تصفیه فاضلاب به روش UASB

راکتورهای لجن بی هوازی با جریان رو به بالا یا UASB (Up flow Anaerobic Sludge Blanket) یک روش موثر و با سابقه در تصفیه پساب های صنعتی به روش بی هوازی است. هدف از استفاده از این روش حذف آلودگی و مواد آلی در فاضلاب و لجن است. میکروارگانیسم های بی هوازی آلاینده های آلی را به یک بیوگاز تبدیل می کنند که حاوی متان و دی اکسید کربن است.

راکتور پتوی لجن بی هوازی رو به بالا (UASB) در اواخر دهه 1970 میلادی در دانشکده کشاورزی واخنینگین در هلند توسط لتینگا و همکارانش در خصوص ارتقای سپتیک تانک ها ابداع و مورد بهره برداری قرار گرفت .
در تصفیه بی هوازی مواد آلی در غیاب اکسیژن محلول، به گاز متان و دی اکسید کربن تبدیل می شوند. انتخاب روش زیستی مناسب برای حذف مواد آلی به عوامل متعددی از جمله نوع و غلظت مواد ورودی، درصد حذف مورد نظر، عوامل محیطی، وسایل و تجهیزات موجود و عوامل اقتصادی بستگی دارد. انرژی حاصل از تغییر و تبدیل بی هوازی اندک بوده و در واقع انرژی به صورت ذخیره شده در متان باقی می ماند. 
هاضم UASB یکی از موثرترین و اقتصادی ترین روش های هضم بی هوازی فاضلاب است. این سیستم علاوه بر دارا بودن همه مزایای سایر سیستم های بی هوازی مانند تولید لجن کمتر، مصرف انرژی کم، تولید بیوگاز و.... مزایای دیگری از قبیل حجم کم راکتور به علت متراکم بودن، راه اندازی آسان، هزینه بسیار کم در طول نگهداری بلند مدت، بی صدا بودن، کارکرد اصولی و رضایت بخش را نیز دارا است.

راکتور UASB از سه ناحیه مجزا تشکیل شده است که عبارتند از:
1. ناحیه بستر لجن 
2. ناحیه پوشش لجن
3. ناحیه ته نشین سازی و جداسازی گاز

فاضلاب به طور یکنواخت در سطح مقطع راکتور از کف توزیع می شود و در ابتدا از ناحیه بستر که از یک لجن متراکم با رسوب دهی بالا تشکیل شده است، عبور می کند .غلظت جامدات در این بستر بیش از 40-70 گرم VSS در لیتر گزارش شده است. قسمت بعدی که فاضلاب از آن می گذرد، ناحیه پوشش لجن است که در حدود 70 درصد حجم راکتور را اشغال می کند. این ناحیه از دانه های ریزتر، لخته ها و حباب های گاز تشکیل شده است که با رفتن به طرف بالای راکتور، از جرم حجمی و سرعت ته نشینی ذرات کاسته می شود.
غلظت لجن در ناحیه پوشش، در محدوده 10 تا 30 گرم VSS در لیتر است. در بالای راکتور، دستگاه جدا کننده گاز- جامد (GSS) وجود دارد که مانع از خروج لجن گرانولی می شود. زمان راه اندازی راکتور طولانی است و راه اندازی سریع، زمانی صورت می گیرد که ماده تلقیحی از راکتور بی هوازی دیگری که فاضلاب مشابهی را تصفیه می کند، به دست آید.
متداول ترین مواد تلقیحی به کار گرفته شده، لجن هضم شده فاضلاب شهری، کود حیوانی هضم شده، لجن فعال، کود گاوی و لجن چسبیده در فاضلاب رو ها می باشد. در راه اندازی راکتور مقدار مواد مغذی به اندازه کافی باید وجود داشته باشد.

میکروبیولوژی هضم بی هوازی
فرآیند هضم بی هوازی، از تعدادی واکنش بیوشمیایی متوالی پیچیده تشکیل شده است که در چهار مرحله اصلی هیدرولیز، اسیدزایی، استات زایی و متان زایی طبقه بندی می شوند. میکرو ارگانیسم های موثر در این مراحل به ترتیب هیدرولیز کننده ها، اسید زاها (اسیدوژن ها)، استات زاها (استوژن ها) و متان زاها (متانوژن ها) می باشد.
1. هیدرولیز (Hydrolysis): مرحله هیرولیز مایع سازی به عنوان مرحله کلیدی در تجزیه بیولوژیکی ضایعات شناخته شده در فاضلاب است. در این مرحله میکروارگانیسم های بی هوازی با ترشح آنزیم های خارج سلولی، مواد آلی نامحلول و با جرم مولکولی بالا مانند لیپیدها، پلی ساکریدها، پروتئین ها و... را به مونومرها و الیگومرهای محلول تجزیه می کنند.
2. اسیدزایی (Acidogenesis): باکتری های تخمیر کننده، ترکیب ساده تشکیل شده در مرحله هیدرولیز را به وسیله واکنش های اسیدزایی به اسیدهای چرب زنجیره بلند تبدیل می کنند. نوع محصولی که در فرآیند اسیدزایی تولید می شود به عوامل متفاوتی همچون غلظت سوبسترا، pH و فشار جزئی هیدروژن بستگی دارد.
3. استات زایی (Acetogenesis): باکتری های استات زا، با تجزیه محصولات مرحله اسیدزایی یعنی اسیدهای چرب زنجیره بلند، اسیدهای آلی ساده مانند استیک اسید تولید می کنند. علاوه بر آن ترکیبات با تعداد اتم کربن فرد را به هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می نمایند.
4. متان زایی (Methanogenesis): مرحله متان زایی آخرین مرحله هضم بی هوازی می باشد. در این مرحله تمام مواردی که در مراحل قبل تولید شده اند از جمله استات، متانول، هیدروژن، دی اکسید کربن و...احیا شده و به متان تبدیل می شوند.

پارامترهای تاثیر گذار بر بازدهی عملکرد راکتور UASB
1. تاثیر دما: فرایندهای بی هوازی در سه محدوده دمایی ساکروفیلیک (Psychrophilic)، مزوفیلیک (Mesophilic) و ترموفیلیک (Thermophilic) قابل انجام هستند. به صورت کلی دمای پایین منجر به کاهش نرخ رشد ویژه باکتری ها، کاهش روند هیدرولیز و فعالیت متان سازها می شود. همچنین در دمای بالاتر از 45 درجه سانتی گراد شاهد افت شدید تولید متان هستیم که علت آن کاهش فعالیت میکروارگانیسم های موجود در لجن است. برای یک عملکرد بهینه در راکتورهای بی هوازی محدوده دمایی 35-38 درجه سانتی گراد که در محدوده دمایی مزوفیلیک است توصیه می شود. در دمایی پایین تر از این محدوده به ازای هر یک درجه سانتی گراد  شاهد 11 درصد کاهش در راندمان تصفیه هستیم.
2.  تاثیر زمان ماند هیدرولیکی: یکی ازمهمترین پارامترهای موثر بر عملکرد راکتور زمان ماند هیدرولیکی (HRT) است. سرعت جریان رو به بالا به HRT وابسته است و نقش مهمی در به دام انداختن ذرات معلق دارد. کاهش در سرعت جریان رو به بالا و افزایش زمان ماند هیدرولیکی موجب افزایش راندمان حذف جامدات معلق در سیستم ها می شود. محدوده مجاز سرعت جریان روبه بالا برای راکتورهای UASB توسط محققان مختلف 0.5-1.5 m/h گزارش شده است.
3. تاثیر نرخ بار گذاری آلی: یکی از مهمترین و تاثیر گذارترین پارامترها بر اکولوژی و عملکرد نرخ بار گذاری آلی OLR می باشد. در خصوص فاضلاب شهری معمولا نرخ بار گذاری آلی 1.0-2.0 Kg COD/m3.day است. محققان گزارش دادند با افزایش OLR شاهد افزایش بازدهی در راکتورهای بی هوازی هستیم. اما افزایش بیش از حد OLR باعث ایجاد کف می شود. بنابراین ضروری است که یک محدوده مشخص و بهینه برای نرخ بارگذاری آلی تعیین شود.
4. تاثیر pH :pH به خصوص در راکتورهای بی هوازی دارای اهمیت ویژه ای است؛ زیرا فرآیند متان سازی تنها زمانی می تواند بهترین نرخ تولید را داشته باشد که محدوده pH بین 6.3-7.8 باشد. بهبود در نرخ هیدرولیز و اسید سازی زمانی دست پیدا می کند که pH تقریبا نزدیک به 7 باشد، در این صورت این راکتور بی هوازی توانایی حذف COD و TSS را تا بیش از 80 درصد دارد.
5. تاثیر گرانول ها: تشکیل گرانول های لجن سبب افزایش سرعت ته نشینی آن می شود و SRT لجن را افزایش می دهد. گرانول های ایجاد شده ساختار میکروبی منظم و منسجمی را ایجاد می کنند که نتیجه آن افزایش نرخ واکنش های بیولوژیکی است. زمان ماند هیدرولیکی بالا باعث ایجاد مشکلاتی برای گرانوله شدن لجن می شود و همچنین زمان ماند هیدرولیکی پایین می تواند باعث شسته شدن و خروج بیومس ها شود. از این رو برای دست یابی به ساختار میکروبی منسجم و تشکیل  گرانول ها باید زمان ماند هیدرولیکی بهینه شود.
6. تاثیر اختلاط: اختلاط باعث ایجاد سطح تماس موثر بین میکروب ها و فاضلاب می شود و شرایط محیطی یکنواختی در راکتور ایجاد می کند. این اختلاط می تواند به صورت مکانیکی باشد و یا حتی با چرخش گاز متان در راکتور اتفاق بیوفتد. اختلاط باعث افزایش ضریب بازدهی سیستم های بی هوازی و تصفیه بهتر فاضلاب های با غلظت بالای COD و همچنین تولید بیوگاز بیشتر می شود.

مزایای راکتور UASB
1. ساخت آسان و پایین بودن هزینه های بهره برداری و نگهداری آن 
2. امکان ساخت آن با تجهیزات محلی
3. دارای راندمان بالا در تصفیه و کاربرد در مقیاس های کوچک و بسیار بزرگ
4. توانایی تولید انرژی به صورت متان و هیدروژن
5. انتشار CO2 کمتر و تولید انرژی به صورت بیوگاز
6. در مقایسه با روش های هوازی تولید لجن کمتری دارد و لجن تولید شده ویژگی آب گیری خوبی دارد. می توان این لجن را برای دوره های طولانی تری نگهداری کرد و از آن برای تلقیح راکتور UASB استفاده کرد.
7. قابلیت مدیریت شوک های آلی 
8. عدم نیاز به هوادهی و کاهش هزینه های مربوط به انرژی

معایب راکتور UASB
1. ممکن است پاتوژن ها به صورت کامل از بین نروند و احتیاج به تصفیه پیشرفته باشد.
2. اگر گرانول های آماده لجن نداشته باشیم زمان راه اندازی سیستم طولانی خواهد بود.
3. به علت تولید گاز H2S که محصول واکنش های بی هوازی است مشکلات مربوط به بو و سمیت و خوردگی خواهیم داشت.
4. از آنجایی که دما در بهبود عملکرد سیستم بسیار حائز اهمیت است در نواحی سردسیر نیازمند مدیریت بیشتری هستیم.
5. بخش قابل توجهی از بیوگاز ممکن است به صورت محلول در پساب باشد که احتیاج به بازیابی آن است.