید کننده روش‌های آزمایشی این مطالعه کتاب استاندارد متدز بوده است (12).

مدل‌سازی سینتیکی رآکتور

برای سیستم زیستی مدل‌های مختلفی توسعه داده شده است که مشهورترین و بهترین آن‌ها برای سیستم‌های بیوفیلمی مدل اصلاح شده Stover-Kincannon می‌باشد. در دهه 1970 استور و کینکانون مدلی سینتیکی برای راکتور‌های بیوفیلمی هوازی ارایه کردند که بعد‌ها برای فرایند‌های بی‌هوازی نیز مورد استفاده قرار گرفت. در این مدل نرخ مصرف سوبسترا به عنوان تابعی از نرخ بار‌گذاری آلی به وسیله سینتیک‌های تک مولکولی برای راکتور‌های بیوفیلمی بیان می‌شود. در این مدل سینتیکی حذف کربن را می‌توان بر حسب COD،BOD  و یا TOC بیان نمود. این مدل تا به حال در سیستم‌های بیوفیلمی با موفقیت به کار گرفته شده است.

این مدل به صورت زیر بیان می‌گردد که در آن و به ترتیب سرعت حذف حداکثر و میزان ثابت اشباع می‌باشند. با نوشتن موازنه جرم در اطراف سیستم خواهیم داشت:

با مساوی قرار دادن طرف‌های دوم معادله خواهیم داشت:

با خطی‌سازی معادله خواهیم داشت:

بارسم  بر حسب خط راستی حاصل خواهد شد که عرض از مبدا و شیب این خط به ترتیب مقادیر  و است. در این تحقیق از این مدل جهت مدل‌سازی حذف بار آلی، نیتروژن و فسفر استفاده شده است.

نتایج

شرایط اعمال شده درطول مدت بهره‌برداری از پایلوت در جدول 1 به صورت غلظت‌های مختلف آلاینده و زمان‌های ماند هیدرولیکی مختلف خلاصه شده است. مقدار COD‌های مورد آزمایش قرار گرفته 300‌، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم بر لیتر در زمان‌های ماند هیدرولیکی  2، 5/2، 3، 5/3 و 4 ساعت، در غلظت‌های ثابت نیتروژن و فسفر. میانگین نتایج سایر متغیرهای بهره‌برداری در جدول 1 ارایه شده است.

همان طور که از سایر نتایج به روشنی دیده می‌شود محدوده بارگذاری آلی 24/12-09/2 کیلوگرم بر مترمکعب در روز و 12/6-05/1 گرم بر مترمربع در روز در محدوده زمان ماند هیدرولیکی دو تا چهار ساعت بوده است.

تاثیر زمان ماند هیدرولیکی بر بازده حذف بار آلی در غلظت‌‌های مختلف

شکل 2 به بررسی بازده سیستم در زمان‌های ماند 2، 5/2، 3، 5/3 و 4 ساعت و غلظت‌های 300 ، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر پرداخته است. همان طور که از شکل مشخص است، بازده حذف COD با افزایش زمان‌ ماند هیدرولیکی افزایش داشته است. به طوری که میانگین بازده حذف COD در غلظت ورودی 300 میلی‌گرم در لیتر در زمان ماند 2 ساعت 4/90٪ و با افزایش زمان ماند به 5/3 ساعت بازده حذف COD به 4/98٪ رسید ولی با افزایش غلظت ورودی بازده حذف COD کاهش داشت. به طوری که میانگین بازده حذف COD در غلظت ورودی 1000 میلی‌گرم در لیتر در زمان ماند 2 ساعت 9/76٪ و با افزایش زمان ماند به 4 ساعت بازده حذف COD،  8/91٪ به دست آمده است.

شکل 2- حذف بار آلی بر حسب COD در زمان‌های ماند مختلف

شکل ۳ به بررسی همین نتایج در حذف BOD پرداخته است، همان طور که از شکل مشخص است، بازده حذف BOD با افزایش زمان‌ ماند هیدرولیکی افزایش داشته است. به طوری که میانگین بازده حذف BOD در غلظت ورودی 250 میلی‌گرم در لیتر در زمان ماند 2 ساعت 25/91٪ و با افزایش زمان ماند به 5/3 ساعت بازده حذف BOD به 85/98٪ رسید ولی با افزایش غلظت ورودی بازده حذف BOD کاهش داشت. به طوری که میانگین بازده حذف BOD در غلظت ورودی 830 میلی‌گرم در لیتر در زمان ماند 2 ساعت 82/77٪ و با افزایش زمان ماند به 4 ساعت بازده حذف BOD،  77/93٪ به دست آمد.

شکل 3- حذف بار آلی بر حسب BOD در زمان‌های ماند مختلف

تاثیر زمان ماند هیدرولیکی بر بازده حذف فسفر در غلظت‌های مختلف

میانگین بازده حذف فسفر در زمان‌های ماند هیدرولیکی 2، 5/2، 3، 5/3 و 4 ساعت و غلظت‌های ورودی 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر در شکل 4 مشخص است که با افزایش غلظت ورودی بازده حذف فسفر افزایش یافته است. به طوری که در زمان ماند 5/3 ساعت در غلظت‌های 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف فسفر به ترتیب 1/71، 4/71، 9/72 و 4/83٪ به دست آمد. دلیل این امر افزایش بار میکروبی سیستم (MLSS) ناشی از افزایش بار آلی ورودی بود.

با افزایش زمان‌ ماند هیدرولیکی بازده حذف فسفر افزایش داشت. به طوری که در غلظت 1000 میلی‌گرم در لیتر با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت بازده حذف فسفر از 9/56 به 4/83٪ افزایش پیدا کرد. در حالی که با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف فسفر از 9/51 به 1/71٪ افزایش را نشان داد.

شکل 4- تاثیر زمان‌های ماند مختلف بر بازده حذف فسفر

تاثیر زمان ماند هیدرولیکی بر بازده حذف نیتروژن در غلظت‌های مختلف

در شکل 5 بازده حذف ازت در زمان‌های ماند هیدرولیکی 2، 5/2، 3، 5/3 و 4 ساعت و غلظت‌های ورودی 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر نمایش داه شده است. همان طور که در شکل مشاهده می‌شود، به موازات افزایش غلظت ورودی بازده حذف ازت کاهش داشت. به طوری که در زمان ماند 5/3 ساعت در غلظت‌های 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف ازت به ترتیب 8/98، 8/94، 3/85 و 0/81‌٪ به دست آمد.. 

همچنین با افزایش زمان‌ ماند هیدرولیکی بازده حذف ازت افزایش داشت. به طوری که در غلظت 1000 میلی‌گرم در لیتر با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت بازده حذف ازت از 8/74 به 0/81٪ افزایش پیدا کرد. در حالی که با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف ازت از 5/93 به 8/98٪ افزایش داشت.

علت این امر تقدم تمایل میکروارگانیزم‌ها در اکسیداسیون کربن نسبت به نیتروژن است، بنابراین هر چه غلظت ورودی کم‌تر باشد COD کربنه سریع‌تر مصرف می‌شود و سیستم فرصت بیش‌تری برای نیتریفیکاسیون دارد.

شکل 5- تاثیر زمان‌های ماند مختلف بر بازده حذف نیتروژن

مدل‌سازی سینتیکی

 به منظور مطالعه سینتیکی تغییر در زمان ماند هیدرولیکی (حداقل 5 تغییر) یا تغییر در غلظت سوبستره ورودی بایستی انجام بگیرد ، در مطالعه حاضر هر دو رویکرد تغییر در غلظت ورودی و تغییر در زمان ماند هیدرولیکی به کار برده شده است.

مدل‌سازی حذف مواد آلی

با ترسیم شکل 6 ( مطابق با فرمول‌های ارایه شده در قسمت مواد و روش‌ها) ضرایب مربوط به مدل کینکنون استور محاسبه گردید . شکل 6 ضرایب K_B و U_MAX را به تفکیک غلظت بیان می‌دارد. با توجه به شکل مقدار U_MAX( عکس عرض از مبدا) برای غلظت‌های 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر  به ترتیب 5/18، 3/26 ، 2/35 و 9/27 محاسبه گردید. مقدار K_B نیز به ترتیب عبارت است از 1/17، 0/24، 7/31 و 7/24. همان طور که از شکل مشخص است در تمام غلظت‌ها از ترسیم خط رگرسیون ضرایب یکنواختی بسیار مناسب R²>0.98 به دست آمده است که نشان از تطابق مدل کینکنون استور از داده‌های به دست آمده می‌باشد.

شکل 6- مدل‌سازی سینتیکی سیستم در حذف بار آلی برحسب COD در غلظت‌های مختلف

شکل 7 به منظور تعیین ضرایب مربوط به حذف BOD  در مدل کینکنون استور ترسیم شده است. با توجه به شکل در غلظت‌های 300، 500، 800 و 1000 میلی‌گرم در لیتر مقدار U_MAX  به ترتیب 9/12، 3/18 ، 4/24 و 9/18 محاسبه گردید. همان طور که از شکل مشخص است در تمام غلظت‌ها از ترسیم خط رگرسیون ضرایب یکنواختی بسیار مناسب R²>0.98 به دست آمده است که نشان از تطابق مدل کینکنون استور از داده‌های به دست آمده می‌باشد.  مقادیر به دست آمده برای K_B نیز به ترتیب معادل 6/11، 4/16، 6/21 و 3/16 به دست آمد.

شکل 7- مدل‌سازی سینتیکی سیستم در حذف بار آلی برحسب COD در غلظت‌های مختلف

مدل‌سازی حذف فسفر  و نیتروژن

شکل 8 به منظور تعیین ضرایب سینتیکی حذف فسفر در سیستم FBSBR در غلظت‌های مختلف ترسیم شده است. با توجه به شکل ترسیم شده و عرض از مبدا نمودار به دست آمده مقدار U_MAX  به ترتیب 13/0، 15/0 ، 13/0 و 12/0 و مقدار K_Bمعادل 08/0، 11/0، 07/0 و 04/0 محاسبه گردید. شکل 9 نیز به همین منظور برای به دست آوردن ضرایب سینتیکی حذف نیتروژن ترسیم شده است. ضریب U_MAX  برای حذف ازت به ترتیب 11/2، 59/1 ، 36/1و 28/3 و مقدار K_Bمعادل 32/2، 58/1، 16/1 و 04/3 محاسبه گردید.

شکل 9- مدل‌سازی سینتیکی سیستم در حذف نیتروژن در غلظت‌های مختلف  

بحث و نتیجه گیری

با توجه به نتایج ارایه شده می‌توان گفت که بازده حذف COD و BOD با افزایش زمان‌ ماند هیدرولیکی افزایش داشته است ولی با افزایش غلظت ورودی بازده حذف آن‌ها کاهش داشت.

همچنین نتایج نشان داد که در حذف فسفر با افزایش غلظت سوبستره ورودی کاهش سرعت مصرف دیده شد علت این امر کاهش توانایی سیستم در زمان ماند هیدرولیکی مشابه بوده است. به طوری که در غلظت 1000 میلی‌گرم در لیتر با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت بازده حذف ازت از 8/74 به 0/81٪ افزایش پیدا کرد. در حالی که با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف ازت از 5/93 به 8/98٪ افزایش داشت.

 این رویه برای نیتروژن نیز صادق بود به طوری که در غلظت 1000 میلی‌گرم در لیتر با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت بازده حذف ازت از 8/74 به 0/81٪ افزایش پیدا کرد. در حالی که با افزایش زمان ماند از 2 به 5/3 ساعت در غلظت 300 میلی‌گرم در لیتر بازده حذف ازت از 5/93 به 8/98٪ افزایش داشت و دلیل آن نیز عدم توانایی انجام کامل نیتریفیکاسیون در زمان ماند مشابه بوده است.

نتایج به دست آمده از آنالیز سینتیکی راکتور در مراحل مختلف نشان از تبعیت مناسب داده‌های به دست آمده از مدل کینکنون استور داشته است و این امر به خوبی از ضرایب همبستگی به دست آمده مشخص می‌باشد. استفاده از این مدل به منظور طراحی و بهره‌برداری بهینه سیستم‌‌های مشابه در مقیاس واقعی توصیه می‌شود.

حیات‌ بخش عملکرد سیستم لجن‌فعال با بستر ثابت را در تصفیه فاضلاب‌های با بار آلودگی بالا بررسی کرد. در زمان هوادهی 8 ساعت و غلظت COD معادل 500، 1000 و 1500 میلی‌گرم در لیتر مقادیر بازده حذف COD به ترتیب برابر 67/93، 67/83 و 67/61٪ و در زمان هوادهی 4 ساعت مقادیر بازده حذف COD به ترتیب برابر 17/89، 33/77 و 83/52٪ به دست آمد (13).

Hamoda پساب خروجی از یک کارخانه کودسازی را به وسیله یک سیستم بیولوژیکی با بستر ثابت مورد آزمایش قرار داد. غلظت آمونیاک در فاضلاب ورودی در حدود 480 میلی‌گرم در لیتر بر اساس ازت آمونیاکی و بار هیدرولیکی ورودی به سیستم در حدود m³/m².day 14/0 ‌می‌باشد. طبق نتایج به دست آمده سیستم بازده حدود 90‌٪ حذف ازت آمونیاکی را داشته است (14).

Hultman و همکاران حذف هم‌زمان ازت و فسفر را توسط صافی‌های بیولوژیکی هوادهی شده مورد بررسی قرار دادند. در این واحد ازت ورودی در گستره 20-30/7 میلی‌گرم در لیتر به غلظت 2/2- 5/0 میلی‌گرم در لیتر در پساب خروجی کاهش یافت و به طور هم‌زمان غلظت فسفر ورودی از 5- 6/0 میلی‌گرم در لیتر به 5/0- 1/0 میلی‌گرم در لیتر در پساب خروجی کاهش یافت (15) که همه این تحقیقات اعداد و نتایج مطالعه حاضر را تأیید می‌کنند.

به طور کلی می‌توان نتیجه گرفت که سیستم FBSBR به منظور حذف مواد آلی و نیتروژن و فسفر از فاضلاب شهری در غلظت‌های بسیار بالا و پایین کارایی بسیار مناسبی از خود نشان داد به طوری که در حذف BOD و COD سیستم کارایی بسیار مناسبی داشته است دلیل این امر نیز استفاده از سیستم بیوفیلیمی و رژیم جریان ناپیوسته بوده است. به منظور توسعه آتی این تحقیق مطالعه قابلیت تصفیه غلظت‌های بالای ازت و فسفر توسط این سیستم برای محققان پیشنهاد می‌گردد.

تشکر و قدردانی

بدین وسیله از مرکز تحقیقات علوم پزشکی دانشگاه آزاد واحد پزشکی تهران به خاطر در اختیار قرار دادن امکانات آزمایشگاهی تشکر و قدردانی

 به عمل می‌آید.

منابع

1. Chowdhury, N., Nakhla, G., Zhu, J., 2008. “Load  maximization  of  a  liquid–solid  circulating  fluidized  bed  bioreactor  for  nitrogen  removal from synthetic municipal wastewater”,  Chemosphere, 71: 807-815.
2. Alleman, J.E., 2000. “The History of Fixed-Film Wastewater Treatment System”, Article Biofilm history, html.
3. Aroramadan, L. and Barth, E.G., 1985. “Technology Evaluting of Sequencing Batch Reactor”, J. WPCF, Vol.57, No.8, 867-871.
4. 4) ‌ Austin, D., 2000. "Parallel Performanance Comparison Between Aquatic Root Zone and Textile Medium -INTEGRATED FIXED-FILM ACTIVATED SLUDGE (IFFAS) Wastewater Treatment System", Living Machines, Inc. 8018 NDCBU.
5. ‌ Shaowei, H., Sun, C., Zhang, J., Wang, T., 2008. “Simultaneous removal of COD and nitrogen using a novel carbon-membrane aerated biofilm reactor”, Environmental Sciences, 20: 142-1
6. Shuai, Y., Fenglin, Y., Zhimin, F.U., Tao, W., Ruibo, L., 2010. “Simultaneous nitrogen and phosphorus removal by a novel sequencing batch moving bed memberane bioreactor for wastewater treatment”, Journal of Hazardous Materials, volume 175, Issues 1-3, pages 551-557.
7. Rahimi, Y., Torabian, A., Mehrdadi, N., Shahmoradi, B., 2011.”Simultaneous nitrification–denitrification and phosphorus removal in a fixed bed sequencing batch reactor (FBSBR)”, Journal of Hazardous Materials.
8. Ramos, A.F., G´omez, M.A., Hontoria, E., Gonz´alez-L´opez, J., 2007. “Biological nitrogen and phenol removal from saline industrial wastewater by submerged fixed-film reactor”, Journal of Hazardous Materials, 175–183.      
9. Hui‌ Lin, Y., 2007. “Kinetics of nitrogen and carbon removal in a moving-fixed bed biofilm reactor”, Applied Mathematical Modelling, 2360–2377.    
10. Biton, G., 1999. “Wastewater Microbiology”, Willey-Liss INC., 2^ND Edition, New York, USA.
11. Chowdhury, N., Nakhla, G., Zhu, J., 2008. “Load  maximization  of  a  liquid–solid  circulating  fluidized  bed  bioreactor  for  nitrogen  removal from synthetic municipal wastewater”,  Chemosphere, 71: 807-815.
12. APHA, WPCF, 1992. “Standard Method for Examination of Water and Wastewater”, 18th Ed.
13. حیات بخش، امیر، «بررسی عملکرد سیستم های هوادهی با بستر ثابت در تصفیه فاضلاب ها با بار آلودگی بالا»، پایان‌نامه کارشناسی ارشد مهندسی محیط زیست- آب و فاضلاب، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران، ۱۳۸۳.
14. Hamoda, M.F., 1990. “Aerobic Treatment of Ammonium Fertilizer Effluent in a Fixed-Film Biological System”, Water Research, Vol.22, No.9, pp 75-84.
15. Hultman, B., Jonsson, K., Plaza, E., 1994. “Combined Nitrogen and Phosphorous Removal in a Full Scale Continous up Flow Sand Filter”, Water Science and Technology, Vol.29, No.10-11, pp 127-134.