خدمات ما مقالات بررسی استفاده از روش بی هوازی ( UASB ) در صنايع لبنی و توليد گاز زيستی

بررسی استفاده از روش بی هوازی ( UASB ) در صنايع لبنی و توليد گاز زيستی

asتصفيه بی هوازی فاضلاب ، روش تصفيه بيولوژيکی فاضلاب بدون استفاده از هوا يا اکسيژن است و بيشترين کاربرد آن در حذف مواد آلی داخل فاضلاب و لجن می باشد. در تصفيه بی هوازی مواد آلی آلوده کننده به وسيله ميکروارگانيسم ها به گازهايی مانند متان و دی اکسيدکربن تبديل می شود که به عنوان بيوگاز شناخته شده اند.

 سيستم بی هوازی برای جمع آوری گازهای توليدی و سوزاندن آن و نيز جلوگيری از انتشار بدبو مانند سولفيت هيدروژن بايستی آرايش خاصی داشته باشد.

  • کاربرد سيستم بی هوازی در صنعت شير

در چند سال اخير به دليل افزايش هزينه های تصفيه هوازی ، افزايش اطلاعات درباره مکانيسم تصفيه بی هوازی ، پيشرفت در سيستم های راکتور و توليد لجن کمتر ، به کارگيری سيستم های بی هوازی در تصفيه فاضلاب صنعت شير و آب پذير بيشتر شده است.

علاوه بر اين ، سيستم های بی هوازی برای انجام مرحله پيش تصفيه فاضلاب به منظور تخليه آن در تصفيه خانه های شهری يا صيقل دادن سيستم هوازی به طور قابل  ملاحظه ای مفيدند.

توسعه و بهبود سيستم های بی هوازی سرعت بالا به افزايش بازده در حذف CODو کاهش زمان ماند مورد نياز برای تصفيه خانه های شهری و فاضلاب بعضی از جمله صنعت شير منجر شد. با پيشرفت های اخير در زمينه سيستم های بی هوازی دارای بستر لجن ، استفاده از اين سيستم ها برای تصفيه فاضلاب در صنعت شير کاملاً توسعه يافته و تاکنون نيز باقی مانده است.

در يک سيستم بالا رونده بی هوازی ، از طريق مشابه سازی فاضلاب اين صنعت 90 درصد کاهش در ميزان CODحاصل شد ( شير رقيق شده بدون چربی با CODحدود 1500 ميلی گرم برليتر و بارگذاری حجمی معادل 7 تا 8 گرم CODبر متر مکعب در روز ، در دمای 30 درجه سانتيگراد ) در يک سيستم بی هوازی با بستر شناور نيز در حدود 80 درصد کاهش CODدر آب پنير رقيق شده به دست آمد. ( با CODبين 8 هزار تا 14 هزار ميلی گرم بر ليتر ، بارگذاری 40 کيلوگرم CODبرمتر مکعب و دمای 35 درجه سانتيگراد ). براساس تحقيقات انجام شده ، متوسط بارگذاری در 682 دستگاه راکتور بی هوازی در نقاط مختلف جهان ، 10 کيلوگرم CODبرمتر مکعب در روز بوده است. فاضلاب صنعت شير دارای BODبسيار بالايی است که ناشی از وجود انواع هيدرات ، چربی و پروتئين است و باتوجه به خاصيت تجزيه پذيری آسان مواد آلی موجود در صنعت شير ، به رغم چربی زياد آن برای توليد بيوگاز بسيار مناسب است. از اين رو ، سيستم بالا رونده از بستر لجن ( UASB) در سطح وسيعی در فاضلاب صنعت شير کار گرفته شد.

 

سيستم تصفيه فاضلاب بی هوازی سرعت بالا

سيستم های تصفيه بی هوازی سرعت بالا ، شامل بيوراکتورهايی است که در آنها زمان بنا د لجن ( زمانی که توده سلولی لجن از سيستم عبور می کند ) از زمان ماند هيدروليکی ( زمانی که مايع از سيستم عبور می کند ) جدا شده است. اين کار باعث رشد آهسته باکتری های بی هوازی با غلظت بالا در داخل راکتور شده ، مواد آلی موجود در فاضلاب را به عبور سريع از سيستم وادار می کنند.

مکانيسم اصلی ماندگار لجن در داخل راکتور ، به تحرک کم و به احاطه شدن آن به وسيله مواد ( ميکروارگانيسم ها به سطح آن چسبيده و لجن مانند سطوح صافی در سيستم های بی هوازی عمل می کنند ) يا خود تجمعی منتج به گلوله شدن ( ميکروارگانيسم ها به يکديگر می چسبند و لجن گرانوله ايجاد می شود ) مربوط می شود.

در حقيقت ، سيستم تصفيه فاضلاب بی هوازی سرعت بالا وقتی کامل است که بتواند برای تصفيه انواع فاضلاب های رقيق و غليظ که محتوی مواد آلی ( مانند صنايع تقطيری ، کارخانجات کاغذسازی ، پتروشيمی ، صنايع غذايی و غيره ) و حتی برای تصفيه فاضلاب شهری در مناطق گرمسيری به کار گرفته شود.

اين سيستم تصفيه ، يک تکنولوژی کاملی است و در سراسر دنيا حداقل حدود 1200 تصفيه خانه در صنايع مختلف به ثبت رسيده که از اين سيستم تصفيه استفاده می کنند ، برخی شمار واقعی اين نوع سيستم را حدود دو برابر تخمين می زنند.

اين آمار ، نشان دهنده اهميت زياد و موفقيت فراوان بستر لجن گرانوله بی هوازی ، در سطحی بالاتر از ميزان مورد انتظار می باشد.

 

UASBچيست؟

از ديدگاه سازه ای ، راکتور UASBچيزی به جز يک مخزن خالی با طراحی ساده به نظر نمی رسد در داخل UASBلوازم مکانيکی يا اجزای متحرکی که خراب يا پاره شوند ، وجود ندارد از اين رو ، نگهداری آن تقريباً بدون هزينه است.

UASBبا سيستم تصفيه بی هوازی رو به بالا از بستر لجن ، تکنولوژی خاصی در تصفيه فاضلاب سرعت بالا محسوب می شود که از بستر لجن گرانوله بی هوازی در يک راکتور آغاز می شود.

هاضم UASBيکی از مؤثرترين و اقتصادی ترين روش های هضم بی هوازی فاضلاب است.

اين سيستم علاوه بر دارا بودن همه مزايای ساير سيستم های بی هوازی مانند توليد لجن کمتر ، مصرف انرژی کم ، توليد بيوگاز و غيره مزايای ديگری از قبيل حجم کم راکتور به علت متراکم بودن راه اندازی آسان ، هزينه بسيار کم در طول نگهداری بلند مدت ، بیصدا بودن و کارکرد اصولی و رضايت بخش را نيز داراست.

 

مروری مختصر برتاريخچه و توسعه سيستم UASB

سيستم UASBدر اواسط دهه هفتاد قرن گذشته در دانشگاه Wageningenهلند به وسيله دکتر گاتس ليتنگا و همکارانش اختراع شد.

اولين پاپلوت UASBدر يک کارخانه قند در ايجادشد و پس از موفقيت اين پاپلوت ، نصب و اجرای آن در مقياس صنعتی در کارخانه های قند ، سيب زمينی ، نشاسه ، صنايع غذايی و کارخانه های بازيافت کاغذ در سراسر هلند آغاز شد.

اولين مقالات درباره UASB، به زبان هلندی و در مجله های فنی در همان سالها به چاپ رسيد و انتشار بين المللی آنها در سال 1980 به وسيله لتينگا و ديگران آغاز شد.

سيستم های UASB، امروزه از سيستم های خوب بی هوازی و مورد پسند عمومی محسوب می شود.

تحقيقاتی که اخير انجام شد نشان می دهد که از دهه هفتاد تاکنون 1215 راکتور بی هوازی سرعت بالا برای تصفيه فاضلاب در صنايع مختلف جهان به ثبت رسيده است و 72 درصد از تمام سيستم های بی هوازی فوق UASBيا EGSBتشکيل می دهد.

در راکتور UASBبا فاضلاب از کف وارد شده و در کف نيز توزيع می شود و پس از عبور از بستر لجن بی هوازی به سمت بالا جريان پيدا می کند. بستر لجن از ميکروارگانيسم های گرانوله با ابعاد 5/0 تا 2 ميلی متر تشکيل شده که دارای سرعت ته نشينی بالا و پايداری در سيستم حتی در مقابل جريان های شديد هيدروليکی است. مواد آلاينده فاضلاب با ميکروارگانيسم های موجود در بستر لجن تماس پيدا می کنند. در اين ، مواد آلی به صورت بی هوازی توسط ميکروارگانيسم های موجود در بستر لجن ، تجزيه می شوند. تجزيه بی هوازی علاوه برتبديل مواد آلی به سلول های جديد ، منجر به توليد بيوگازهايی مانند گاز متان و دی اکسيدکربن به عنوان يک توليد جنبی می شود.حرکت رو به بالای حباب های گازی توليد شده ، بدون هيچگونه وسيله مکانيکی باعث آشفتگی و در نتيجه اختلاط داخل راکتور می شود.

 

در قسمت بالای راکتور ، فاز مايع ( فاضلاب تصفيه شده ) از فازهای گاز و جامد جدا می شود. جداکننده سه فاز ، معمولاً گازگير گنبدی شکلی است که در بالای راکتور قرار گرفته است و سلول ها با باکتری های تولطد شده در اثر برخورد با آن از مايع و گاز جدا شده و دوباره به کف راکتور باز می گردند. در زير گازگيرها ، با فل هايی وجود دارند که گازهای توليد شده راجهت جمع آوری يا سوزاندن سوراخ های گازگيرها هدايت می کنند. آب تصفيه شده نيز با حرکت به سمت بالا از طريق کانال های تعبيه شده در بالای راکتور به بيرون هدايت می شود.

هاضم های تماسی در خصوص ميزان بارگذاری و احتمال گرفتگی صافی ها در سيستم های بی هوازی با مشکلاتی مواجه اند. برای غلبه بر اين مشکلات ، از رسوب باکتری های فعال شده بدون حمل کننده به شکل لجن گرانوله با دانسيته بالا به منظورتجزيه مواد آلی و توليد گاز درداخل راکتور UASBاستفاده می شود پايداری و ماندگاری لجن گرانوله به رغم سرعت زياد و جريان رو به بالای فاضلاب در مخزن هاضم ، رمز موفقيت سيستم UASBاست.

غلظت بالای لجن در بستر لجن و غلظت کم مواد معلق در خروجی راکتور ، از خصوصيات مهم بارگذاری روزانه UASBبه ميزان 10 تا 15 کيلوگرم CODبر هر متر مکعب حجم راکتور صورت می پذيرد. UASBمی تواند 70 تا 95 درصد CODرا حذف کند و ميزان متان توليد شده نيز در حدود 15/0 تا 35/0 نيوتن متر مکعب گاز بر کيلوگرم CODحذف شده است.

 

دامنه کاربرد سيستم بی هوازی سرعت بالا

  اگر چه استفاده از سيستم راکتور بی هوازی در تصفيه فاضلاب صنايع شيميايی ، پتروشيمي و نساجي ، کنترل نشت های حاصل از دفن زباله و مهم تر از همه در تبديلات سولفور و بازيافت آن و بالاخره حذف فلزات سنگين ، به سرعت در حال افزايش است ، اما سيستم های راکتور بی هوازی سرعت بالا بيشتر در چهار صنعت زير کاربرد يافته است.

  1. صنايع نوشابه سازی
  2. صنايع تقطيری و تخميری
  3. صنايع غذايی
  4. صنايع کاغذسازي

    اين چهار صنعت ؛ حدود 87 درصد از راکتورهای بی هوازی را به خود اختصاص داده اند. علاوه بر اين ، سيتم UASBدر مناطق آب و هوايی گرم ، برای تصفيه فاضلاب بهداشتي نيز به کار برده می شود.

 

لجن های گرانوله

  لجن های گرانوله ،انباشتي از ميکروارگانيسم ها هستند که در طول زمان تصفيه ، يا نظم يکسان در محيط و جريان هيدروليکي ثابت رو به بالا تشکيل شده اند. لجن های گرانوله تشکيل دهنده هسته اصلي تکنول.ژی UASBاست.

    در هر محيط انتخابط ، چنانچه شرايط ايجاب می کند تا بدون حضور هيچ کمک کننده ای ، فقط آن دسته از ميکروارگانيسم ها که مقاوم و قادر به اتصال به يکديگر بوده ، رشد و تکثير يابند ، با تجمع و انباشت اين ميکروارگانيسم ها لجن گرانوله تشکيل شود.

    تراکم بيوفيلم ها يا غلظت بالاي ميکروارگانيسم هاي فعال ، امکان بارگذاری بالا در داخل راکتور UASBرا فراهم می سازد. ( يک گرم از لجن گرانوله ماده آلی وزن خشک می تواند در روز 5/0 تا 2 ميليمتر باعث پايداري گرانول ها در مقابل شسته شدن آنها و خروج از راکتور می شود.

 

فرآيند تشکيل گرانول

 فرآيند تشکيل لجن گرانوله ، يک از جالب ترين و پيچيده ترين مباحث مورد علاقه دانشمندان است. هلندی ها مطالعات زيادی روی فرآيند تشکيل لجن گرانوله انجام داده اند و اين فرآيند به عنوان موضوع تز دکترای بسياری از پژوهشگران قرار گرفته است. مکانيسم گرانوله شدن لجن بسيار پيچيده بوده هنوز هم به طور کامل کشف نشده است. بديهي است که پر کردن راکتور و نحوه توزيع و شکل هاضم در نگهداری شکل صحيح گرانول بسيار مهم است.

    نوع فاضلابی که تصفيه می شود ، حضور عناصری مانند کلسيم ، منيزيم ، آلومينيوم سيليکون ، آلومينيوم و تعداد زيادی از ميکروارگانسيم های رشته ای ( همچون متانو تريکس SPP) ، موتنع داخل هاضم ، جداکننده فاز گاز و مايع و جامد در هاضم و حرکت سريع و رو به بالای مايعات نقش مهمی در تشکيل لجن گرانوله دارند.

    برای شروع عمل آوریلجن گرانوله در داخل يک راکتور ، مقداری از لجن گرانوله خوب تطبيق داده شده ( ب اندازه يک درصد حجم راکتور ) جهت بارورزی و يا تلقيح مناسب است ، ولی بهتر است به مرور زمان اين مقدار به 10 تا 15 درصد افزايش داده شود.

    تئوری های زيادی ، در مورد اضافه شدن لايه های سلولی پلي ساکاريدها به کلسيم به عنوان کليد آغازگر فرآيند تجمع و گرد شدن لجن گرانوله وجود دارد ، اما تئوری رشته ای دکتر وايگنت بيشتر از ديگر تئوری ها مورد توجه قرار گرفته است. طبق اين تئوری ميکروارگانيسم های رشته ای به طور همسان در يکديگر پيچيده شده  گلوله های قارچی را تشکيل می دهند.

  1. متان زايی غير متراکم ( ارگانيسم های رشته ای شرکت کننده در متان زايی )
  2. تشکيل لخته از طريق پيچيده شدن رشته ها در يکديگر
  3. تشکيل گلوله ( توپ های رشته ای )
  4. تشکيل گرانول اصلي ، از طريق وصل شدن ساير ميکروارگانيسم ها به گلوله

    همانطور که توليد متان از استات توسط باکتری های متان زا در غلظت های کم توليد می شود ، برای ميکروارگانيسم های رشته ای نيز همين اتفاق می افتد. مرحله توليد متان از استات می تواند به عنوان مبدأ شروع گلوله ای شدن ( توپ رشته ای ) يا سطح چسبنده ، برای ساير ميکروارگانيسم های درگير در فرآيند تجزيه بی هوازی باشد.

  ممکن است برای چسبيدن يا وصل شدن ساير ميکروارگانيسم ها به توده گلوله شده ، لايه های لزج و کلسيم نقش مهمي را بازی کند.

 

خواص ته نشينی لجن گرانوله بی هوازی

 لجن های گرانوله بی هوازی ، به علت اندازه بزرگ ذرات آنها ، دارای خاصيت ته نشينی بسيار سريع و استثنائی هستند.

 همانطور که قبلاً نيز گفته شد ، ته نشين شدن سريع لجن های گرانوله ، امکان استفاده از راکتور UASBبا بارگذاری هيدروليکي بالا را بدون نگرانی از خروج ذرات لجن فعال بيولوژيکي فراهم می سازد و به علت تحمل بارگذاری هيدروليکي بالا ، امکان به کارگيری سيستم UASBبرای جريان های فاضلاب با غلظت کم ، حتی ميزان CODکمتر از چند ميلی گرم در ليتر ( که تصفيه آن در ساير سيستم های بی هوازی ممکن نيست ) نيز وجود دارد.

 جهت شناخت بيشتر خواص ته نشيني لجن گرانوله ، بين لجن های غير متراکم ؛ لخته شده و لجن گرانوله در مدت زمان مشابه 5 دقيقه ای انجام شده است.

 تفاوت زلال سازی حاصل از سرعت بالای ته نشينی لجن گرانوله در مقايسه با لجن غير متراکم ( مانند لجن های موجود که در هاضم بی هوازی تصفيه خانه های فاضلاب شهری ) که در مدت مشابه حتی شروع به زلال سازی نيز نکرده است و نيز لجن لخته شده که عمل زلال سازی آن با سرعتی کمتر از لجن گرانوله صورت گرفته نشان داده شده است.

 

  مزايای تصفيه فاضلاب با سيستم بی هوازی

    اين مزايا عبارتند از :

  1. فضای مورد نياز برای ايجاد سيستم UASBچندان زياد نيست. از آنجا که ميزان بارگذاری در سيستم UASB10برابر بيشتر از سيستم هوازی است ، فضاي مورد نياز برای ايجاد سيستم UASB، نيز يک دهم فضايي است که سيستم هوازی برای تصفيه همان حجم فاضلاب نياز دارد.
  2. در سيستم UASBانرژی قابل استفاده به شکل بيوگاز توليد می شود که معمولاض 75 درصد آن گاز متان است. اين گاز برای استفاده در سيستم های گرمايشی صنايع يا به عنوان منبعي برای گرم کردن فاضلاب هردو به کار برده می شود.
  3. سيستم UASBمی تواند برای تصفيه فاضلاب های باشدت آلودگی بسيار زياد و غلظت بين 1500 تا 50 هزار ميلی گرم CODدر ليتر ، به کار برده شود.
  4. حدود 95 درصد از CODتوليد شده در اين سيستم ، به بيوگاز شده تبديل و 5 درصد باقی مانده نيز به سلول های جديد يا لجن تبديل می شود. مقدار لجن توليد شده در اين سيستم ، حدود 10 درصد لجنی است که توسط همان حجم فاضلاب ولی به روش تصفيه هوازی توليد می شود. کاهش توليد لجن باعث کاهش قابل توجه در هزينه دفع آن نيز می شود.
  5. توليد کمتر لجن هم چنين به مصرف مواد مغذی کمتری می انجامد.                                                                               در سيستم بی هوازی بر طبق قانون THUMBنسبت نيتروژی و فسفر مورد نياز به COD( COD : N : P) از 1 : 5 : 350 تا 1 : 5 : 500 می باشد.
  6. در سيستم UASBلجن با پايداری بالا توليد می شود. بنابراين بعيد به نظر می رسد که در مدت دفع ، بو ايجاد و سبب جذب و رشد حشرات و ساير ميکروارگانيسم های بيماري زا شود.
  7. در سيستم UASB، باکتری های گرانوله – که شبيه کربن فعال يا خاويار هستند – توليد می شود. اين توده های سلولي گرانوله ، خاصيت ته نشينی بسيار خوبی دارند. سرعت ته نشينی يا نشست ، بستگی به اندازه گرانول و ميزان دانسيته آن دارد که می تواند از 20 تا 80 متر در ساعت متغيير باشد.
  8. باکتری های بی هوازی قادرند در حالت خوابيده با خيسانده برای مدت زيادی انبار و نگهداری شوند.
  9. سيستم بی هوازی UASBاز نظر مصرف انرژی بسيار با صرفه است ، زيرا در سيستم های بی هوازی نياز به افزودن هوا که فرآيندی بسيار پرهزينه است وجود ندارد. هم چنين بيوگاز توليد شده ، می تواند محتويات راکتور را به هم بزند. انرژی مورد نياز ، فقط به منظور پمپاژ فاضلاب به داخل سيستم و نگهداری آن دردمای بطن 20 تا 38 درجه سانتي گراد – بهترين دماي بهره برداری – صرفه مي شود.
  10. در سطستم های هوازی ، باکتری های مختلفي وجود دارند ولی در سيستم بی هوازی ، باکتری های تيپ ( يکسان ) وجود دارند و می توانند در هنگام تغييرات وسيع بار آلی نيز به کار برده شوند.

 

معايب سيستم تصفيه بی هوازی UASB

با وجود مزايای سيستم UASB، معايبی نيز بر آن مترتب است که عبارتند از :

  1. راهبردی و هدايت آن بسيار حساس است و در صورت عدم رعايت موارد لازم از سوی بهره برداری ؛ استفاده از آن با مشکلات فراوانی همراه خواهد بود.
  2. فرآيند تصفيه بی هوازی – در مقايسه با سطستم تصفيه هوازی – نسبت به شوک های بارآلی و کاهش دما حساستر است.
  3. کيفيت پساب خروجی از فرآيند تصفيه بی هوازی ، عموماً فاقد استانداردهاي لازم برای تخليه در آب های سطحي است.

 

 

 

منابع :

 

   1 - اصول حفاظت محيط زيست در صنعت شير پگاه – تهران 1383

   2-   مهندسی محيط زيست – دکتر ايوب ترکيان

You are here خدمات ما مقالات بررسی استفاده از روش بی هوازی ( UASB ) در صنايع لبنی و توليد گاز زيستی