تصفیه شیرابه
عملیات بهینه محل دفن زباله‌ها (مثلاً محل دفن بیوراکتور) همراه با جمع‌آوری و تصفیه شیرابه و گاز، پایه‌ای برای یک محل دفن ایمن با حداقل انتشار آلاینده‌ها است. تصفیه شیرابه برای کاهش عمده محتوای آلی و نیتروژن موجود در آن ضروری است. فرآیندهای بیولوژیکی، مانند تصفیه‌خانه‌های لجن فعال و تالاب‌های هوادهی، به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، اما مقادیر باقی‌مانده COD و AOX هنوز نسبتاً بالاست. این امر باعث شد تا مراحل تصفیه فیزیکی-شیمیایی به‌عنوان روش جایگزین یا مکمل توسعه یابند. تجارب زیادی با این روش‌ها در گذشته انجام شده و بنابراین تصفیه شیرابه به‌عنوان یک فناوری پیشرفته شناخته می‌شود. با وجود تعداد زیاد تصفیه‌خانه‌های شیرابه در حال بهره‌برداری، هیچ راه حل یکسانی برای همه شرایط وجود ندارد. نوع روش انتخابی باید بر اساس شرایط خاص، مقررات مرتبط و هزینه‌ها تعیین شود.
1. مقدمه
شیرابه محل دفن بهداشتی، یک فاضلاب بسیار آلوده و پیچیده است. کیفیت آن نتیجه ترکیب فرآیندهای بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی در محل دفن به همراه ترکیب خاص زباله‌ها و رژیم آب محل دفن است.
با افزایش استانداردهای کیفیت خروجی شیرابه، تلاش‌ها برای تصفیه آن نیز افزایش می‌یابد. روش‌های تصفیه باید جریان نسبتاً کم و ترکیب پیچیده شیرابه را در نظر بگیرند که آن را از فاضلاب شهری و سایر انواع فاضلاب متمایز می‌کند.
2. کیفیت و کمیت شیرابه (Leachate Quality and Quantity)
2.1. کیفیت شیرابه (Leachate Quality)
به طور کلی در محل‌های دفن زباله، طی فرآیند تجزیه بی‌هوازی (Anaerobic Decomposition) دو فاز اصلی قابل شناسایی هستند:
فاز اسیدی (Acid Phase) :
در این مرحله pH شیرابه کاهش می‌یابد، اما غلظت اسیدهای آلی (Organic Acids) و یون‌های معدنی (Inorganic Ions) مانند کلرید (Cl⁻)، سولفات (SO₄²⁻)، کلسیم (Ca²⁺)، منیزیم (Mg²⁺) و سدیم (Na⁺) بالا است. غلظت فلزات سنگین (Heavy Metals) به طور کلی نسبتاً پایین است. شیرابه حاصل از فاز اسیدی معمولاً دارای مقادیر بالای BOD₅ (بیش از ۱۰,۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر)، نسبت بالای BOD₅/COD (بیشتر از ۰.۷) و pH اسیدی (حدود ۵ تا ۶) است. اطلاعات بیشتر درباره فرآیندهای تجزیه زیستی در منابع دیگر گزارش شده است (Stegmann & Spendlin, 1989).
فاز متانوژنیک (Methanogenic Phase) :
فاز پایدار متانوژنیک (Phase IV) از تجزیه بی‌هوازی دارای محدوده pH بین ۶ تا ۸ است. در این مرحله، ترکیب شیرابه با مقادیر نسبتاً پایین BOD و نسبت پایین BOD/COD مشخص می‌شود. با این حال، آمونیاک (Ammonia) همچنان در سطح نسبتاً بالایی باقی می‌ماند.
در جدول ۱، محدوده غلظت شیرابه بر اساس این دو فاز اصلی تجزیه برای برخی از پارامترهای مهم ارائه شده است. Ehrig (1990) داده‌های غلظت شیرابه در محل‌های دفن زباله آلمان طی دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ را گردآوری کرد. نتایج نشان داد که آلاینده‌های آلی مانند COD، BOD₅، TOC و همچنین AOX، SO₄، Ca، Mg، Fe، Mn، Zn و Cr به‌شدت تحت تأثیر فاز اسیدی یا فاز متانوژنیک قرار دارند.
Kruse (1994) نیز ۳۳ محل دفن زباله در شمال آلمان را بررسی کرد (عمدتاً داده‌ها مربوط به اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ است). او سه دوره مشخص را بر اساس نسبت BOD₅/COD تعریف کرد:
فاز اسیدی BOD5/COD ≥ 0,4
فاز گذار 0,4 > BOD5/COD > 0,2
فاز متانوژنیک BOD5/COD ≤ 0,2
بین این دو مطالعه، اختلافات قابل توجهی در مورد پارامترهای آلی (Organic Parameters) وجود دارد. در محل‌های دفن زباله جوان‌تر (Kruse, 1994)، غلظت‌های COD، BOD₅ و TOC شیرابه کمتر از مقادیر اندازه‌گیری‌شده توسط Ehrig (1990) حدود ده سال قبل است. این تفاوت را می‌توان با پیشرفت‌های فناوری در دفن زباله توضیح داد؛ به‌طوری‌که در بسیاری از محل‌های دفن جوان‌تر، فشرده‌سازی زباله (Waste Compaction) در لایه‌های نازک انجام می‌شود. علاوه بر این، ترکیب زباله (Waste Composition) نیز ممکن است تغییر کرده باشد (میزان کمتر زباله‌های تجزیه‌پذیر زیستی). این عوامل می‌توانند منجر به کوتاه‌تر شدن فاز اسیدی (Acid Phase) و تسریع در تولید متان (Methane) و دی‌اکسیدکربن (CO₂) شوند.
2.2 کمیت شیرابه
تولید شیرابه نتیجه بارش، تبخیر، رواناب سطحی، نفوذ آب، ظرفیت ذخیره‌سازی زباله و سایر عوامل است. در بسیاری از محل‌های دفن شمال آلمان، میزان تولید شیرابه معمولاً بین ۱۲ تا ۲۲٪ بارش سالانه است. مقادیر کمتر از ۱۰٪ معمولاً مربوط به محل‌های دفن بسیار جوان و مقادیر بالاتر از ۲۵٪ مربوط به محل‌هایی است که ظرفیت ذخیره‌سازی زباله به‌طور کامل استفاده شده است.
3. تصفیه شیرابه
3.1. استانداردهای تخلیه آلمان
چند پارامتر وجود دارد که برای انتخاب نوع فناوری تصفیه (Treatment Technology) اهمیت زیادی دارند؛ عمدتاً COD و AOX، و همچنین نیتروژن (Nitrogen) و BOD₅. دو پارامتر نخست (COD و AOX) نیازمند استفاده از یک فناوری تصفیه جامع‌تر (Comprehensive Treatment Technology) یا ترکیبی از روش‌های مختلف تصفیه هستند که در بخش‌های بعدی توضیح داده خواهند شد.
جدول ۲. مقادیر حدی برای تخلیه شیرابه تصفیه‌شده طبق استانداردهای آلمان
جدول ۱. ترکیبات موجود در شیرابه‌های دفن زباله‌های شهری (MSW) (براساس EHRIG, 1990 و KRUSE, 1994)
3.2. تصفیه بیولوژیکی (Biological Treatment)
تصفیه بیولوژیکی در سطح جهان رایج‌ترین روش برای تصفیه شیرابه (Leachate) است. سیستم‌های بیولوژیکی می‌توانند به دو دسته فرآیندهای بی‌هوازی (Anaerobic) و هوازی (Aerobic) تقسیم شوند. هر دو نوع فرآیند را می‌توان با استفاده از مفاهیم مختلف واحدهای تصفیه (Plant Concepts) عملیاتی کرد.
در ادامه برخی از این روش‌ها ارائه شده است:
تصفیه بیولوژیکی بی‌هوازی (Anaerobic Biological Treatment) :
استفاده از بخش‌هایی از بدنه محل دفن زباله به‌عنوان راکتور (Parts of the Landfill Body Used as a Reactor)
فیلتر بی‌هوازی (Anaerobic Filter)
راکتور بستر لجن بی‌هوازی (Upflow Anaerobic Sludge Bed Reactor – UASB)
تصفیه بیولوژیکی هوازی (Aerobic Biological Treatment) :
تالاب هوادهی‌شده (Aerated Lagoons)
واحد لجن فعال (Activated Sludge Plants)
تماس‌دهنده زیستی چرخشی (Rotating Biological Contactors – RBC)
فیلتر قطره‌ای (Trickling Filter)
واحد دسته‌ای متوالی (Sequential Batch Plant)
تصفیه همزمان با فاضلاب شهری (Co-treatment with Sewage)
3.2.1. تصفیه همزمان بیولوژیکی فاضلاب و شیرابه دفن زباله
داده‌های حاصل از آزمایش‌های تصفیه همزمان (Co-treatment) نشان می‌دهد که این فناوری یک روش ممکن برای تصفیه شیرابه (Leachate) است (Kayser, 1986; Dahm, 1994). این نتایج توسط این واقعیت پشتیبانی می‌شود که در سطح جهان، فاضلاب شهری (Sewage) و شیرابه به‌طور جداگانه با موفقیت به روش بیولوژیکی تصفیه می‌شوند (Heyer & Stegmann, 1998).
از این موضوع می‌توان نتیجه گرفت که ترکیب این نوع آب‌های آلوده نیز می‌تواند به‌صورت بیولوژیکی تصفیه شود. با این حال، هنگام افزودن شیرابه به یک واحد تصفیه بیولوژیکی فاضلاب، لازم است برخی پیامدها مدنظر قرار گیرند. در این حالت، بار آلی (Organic Loading) افزایش می‌یابد و ضروری است که واحد تصفیه فاضلاب بیش از حد بارگذاری نشود.
توجه ویژه‌ای باید به غلظت بالای آمونیاک (Ammonia) در شیرابه، حتی از محل‌های دفن زباله در فاز متانوژنیک (Methanogenic Phase)، معطوف شود. اگر بارگذاری مطابق با مقادیر طراحی واحد تصفیه فاضلاب باشد، انتظار افزایش غلظت نیتروژن (Nitrogen) یا BOD₅ در پساب (Effluent) وجود ندارد. محدودیتی ممکن است زمانی رخ دهد که فاضلاب به‌عنوان منبع کربن (Carbon Source) برای دنیتریفیکاسیون (Denitrification) نیترات (Nitrate) استفاده شود، در حالی که این نیترات از مخلوط فاضلاب و شیرابه به‌دست آمده و شیرابه از محل‌های دفن قدیمی با غلظت‌های پایین مواد آلی قابل تجزیه تأمین شده است.
افزایش ترکیبات آلی غیرقابل تجزیه در شیرابه (Non-degradable Organic Leachate Components)، به‌ویژه COD باقی‌مانده (Residual COD) و AOX، عمدتاً تابعی از رقیق‌سازی (Dilution) است. مشکلات ممکن است زمانی ایجاد شوند که COD در پساب (Effluent) واحد تصفیه فاضلاب (Sewage Treatment Plant) به دلیل افزودن شیرابه از حد مجاز تجاوز کند. در این صورت، هزینه‌های بالاتری برای بهره‌بردار واحد تصفیه ایجاد می‌شود، زیرا ممکن است مجبور باشد برای بار COD که بالاتر از حد تخلیه (Discharge Limit) است، هزینه پرداخت کند.
از آنجا که غلظت فلزات سنگین (Heavy Metals) در شیرابه تصفیه‌نشده (Non-treated Leachate) به‌طور کلی نسبتاً پایین است، انتظار نمی‌رود که تصفیه همزمان فاضلاب و شیرابه (Co-treatment of Sewage and Leachate) اثرات منفی ایجاد کند. یک استثنا ممکن است شیرابه حاصل از محل‌های دفن زباله در فاز استیکی (Acetic Phase) باشد که در آن غلظت روی (Zinc) ممکن است بالا باشد (رجوع کنید به جدول ۱).
در طول فرآیند تصفیه بیولوژیکی (Biological Treatment)، بیشتر روی رسوب کرده و در لجن (Sludge) باقی می‌ماند. ممکن است تفاوت‌هایی در غلظت شیرابه از دیگر محل‌های دفن زباله وجود داشته باشد، جایی که ترکیب زباله دفن‌شده (Landfilled Waste Composition) و/یا شرایط دیگر متفاوت است.
به‌طور کلی، تصفیه همزمان بیولوژیکی فاضلاب و شیرابه (Biological Co-treatment of Sewage and Leachate) یک فناوری اثبات‌شده است و به‌طور کلی به خوبی عمل می‌کند، به شرطی که واحد تصفیه با دقت طراحی و بهره‌برداری شده و بیش از حد بارگذاری نشود.
تجارب نشان داده‌اند که در طول تصفیه همزمان فاضلاب و شیرابه، توجه ویژه‌ای باید به نسبت BOD₅ به نیتروژن (BOD₅/Nitrogen Ratio) معطوف شود. علاوه بر این، لازم است اثبات شود که شیرابه حاوی مواد سمی (Toxic Substances) نیست. پذیرش این روش تصفیه شیرابه در میان بهره‌برداران واحدهای تصفیه فاضلاب متفاوت است.
به‌طور کلی، انجام آزمایش‌های تجزیه بیولوژیکی (Biological Degradation Tests) در آزمایشگاه با در نظر گرفتن شرایط خاص هر موقعیت توصیه می‌شود.
3.2.2. تصفیه بی‌هوازی (Anaerobic Treatment)
در دوره‌ای که غلظت مواد آلی (Organic Concentrations) در شیرابه‌های فاز اسیدزا (Acidogenic Phase) محل دفن زباله بالاست (جدول ۱)، یک مرحله تصفیه بی‌هوازی (Anaerobic Treatment Step) می‌تواند راهی برای کاهش بخش عمده‌ای از مواد آلی قابل تجزیه (Degradable Organics) باشد (Mennerich, 1988).
مزیت اصلی فرآیند بی‌هوازی، نیاز کم به انرژی است، زیرا نیازی به تأمین اکسیژن (Oxygen) نیست. فرآیندهای فنی بی‌هوازی نیازمند دماهای مناسب در حدود ۳۵ تا ۵۵ درجه سانتی‌گراد هستند. این فرآیند نسبت به تغییرات شرایط محیطی بسیار حساس است.
تصفیه بی‌هوازی شیرابه فرآیندی مؤثر است، اما غلظت‌های باقی‌مانده BOD₅ و COD در پساب هنوز بالاست، با مقادیر COD بین ۱,۰۰۰ تا ۴,۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر و نسبت BOD₅/COD > ۰.۳. پس از مرحله تصفیه بی‌هوازی، شیرابه باید از طریق فرآیندهای هوازی (Aerobic Processes) به استانداردهای نهایی پساب (Final Effluent Standards) برسد.
در طول تحقیقات و شرایط عملیاتی، گاهی اوقات فیلترهای بی‌هوازی به دلیل رسوب آهن و کلسیم مسدود شدند. حجم آزاد (Free Volume) راکتورها در یک مورد تا ۶۰٪ توسط رسوبات مصرف شد پس از کاهش COD حدود ۲,۰۰۰–۳,۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب. در راکتورهای UASB، محتوای غیرآلی لجن (Inorganic Content of Sludge) به‌طور قابل توجهی با گذشت زمان افزایش می‌یابد و نرخ حذف (Elimination Rates) را کاهش می‌دهد (Mennerich, 1988).
تنها در شرایطی که محل‌های دفن زباله بسیار بزرگ و برای دوره‌های طولانی بهره‌برداری شوند، می‌توان مرحله تصفیه بی‌هوازی (Anaerobic Treatment Step) را در نظر گرفت. به‌طور کلی، نویسندگان این روش را توصیه نمی‌کنند، زیرا کیفیت شیرابه (به‌ویژهBOD) پس از چند سال، زمانی که فاز متانوژنیک (Methanogenic Phase) آغاز می‌شود، تغییر می‌کند.
وقتی غلظت‌های BOD₅ کمتر از ۲,۰۰۰–۵,۰۰۰ میلی‌گرم در لیتر باشد، فرآیندهای بی‌هوازی قابل اجرا نیستند.
اگر یک محل دفن زباله از بخش‌های قدیمی و جوان تشکیل شده باشد، شیرابه بخش جوان (که در فاز اسیدزا قرار دارد) می‌تواند بر روی بخش قدیمی (که در فاز متانوژنیک است) بازچرخش داده شود، جایی که اسیدهای آلی بالای موجود در شیرابه تجزیه شده و شیرابه از حالت اسیدزا (Acidogenic) به متانوژنیک (Methanogenic) تغییر می‌یابد.
مکانیزم دیگری برای کاهش BOD در شیرابه‌های محل‌های دفن جوان، ایجاد یک لایه ۱–۲ متری از زباله کمپوست‌شده است که بر روی سطح سیستم زهکشی نصب شده بالای لاینر کف (Bottom Liner) قرار می‌گیرد. این لایه به‌عنوان یک فیلتر بی‌هوازی (Anaerobic Filter) عمل کرده و غلظت اسیدهای آلی را به‌طور قابل توجهی کاهش می‌دهد (Stegmann & Spendlin, 1989).
3.2.3. تالاب‌های هوازی (Aerated Lagoons)
تالاب‌های هوازی یک سیستم نسبتاً ساده برای تصفیه شیرابه (Leachate Treatment System) هستند. ایده اصلی این است که زمان ماند شیرابه (Retention Time) به اندازه کافی طولانی باشد تا تعداد باکتری‌های توسعه‌یافته در واحد زمان، معادل تعداد باکتری‌هایی باشد که همراه با پساب (Effluent) از تالاب خارج می‌شوند.
زمان ماند طولانی همچنین برای اکسیداسیون نیتریفیکاسیون آمونیاک (Ammonia Nitrification)، به ویژه در دماهای پایین، ضروری است. هزینه‌های نگهداری و بهره‌برداری نسبتاً کم است. زمان‌های بازداشت لازم معمولاً در بازه ۵۰ تا ۱۰۰ روز قرار دارند (Cossu et al., 1989).
3.2.4. تصفیه با لجن فعال (Activated Sludge Plants)
زمان ماند (Detention Time) در واحدهای لجن فعال می‌تواند به‌طور قابل توجهی کوتاه‌تر از تالاب‌های هوازی باشد. دلیل این امر آن است که محتوای لجن (Sludge Content)، یعنی میزان باکتری‌ها، قابل کنترل است و چندین برابر میزان موجود در تالاب‌های هوازی می‌باشد.
این امر با نصب یک مخزن ته‌نشینی (Settling Tank) پشت مخزن هوادهی (Aeration Tank) و بازچرخش لجن به مخزن لجن فعال (Activated Sludge Tank) محقق می‌شود. بخشی از لجن نیز باید به‌عنوان لجن اضافی (Excess Sludge) از سیستم خارج شود.
علاوه بر کاهش BOD₅، نیتریفیکاسیون آمونیوم (Nitrification of Ammonium) نیز ضروری است.
۱. مخزن نیتریفیکاسیون (Nitification Tank)
۲. مخزن دنیتریفیکاسیون (Denitrification Tank)
۳. مخزن ته‌نشینی (Settling Tank)
۴. مخزن هوادهی (Aeration Tank)
شکل ۲. طرح شماتیک واحدهای نیتریفیکاسیون / دنیتریفیکاسیون (Schemes of Nitrification / Denitrification Plants)
حذف نیتروژن (Nitrogen Elimination) با افزایش سن محل دفن زباله و کاهش روزافزون BOD در شیرابه محل دفن، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. تصفیه چنین شیرابه‌ای نسبت به شیرابه‌ای با محتوای بالای BOD₅، پیچیده‌تر است.
pH این شیرابه‌ها عمدتاً در محدوده ۸.۰ تا ۸.۵ قرار دارد. اما در طول فرآیند هوادهی، در برخی موارد pH تا ۹ و بالاتر افزایش می‌یابد. در چنین شرایطی، تعادل از آمونیوم به آمونیاک آزاد (Free Ammonia) در فاز گازی تغییر می‌کند.
غلظت آمونیاک آزاد ممکن است اثر مهاری بر باکتری‌های نیتریفیک‌کننده داشته باشد. از طرف دیگر، اگر آمونیوم به نیترات تبدیل شود، pH به‌دلیل مصرف قلیایی کاهش می‌یابد. به‌طور کلی، عملیات بسیار دقیق و کنترل pH لازم است تا مقادیر آمونیوم در پساب به حداقل برسد.
برای جلوگیری از کاهش دما در واحدهای لجن فعال، ممکن است لازم باشد مخزن هوادهی پوشانده شود و بخشی از حرارت تولیدشده توسط دمنده‌های هوای تأمین‌کننده هوا در سیستم هوادهی حبابی (Bubble Aeration) برای گرمایش استفاده گردد.
برای کاهش محتوای بالای نیترات در پساب شیرابه و تثبیت شرایط pH در واحدهای لجن فعال، یک مرحله دنیتریفیکاسیون ضروری است. پیش‌دنیتریفیکاسیون (Pre-denitrification) مؤثرتر خواهد بود اگر غلظت کافی و بالایی از مواد آلی قابل تجزیه در شیرابه خام وجود داشته باشد که بتوانند به‌عنوان بستر (Substrate) برای باکتری‌های دنیتریفیک‌کننده استفاده شوند.
نرخ دنیتریفیکاسیون به میزان آب و لجن بازچرخانده‌شده و نسبت BOD₅ به نیتروژن (BOD₅/N) بستگی دارد (رجوع کنید به شکل ۱). برای دستیابی به مقادیر نیتروژن در پساب کمتر از ۵ تا ۱۰ درصد غلظت‌های ورودی، نرخ‌های بازچرخش بسیار بالا لازم است.
با استفاده از فرآیند پست‌دنیتریفیکاسیون (Post-denitrification) می‌توان به مقادیر بسیار پایین نیترات در پساب دست یافت. اما مواد آلی موجود در شیرابه نمی‌توانند به‌عنوان منبع کربن مورد استفاده قرار گیرند و ممکن است نیاز به تثبیت جداگانه pH برای مخزن نیتریفیکاسیون وجود داشته باشد. شیرابه از فاز متان‌زایی (Methanogenic Phase) تنها با افزودن یک منبع کربن خارجی مانند اسید استیک، متانول و غیره قابل دنیتریفیکاسیون است (رجوع کنید به شکل ۲).
3.2.5. تماس‌گرهای بیولوژیکی چرخشی (RBC) و فیلترهای قطره‌ای (Trickling Filters)
این واحدها با واحدهای لجن فعال تفاوت دارند، زیرا باکتری‌ها به سطح تماس‌دهنده‌های چرخشی یا به پرکننده‌های فیلترهای قطره‌ای متصل هستند. تأمین هوا به‌صورت طبیعی انجام می‌شود، به این صورت که تماس‌دهنده چرخشی بخشی در هوا و بخشی در آب قرار دارد. هوا ممکن است به‌صورت طبیعی یا مصنوعی از طریق فیلتر قطره‌ای خارج شود.
این روش تصفیه انرژی نسبتاً کمی مصرف می‌کند. تصفیه شیرابه‌های با آلودگی بالای مواد آلی ممکن است باعث گرفتگی با رسوبات غیرآلی و/یا بیوماس تولیدشده شود. از سوی دیگر، در بسیاری از موارد فرآیندهای نیتریفیکاسیون در راکتورهای فیلم ثابت (Fixed Film Reactors) به دلیل سن بالای لجن مؤثرتر هستند. به همین دلیل، این روش‌های تصفیه برای شیرابه‌های حاصل از محل‌های دفن قدیمی مناسب‌ترند.
تأثیر دما بر نیتریفیکاسیون نسبتاً زیاد است. اثرات دما در RBCها راحت‌تر کنترل می‌شود، زیرا این سیستم‌ها جمع‌وجور و معمولاً پوشیده هستند.
3.2.6. خلاصه تصفیه بیولوژیکی
فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی روش‌های بسیار موثری برای کاهش مواد آلی قابل تجزیه مانند BOD₅ و بخش عمده‌ای از COD هستند. حتی در شیرابه‌هایی با غلظت پایین مواد آلی و نسبت BOD₅/COD کمتر از ۰.۲، می‌توان تا ۵۰٪ از COD را توسط تصفیه بیولوژیکی حذف کرد. این روش همچنین برای اکسیداسیون آمونیوم به نیترات و کاهش نیترات از طریق دنیتریفیکاسیون به نیتروژن گازی مؤثر است. کاهش نرخ حذف در دوره‌های دمای پایین آب، به ویژه برای کاهش آمونیوم، یک نکته منفی محسوب می‌شود.
با توجه به اینکه غلظت فسفر در شیرابه به‌طور کلی بسیار پایین است، در اکثر موارد هنگام استفاده از فرآیندهای تصفیه بیولوژیکی، باید فسفر به سیستم اضافه شود. دوز مناسب فسفر برای برقراری نسبت مناسب BOD–N–P ضروری است. علاوه بر این، مشکلاتی مانند تولید فوم شدید در حوضچه لجن فعال ممکن است رخ دهد. نرخ بالای رسوب‌گذاری ترکیباتی مانند آهن و کربنات‌ها نیز قابل انتظار است، بنابراین پاک‌سازی منظم پمپ‌های غوطه‌ور، دستگاه‌های هوادهی و تجهیزات مشابه لازم است.
استفاده صرف از تصفیه بیولوژیکی شیرابه باعث می‌شود که غلظت‌های COD و احتمالاً AOX به استانداردهای پساب، مانند استانداردهای آلمان، نرسند. به همین دلیل، نیاز به تصفیه تکمیلی وجود دارد.
4. اکسیداسیون شیمیایی
در سال‌های اخیر، فرآیندهای اکسیداسیون شیمیایی در مکان‌های دفن زباله مختلف در آلمان مورد استفاده قرار گرفته و همچنان استفاده می‌شوند. معمولاً ترکیبی از عوامل اکسیدکننده مانند اوزون یا پراکسید هیدروژن و نور فرابنفش (UV) به کار می‌رود. این ترکیب نرخ‌های اکسیداسیون بالایی برای COD و AOX در شیرابه نشان می‌دهد.
فرآیند شامل یک محفظه است که در آن شیرابه ورودی با عوامل اکسیدکننده مخلوط می‌شود. در بیشتر موارد، این فرآیند با استفاده از UV نیز پشتیبانی می‌شود. برای افزایش نرخ حذف، حجم‌های زیادی از شیرابه بازچرخانی می‌شوند. در مقابل مخلوط کردن پراکسید هیدروژن با آب، مخلوط کردن اوزون گازی با آب دشوارتر است. یکی از مسائل اصلی، استفاده حداکثری از اوزون برای اکسیداسیون است. اغلب، نرخ بهره‌برداری از اوزون پایین است که باعث افزایش هزینه‌های فرآیند می‌شود.
شکل ۳ به‌عنوان نمونه، یک توالی فرآیندی در یک تصفیه‌خانه در شمال آلمان را نشان می‌دهد که شامل تصفیه بیولوژیکی همراه با اکسیداسیون شیمیایی (اوزون) است. در این شکل، غلظت‌های متوسط COD، آمونیوم و AOX در جریان ورودی، خروجی پس از تصفیه بیولوژیکی، خروجی پس از اکسیداسیون شیمیایی و همچنین پس از مرحله دوم تصفیه بیولوژیکی در تماسگر زیستی چرخشی ارائه شده است. باید توجه داشت که در مرحله اکسیداسیون شیمیایی ممکن است ترکیبات غیرآلی نیز اکسید شوند. برای جلوگیری از اکسید شدن پرهزینه‌ی ترکیبات به‌راحتی قابل تجزیه بیولوژیکی، پیشنهاد می‌شود پیش‌تصفیه بیولوژیکی شامل نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون انجام شود.
شکل ۳. توالی فرآیندی برای ترکیب تصفیه بیولوژیکی + اکسیداسیون شیمیایی + بیولوژیکی؛
غلظت‌های مشخصه پساب لجن فاضلاب در یک تصفیه‌خانه (برگرفته از ATV 7.2.26، ناشناس ۱۹۹۶)
در فرآیند اکسیداسیون شیمیایی، همه ترکیبات آلی به دی‌اکسید کربن و آب اکسید نمی‌شوند. برخی از ترکیبات آلی تنها به‌طور جزئی اکسید شده و معمولاً به محصولات میانی قابل تجزیه بیولوژیکی تبدیل می‌شوند. این ترکیبات آلی «جدید» قابل تجزیه باید توسط تصفیه بیولوژیکی کاهش یابند. برای کاهش این غلظت‌های نسبتاً پایین از ترکیبات آلی، استفاده از راکتور فیلم ثابت (Fixed Film Reactor) می‌تواند گزینه مناسبی باشد. همچنین می‌توان خروجی تصفیه‌خانه اکسیداسیون شیمیایی را به ورودی راکتور بیولوژیکی بازگرداند.
شکل ۴. توالی فرآیندی برای ترکیب بیولوژی + جذب (کربن فعال) + لخته‌سازی/ته‌نشینی؛ غلظت‌های مشخصه‌ی لجن نشت‌آب یک واحد تصفیه
امروزه بیشتر از کربن دانه‌ای استفاده می‌شود که در ستون‌ها قرار می‌گیرد و نشت‌آب از درون آن عبور می‌کند. مزیت این روش در حذف مرحله لخته‌سازی/ته‌نشینی برای جداسازی کربن فعال پودری است، که معمولاً باعث افزایش میزان نمک نیز می‌شود. علاوه بر این، قابلیت استفاده مجدد از کربن دانه‌ای بارگذاری‌شده پس از بازسازی حرارتی آن یک مزیت بزرگ به شمار می‌آید.
در شکل ۴ به‌عنوان نمونه، توالی فرآیندی برای تصفیه بیولوژیکی در ترکیب با جذب (کربن فعال پودری) و لخته‌سازی/ته‌نشینی نشان داده شده است. غلظت‌های متوسط COD، آمونیوم و AOX برای ورودی، خروجی بیولوژیکی و خروجی نهایی در این شکل ارائه شده‌اند.
4.3. فرآیندهای فیزیکی- شیمیایی
4.3.1. اسمز معکوس
یکی از تحولات دهه گذشته در تصفیه نشت‌آب، استفاده از اسمز معکوس (RO) است. اما برخلاف تصفیه بیولوژیکی، این یک فرآیند جداسازی به دو جریان است: یک جریان نفوذی با آلودگی کم و یک جریان تغلیظ شده با آلودگی زیاد. با استفاده از این فناوری می‌توان نفوذی‌هایی با غلظت بسیار پایین تولید کرد. اگر نشت‌آب از فاز استیک (اسیدی) باید تصفیه شود، ممکن است پیش‌تصفیه بیولوژیکی به دلایل مختلف ضروری باشد؛ مانند افزایش رسوب، عبور مولکول‌های کوچک از غشاء و افزایش گرفتگی سطح غشاء. در طول اسمز معکوس، جداسازی آمونیوم اغلب کافی نیست. کاهش غلظت آمونیاک در نفوذی می‌تواند با استفاده از اسمز معکوس دو مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای افزایش یابد. در برخی موارد، آمونیوم با استفاده از فرآیند پیش‌تخلیص یا یک مرحله بیولوژیکی نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون حذف می‌شود.
یک نقطه‌ضعف اسمز معکوس تولید جریان تغلیظ‌شده مایع است (حدود ± ۲۰٪ از نشت‌آب). به نظر نویسندگان، روش بازگرداندن این تغلیظ به داخل محل دفن بهترین گزینه نیست. در حال حاضر در آلمان، تبخیر این تغلیظ در تعداد کمی از محل‌های دفن استفاده می‌شود. روش‌های دیگر دفع تغلیظ شامل تثبیت، دفن در معادن عمیق، سوزاندن در تأسیسات زباله‌های خطرناک یا سوزاندن زباله‌های شهری است.
شکل ۵ توالی فرآیند برای تصفیه بیولوژیکی در ترکیب با اسمز معکوس در یک محل دفن در شمال آلمان را نشان می‌دهد. غلظت‌های COD، آمونیوم و AOX در ورودی، خروجی پس از تصفیه بیولوژیکی و خروجی پس از اسمز معکوس نیز ارائه شده است. چندین واحد ترکیبی از این نوع در آلمان در حال بهره‌برداری هستند. اگر نشت‌آب از فاز متانوژنیک نیاز به تصفیه داشته باشد، مرحله تصفیه بیولوژیکی ممکن است حذف شود. در این صورت آمونیاک باید با استفاده از فرآیند استریپینگ یا اسمز معکوس چند مرحله‌ای کاهش یابد. روش دوم بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شکل ۵. توالی فرآیندی برای ترکیب تصفیه بیولوژیکی + اسمز معکوس؛ غلظت‌های مشخص نشت‌آب در یک واحد تصفیه
4.4. ترکیب روش‌های تصفیه
واحدهای تصفیه‌ای که امروزه برای تصفیه نشت‌آب در حال بهره‌برداری هستند، اغلب از چند روش تصفیه ذکرشده قبلی استفاده می‌کنند تا غلظت‌های مجاز در پساب خروجی را رعایت کنند. نشت‌آب حاصل از محل‌های دفن زباله در مرحله متانوژنیک می‌تواند با یک مرحله تصفیه نیز مورد پردازش قرار گیرد (برای مثال، اسمز معکوس چند مرحله‌ای). ترکیب‌های معمول در شکل ۶ نشان داده شده است.
-------- : روش بالقوه برای تصفیه نشت‌آب حاصل از مرحله متانوژنیک یک محل دفن زباله
AC : کربن فعال UV : نور ماوراء‌بنفش
شکل ۶. نمودار روش‌ها و ترکیب‌های رایج برای تصفیه نشت‌آب
برای برخی از ترکیب‌ها، غلظت‌های متوسط ورودی و خروجی اجزای مشخص نشت‌آب در جدول ۳ ارائه شده است. تمامی ترکیب‌های تصفیه ارائه شده می‌توانند به معیارهای حد مجاز تخلیه آلمان دست یابند. این تأسیسات برای چندین سال مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌اند و می‌توان آن‌ها را به‌عنوان تأسیسات تصفیه مدرن و پیشرفته در نظر گرفت.
جدول ۳. نمونه‌هایی از غلظت‌های ورودی و خروجی برای ترکیب‌های مختلف تصفیه شیرابه
4.5. هزینه‌های تصفیه شیرابه
هزینه‌های تصفیه شیرابه در آلمان تنها به‌طور تقریبی قابل برآورد هستند، زیرا به‌طور تقریبی بین ۱۰ تا ۷۰ یورو به ازای هر متر مکعب شیرابه متغیرند.
این امر دلایل متعددی دارد:
همان روش‌های تصفیه ممکن است به طور کامل به روش‌های متفاوت اجرا شوند؛ تأسیسات تصفیه ممکن است در کانتینرهای ارزان یا ساختمان‌های گران نصب شوند.
تجهیزات فنی می‌تواند بسیار ساده یا بسیار پیشرفته باشد، به‌عنوان مثال برای اندازه‌گیری آنلاین اجزای شیرابه.
ظرفیت کل و ضریب استفاده از تصفیه‌خانه؛ ظرفیت کوچک و ضریب استفاده پایین به معنای هزینه بالا به ازای هر متر مکعب نشت‌آب تصفیه‌شده است.
رقابت فزاینده بین شرکت‌های تولیدکننده تأسیسات تصفیه منجر به کاهش قیمت‌ها می‌شود.
کاهش قیمت انرژی و مواد شیمیایی مانند اکسیژن یا کربن فعال.
کاهش بودجه‌های اپراتورهای زمین دفن برای عملیات کلی محل دفن زباله (کاهش حجم زباله برای دفع، کاهش قیمت زباله، رقابت فزاینده بین اپراتورهای زمین دفن و غیره).
در سال ۱۹۹۴، هفت تصفیه‌خانه با ظرفیت‌هایی بین ۱۱٬۰۰۰ تا ۶۴٬۰۰۰ متر مکعب در سال مورد بررسی قرار گرفتند.
کل هزینه‌های سرمایه‌گذاری و بهره‌برداری بین ۹ تا ۳۰ یورو به ازای هر متر مکعب شیرابه متغیر بود.
5. نتیجه‌گیری
مقاله ارائه‌شده روش‌های مختلف تصفیه شیرابه (Leachate Treatment) را نشان می‌دهد. کنترل شیرابه گامی بسیار مهم برای حفظ عملکرد بلندمدت سیستم زهکشی، کاهش هزینه‌های تصفیه و امکان استفاده از سیستم‌های تصفیه پیشرفته است. امروزه بیش از ۱۰۰ تصفیه‌خانه شیرابه در آلمان فعال هستند و بنابراین تجربیات زیادی در زمینه فناوری، هزینه‌ها، کیفیت پساب و مشکلات مرتبط وجود دارد.
در برخی موارد، تصفیه شیرابه باعث افزایش مشکلات بهره‌برداری شده است، بر خلاف تصفیه دیگر فاضلاب‌ها. انتخاب فرایند تصفیه مناسب نباید فقط شامل رعایت مقادیر حد مجاز پساب و نگهداری باشد، بلکه باید تولید باقی‌مانده‌هایی را که نیاز به تصفیه یا دفع دارند نیز در نظر بگیرد.
کاهش مقادیر حد مجاز تخلیه در بسیاری از کشورها در گذشته و آینده، نیازمند فناوری‌های تصفیه پیشرفته و اغلب ترکیبی از فرایندهای مختلف است. برای کشورهای در حال توسعه اقتصادی، سیستم‌های ساده مانند تالاب‌های مصنوعی و/یا lagoons می‌توانند رویکرد اولیه‌ای برای کاهش بخش عمده آلاینده‌ها در شیرابه باشند.