در سیستم‌های تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی از فرآیندهای مختلفی استفاده می‌شود. یکی از مشهورترین این فرآیندها، لحن فعال (یا به‌صورت خاص لجن فعال از نوع هوادهی گسترده) است که در بیشتر نقاط دنیا به‌کار گرفته می‌شود.

با تحقیقات گسترده‌‌ای که بر روی این سیستم صورت گرفته است. فرآیندهای تکمیل شده مختلفی از لجن فعال معرفی گردیده است. یکی از این فرآیندهای تکمیل شده لجن فعال SBR و در سال‌های اخیر سیستم پیشرفته‌ای به‌نام IDEA می‌باشد.

IDEA فرآیند ساده، پیشرفته و اقتصادی است که برای تصفیه فاضلاب جوامع کوچک به‌کار می‌رود و استانداردهای زیست‌محیطی پساب خروجی را با شرایط مناسبی برآورده می‌سازد. در واقع IDEA که نوع پیشرفته‌ای گسترده می‌باشد.

از مزایای این سیستم علاوه بر اکسیداسیون مواد آلی گزینه می‌توان به نیترات‌زائی، نیترات‌زدائی، ته‌نشینی جامدات، عدم نیاز به حوض ته‌نشینی اولیه و جداسازی پساب تصفیه‌شده از لجن ته‌نشین شده اشاره کرد.

هوادهی دوره‌ای فاضلاب رشد باکتری‌ها را تسریع کرده و سبب تجزیه مواد آلی به محصولاتی از قبیل آب، دی‌اکسیدکربن، سلول‌های جدید و نمک‌های نیتراته می‌گردد.

در این فرآیند تصفیه کامل شامل سه مرحله پیوسته‌ هوادهی، ته‌نشینی جامدات و جداسازی جریان خروجی می‌باشد.

امروزه همزمان با رشد فزاینده فناوری زیستی، سیستم‌های تصفیه فیزیکی، شیمیائی و بیولوژیکی فاضلاب نیز به‌صورت قابل‌ملاحظه‌ای توسعه یافته‌اند. از این میان، فرآیندهای بیولوژیکی تصفیه فاضلاب با توجه به ماهیت خاص آن و تنوع انواع ارگانیزم‌های دخیل در انجام واکنش‌های بیولوژیکی شکل و ابعاد مختلفی را به خود گرفته است.

فرآیندهائی از قبیل فرآیندهای مختلف لجن فعال، صافی چکنده، لاگوت‌های هوادهی، برکه‌های تثبیت، فیلترهای بی‌هوازی و هوازی و ... از جمله مواردی می‌باشند که می‌توان به آنها اشاره نمود.

همزمان با شناخت واکنش‌های بیولوژیکی و اصول کینتیکی مربوطه، استفاده از فرآیندهای مناسبتر به‌منظور کاهش و حذف آلاینده‌های خاص و مشکل‌ساز مطرح گردید، فسفر و نیتروژن که به‌عنوان عناصر محدودکننده رشد موجودات ریز گیاهی در منابع آب سطحی شناخته می‌شوند، از جمله آلاینده‌هائی می‌باشند که از طریق فرآیندهای متعارف تصفیه فاضلاب به‌طور مناسب قابل حذف نبوده و همراه با پساب خروجی از تصفیه‌خانه‌های فاضلاب به منابع زیست‌محیطی وارد شده و باعث مشکلات خاصی نظیر حذف اکسیژن محلول آب، رشد سریع توده‌های گیاهی، تهدید زندگی موجودات آبزی، پدیده مغذی شدن منابع آبی و ... را فراهم می‌نمایند.

از سوئی عدم توانائی فرآیندهای متعارف تصفیه فاضلاب در حذف ترکیب سنتتیک سخت تجزیه‌پذیر یا غیرقابل تجزیه بیولوژیکی موجود در فاضلاب نظیر انواع ترکیبات داروئی و سایر ترکیبات شیمیائی و نفتی لزوم دستیابی به فرآیندهای پیشرفته و مناسب را در جهت حذف اینگونه آلاینده‌ها با اهمیت می‌سازد.

ضمن آنکه افزایش جمعیت و توسعه سریع کلان شهرها در شرایط کنونی وضعیتی را ایجاد کرده است که به‌علت عدم دسترسی به زمین ارزان قیمت و مناسب، افزایش ظرفیت هیدرولیکی و فرآیندی تصفیه‌خانه‌ها از طریق توسعه فیزیکی ابعاد تصفیه‌خانه عملاً میسر نبوده یا با مشکلات بسیار حادی روبرو است و در نتیجه جوامع انسانی به‌ویژه در شهرهای بزرگ را با معضلات زیست‌محیطی متعددی مواجه نموده است.

لذا انجام مطالعات لازم و بررسی‌های دقیق کارشناسی به‌منظور دسترسی به راهکارهای مناسب و فرآیند جدید و مطلوب جهت مرتفع ساختن مشکلات زیست‌محیطی به‌عنوان یک اصل مهم و غیرقابل انکار باید در دستور کار کلیه سازمان‌ها و نهادهای درگیر با این موضوع قرار گیرد.

● توصیف فرآیند

روش متعارف تصفیه فاضلاب شامل انواع مختلفی از فرآیندهای لجن فعال بود که در بیشتر نقاط دنیا به‌کار گرفته می‌شد. در بیشتر نقاط دنیا، نیاز برای ساختن واحدهای کوچک تصفیه فاضلاب بسیار بیشتر از واحدهای بزرگ می‌باشد. در این میان سیستم هوادهی گسترده می‌تواند گزینه مناسبی باشد. یک زنجیره معمولی تصفیه فاضلاب برای سیستم هواده یگسترده شامل پیش ته‌نشینی مکانیکی؛ هوادهی، ته‌نشینی و کلززنی می‌باشد.

یکی از سیستم‌هائی که در تصفیه‌خانه‌های کوچک می‌تواند به‌کار گرفته شود فرآیند راکتورهای ناپیوسته متوالی (SER) می‌باشد. فرایند SBR یکی از روش‌های اصلاح شده لجن فعال است. در بعضی از نقاط دنیا مطالعات زیادی در تبدیل راکتورهای ناپیوسته متوالی به واحدهای هوادهی گسترده انجام شده است (به‌خصوص استرالیا). در فرآیند SBR تنها از یک حوضچه استفاده می‌گردد و فاضلاب بعد از ورود به حوضچه هوادهی شده، با ایجاد شرایط مسکون (در همان حوضچه) پساب جدا می‌گردد.

در سال ۱۹۷۰، استفان جونز در استرالیا سیستم پیشرفته‌ای از SBR را معرفی کرد که با نام فرآیند IDEA مشهور شد. اولین واحد IDEA ساخته شده در انگلستان به‌نام ”Bathurst-Box“ معروف شده بود. استفاده از این روش باعث می‌شود که جریان بتواند به‌صورت مستمر وارد سیستم شود. در این حالت، نیاز به هیچ بخش مکانیکی خاصی برای تغییر جریان به حوضچه‌های متعدد نمی‌باشد.

در سیستم IDEA پس از عبور فاضلاب از واحد اشغالگیری، جریان از طریق بخش‌های مشخص‌شده‌ای مستقیماً وارد حوضچه راکتور می‌گردد که تصفیه بیولوژیکی و جداسازی جامدات در آن به‌صورت متناوب انجام می‌گیرد. در این حالت احتیاجی به یکنواخت‌سازی جریان و حوضچه‌های متعدد نمی‌باشد.

هر چرخه عملیات تصفیه در هر روز ۴ تا ۶ بار اتفاق می‌افتد. هر کدام از این چرخه‌ها شامل سه فاز می‌باشد: هوادهی، ته‌نشینی و جداسازی. این چرخه‌ها ممکن است برای حصول درجه بالاتری از حذف نیتروژن و فسفر تغییراتی بیابد (۱ و ۲).

▪ تصفیه مقدماتی

مانند هر سیستم تصفیه دیگر، سیستم IDEA وقتی خوب کار می‌کند که جامدات غیرآلی از فاضلاب جداسازی شده باشند. در بیشتر سیستم‌های تصفیه IDEA کوچک از واحد آشغالگیر میله‌ای استفاده می‌کنند معمولاً در واحدهای بزرگتر از واحدهائی مانند سپتیک تانک استفاده می‌شود که قادر به جداسازی جامدات معلق و شناور می‌باشد.

▪ کالکتر یکنواخت‌کننده سرعت جریان ورودی (IVE) این بخش سرعت جریان ورودی را تنظیم و از تلاطم‌های ایجاد شده جلوگیری می‌کند. علاوه بر این کالکتر IVE سرع‌های هیدرولیکی جریان رو به پائین را که به واسطه جریان ورودی ایجاد می‌گردد، تغییر می‌دهد بنابراین از اغتشاش بیومس در تمام الگوهای جریان د طی فاز ته‌نشینی و جداسازی جلوگیری می‌کند.

▪ بخش Omni-Flow

بخش Omni-Flow (ناحیه پیش‌واکنش) شکل مکعبی یا استوانه‌ای دارد و جریان از کف حوضچه به طرف بالا قرار داده می‌شود این حالت باعث می‌گردد که تا ۳۶۰ درجه فضای باز بین کنار قسمت انتهائی بخش Omni-Flow و کف حوضچه وجود داشته باشد. این نوع طراحی باعث ایجاد نسبت پائینی از جریان هیدرولیکی به سطح مقطع حوضچه می‌گردد (عموماً کمتر از ۳:۱). آهنگ انتقال پائین بین ناحیه پیش‌واکنش و راکتور باعث می‌گردد که جریان به آرامی از میان زیست توده عبور کند و در هنگام فاز ته‌نشینی و جداسازی، شستشوی جامدات اتفاق نیافتند.

ناحیه پیش‌واکنش ایجاد شده در درون بخش Omni-Flow مجزا، با نسبت F:M بالا، بر مشکلات ناشی از بارگذاری هیدرولیکی و آلی پیک زودگذر غلبه می‌کند جذب BOD۵ اولیه تتا حدود ۷۰ الی ۸۰ درصد توسط بیومس‌ها به‌دست آمده است. به واسطه نسبت F:M بالا، رشد ارگانیسم‌های رشته‌ای کند می‌گردد و در نتیجه احتمال باکینگ لجن ضعیف می‌گردد (۳)

▪ سیستم هوادهی

سیستم هوادهی IDEA بسته به خصوصیات حوضچه، حجم فاضلاب و میزان آلودگی شامل چهار سیستم هوادهی است. از هر چهار نوع سیستم هوادهی دیفیوزری (حباب ریز، حباب درشت و ...) می‌توان در این سیستم استفاده نمود. ولی پرکاربردترین سیستم هوادهی، دیفیوزرهای با حباب ریز می‌باشد. مزیت عمده این سیستم‌ها نسبت به سیستم‌های تصفیه متداول مانند SBR به‌صورت زیر است:

- ساخت ساده

- هزینه سرمایه‌گذاری و راهبری پائین‌تر

- همه واکنش‌ها در یک راکتور رخ می‌دهد

- راهبری ساده به لحاظ تخصصی

- حداقل نیاز به حمایت‌های تکنیکی

- حذف BOD و جامدات معلق

- حذف مواد مغذی کمکی در طی فرآیند

- وجود چرخه خشک و مرطوب در راکتور

● خصوصیات فرآیندی سیستم IDEA

فاضلاب پیش تصفیه شده (آشغالگیر و شن‌گیر) مستقیماً وارد راکتور می‌گردد که در آن تصفیه بیولوژیکی و حذف جامدات به‌صورت همزمان صورت می‌گیرد و جامدات در یک تانک منفرد ته‌نشین می‌گردند؛ بنابراین نیازی برای تانک‌های ته‌نشینی مجزا نمی‌باشد. هوادهی دوره‌ای فاضلاب رشد باکتری‌ها را تسریع می‌کند و باعث تجربه مواد آلی به آب و سازمان‌های جدید و محصولات فرعی مانند دی‌اکسیدکربن و نمک‌های نیترات می‌گردد هوادهی به‌صورت منظم قطع می‌گردد، در نتیجه لجن و میکروارگانیسم‌ها ته‌نشین می‌شوند.

در این حالت مایع زلال روئی از آن خارج می‌گردد. یکی از مزایای قطع هوادهی، ایجاد شرایط مناسب برای رشد باکتری‌های بی‌هوازی و تبدیل نیترات به‌ گاز نیتروژن می‌باشد. به‌صورتی که نیتروژن از فاضلاب به‌خوبی حذف می‌گردد. برای کنترل نسبت F:M مقداری از لجن به‌صورت مرتب حذف می‌شود. جریان خروجی از تانک باید گندزدائی شود تا در پساب از نظر میکروبی شرایط مناسب را پیدا کند.

در یک واحد بزرگ ساخته شده در انگلستان که از هواده دیفیوزی استفاده می‌کردند بیش از ۹۰% جامدات و مواد آلی از فاضلاب حذف گردیدند. همچنین مقداری از موادمغذی کمکی مانند ازت و فسفر نیز حذف شدند.

حوضچه‌های راکتور IDEA، جمعیت MLSS از Img/I تا ۱۰،۰۰۰mg/I را در خود گسترش می‌دهند. غلظت DO در آنها بین (۳-۰) می‌باشد. بنابراین شوک بارگذاری‌های آلی در آن کمتر اثر گذارده و در نتیجه حذف فسفر و نیتروژن در سیستم به‌خوبی انجام می‌گیرد. از آنجائی‌که فرآیند IDEA مشابه با هوادهی گسترده در زمان مانند سلولی بالا راهبری می‌شود، بنابراین لجن کمتری تولید می‌گردد.

در فرآیند IDEA، مانند همه فرآیندهای تصفیه هوازی، آلودگی توسط باکتری‌های هوازی با مصرف اکسیژن کاهش می‌یابد. در طی فاز هوادهی فرآیند IDEA، باکتری‌ها به‌صورت طبیعی رشد می‌کنند و از مواد آلی و اکسیژن استفاده می‌کنند. محصولات جانبی این فرآیند دی‌اکسیدکربن و آب می‌باشد. این فرآیند به‌صورت زیر می‌باشد:

(۱)

BoD۵+O۲ -----> CO۲+H۲o

▪ حذف ازت و فسفر در سیستم IDEA

۱) نیترات‌زائی

نیتروژن در فاضلاب به دو شکل نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیاکی وجود دارد. در فرآیند IDEA، نیتروژن آمونیاکی و آلی به‌وسیله دو فرآیند طبیعی متوالی (باکتری‌های هوازی) به نیترات تبدیل می‌شوند. در اولین مرحله، نیتروزومونوس‌ها NH (مثبت ۴) را به نیتریت و در مرحله دوم نیتروباکترها نیتریت را به نیترات تبدیل می‌کنند.

(۲)

NH+۴ + ۳/۲O۲ -->NO-۲ + ۲H+H۲O

(۳)

NO-۲ + ۱/۲O۲ --> NO

۲) نیترات‌زدای

در فرآیند IDEA، باکتری‌ها از کربن آلی برای تبدیل نیترات به‌کار نیتروژن، آب و دی‌اکسیدکربن استفاده می‌کنند. این فرآیند در یک محیط آنوکسیک اتفاق می‌افتد که باکتری‌های نیترات‌زدا اکسیژن را از مولکول‌های نیترات تهیه می‌کنند و سبب تبدیل نیترات به گاز ازت می‌شوند.

(۴)

NO۳+ کربن --> N۲+H۲O+CO۲

۳) حذف فسفر

تحت شرایط ایجاد شده توسط فرآیندی IDEA، حذف فسفر از طریق بیولوژیکی صورت می‌گیرد. میکروارگانیسم‌های موجود در مایع مخلوط قادر به حذف مقداری از فسفر فاضلاب هستند.

▪ طراحی فرآیند

هر چرخه استاندارد IDEA، چهار ساعت طول می‌کشد که شامل فازهای زیر است:

۱) فاز هوادهی و واکنش (۲ ساعت)

۲) فاز ته‌نشینی (۱ ساعت)

۳) فاز جداسازی (۱ ساعت)

در تمام مراحل چرخه جریان ورودی قطع نمی‌گردد. در دو فاز انتهائی (ته‌نشینی و جداسازی) هوادهی قطع می‌گردد و جداسازی جامدات و پساب در طی چرخه در زمان قطع هوادهی اتفاق می‌افتد.