تثبیت لجن

تثبیت لجن چیست؟

پس از تغلیظ لجن، دو راهکار برای تصفیه بیشتر لجن تغلیظ شده وجود دارد. یکی از راه‌ها این است که مستقیما لجن تغلیظ شده را به واحد آبگیری از لجن انتقال داد اما راه بهتر این است که ابتدا لجن را به کمک فرایندهایی تثبیت کرد تا میزان مواد آلی موجود در آن کاهش یابد و سپس لجن را به واحد آبگیری از لجن منتقل نمود. هدف از تثبیت لجن این است که لجن در طول ذخیره سازی به صورت طبیعی دچار تجزیه بی هوازی (فرایند گندیدگی یا Putrefaction) نشود زیرا در طی این فرایند بوی بسیار نامطبوعی تولید می‌گردد. همچنین باید اشاره داشت که تثبیت لجن مزایای دیگری مانند کاهش بوی لجن، کاهش پاتوژن‌های لجن و کاهش مواد آلی موجود در لجن را نیز دارد. 

انواع روش‌های تثبیت لجن

برای تثبیت لجن دو روش تثبیت بیولوژیکی و تثبیت قلیایی وجود دارد دارد که تثبیت بیولوژیکی مرسوم‌تر و موثرتر است. در ادامه توضیحات بیشتری در رابطه با هر کدام از روش‌های تثبیت لجن ارائه می‌شود.

تثبیت قلیایی لجن (Alkaline Stabilization)

تثبیت قلیایی لجن یک فرایند شیمیایی است که در آن با افزودن مواد شیمیایی (آهک) لجن را تثبیت می‌کنند. در این فرایند با افزودن آهک، pH لجن را تا 11 و بیشتر افزایش می‌دهند. افزایش pH لجن کمک چشمگیری به کاهش بو و حذف پاتوژن‌ها از لجن می‌کند. با توجه به این که افزودن آهک تنها به لجن، نیاز به مقادیر زیادی آهک دارد، در برخی از تصفیه خانه‌ها، جامدات زباله مانند خاکستر بادی را نیز همراه آهک به لجن اضافه می‌کنند تا میزان مصرف آهک را کاهش دهند. حفظ فلزات سمی در جامدات لجن از مزایای تثبیت قلیایی می‌باشد. علت این امر نیز این است این فلزات در pHهای بالا به فرم هیدروکسید رسوب می‌کنند. مشکل اساسی تثبیت لجن با استفاده از آهک موقتی بودن فرایند است. این امر نیز بدین دلیل رخ می‌دهد که با گذشت زمان به تدریج pH لجن کاهش می‌یابد و لجن به سمت گندیدگی می‌رود.
لازم به ذکر است که اگرچه هزینه‌های تامین پیوسته آهک از معایب روش تثبیت قلیایی است اما هزینه‌های سرمایه گذاری تثبیت قلیایی بسیار کمتر از تثبیت بیولوژیکی (هضم هوازی یا بی هوازی) می‌باشد. تجهیزات مورد نیاز برای تزریق آهک به لجن همانند سایر فرایندهای تزریق مواد شیمیایی به آب است و تنها به دوزینگ پمپ، دوزینگ کنترل، تانک اختلاط و سیستم اختلاط نیاز می‌باشد. البته باید دقت داشت که تانک اختلاط باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که بتواند جوابگوی زمان ماند هیدرولیکی (Hydraulic Retention Time= HRT) در حدود 2 ساعت یا بیشتر برای سیستم‌های پیوسته یا Batch باشد. همچنین مخازنی برای ذخیره سازی مواد شیمیایی و لجن تثبیت شده نیز مورد نیاز است. 

تثبیت لجن به کمک افزودن آهک نیازمند اختلاط شدید و نظارت پیوسته بر pH لجن است زیرا pH قرائت شده برای حفظ دوز صحیح آهک و مواد جامد جانبی استفاده می‌شود. دوز تزریق آهک به لجن باید به گونه‌ای تعیین  شود که لجن به مدت حداقل 2 ساعت با pH بالای 12 نگه داشته شود تا از تثبیت لجن اطمینان حاصل گردد و سطح خوبی از قلیاییت برای مراحل ذخیره سازی در لجن باقی بماند زیرا لجن به صورت طبیعی تمایل دارد تا به سطوح pH خنثی برگردد. برای تزریق آهک به لجن نیز می‌توان از آهک زنده (CaO) ویا آهک هیدراته (Ca(OH)₂) استفاده نمود. باید اشاره داشت که که آهک هیدراته کم خطرتر اما حجیم‌تر است. 

تثبیت بیولوژیکی (Biological Stabilization)

تثبیت بیولوژیکی فرایندی است که در آن از عوامل بیولوژیکی (میکروارگانیسم‌ها) برای کاهش مقادیر مواد آلی موجود در لجن و تثبیت آن استفاده می‌شود. فرایندهای بیولوژیکی که هضم لجن نیز نامیده می‌شوند در دو حالت هوازی و غیرهوازی امکان پذیر هستند که از میان آن‌ها هضم بی هوازی مرسوم تر می‌باشد. به طور کلی نیز روش‌های بیولوژیکی تثبیت لجن در مقایسه با روش‌ قلیایی پرکاربردتر هستند. 

هضم هوازی لجن (Sludge Aerobic Digestion)

فرایند هضم هوازی لجن همان‌گونه که از نامش مشخص است، در حضور اکسیژن لجن را تثبیت می‌کند. این فرایند برای تصفیه لجن‌های ثانویه (لجن حاصل از فرایندهای بیولوژیکی) مناسب است زیرا این لجن‌ها دارای جامدات غیرمحلول مانند بیومس (زیست توده) هستند و هدف فرایند هضم هوازی نیز تجزیه جامدات غیرمحلول در یک محیط هوازی می‌باشد. لجن‌های اولیه نیز بهتر است که با فرایندهای بی‌هوازی، هضم و تثبیت شوند. 
در طول فرایند هضم هوازی لجن، میکروارگانیسم‌ها در حضور اکسیژن جامدات آلی لجن را به کربن دی اکسید (CO₂) و آب تجزیه می‌کنند و آمونیاک و گونه‌های آمینه را نیز به نیترات تبدیل می‌نمایند. اکسیژن مورد نیاز این فرایند نیز از طریق تزریق حباب‌های ریز هوا به لجن تامین می‌شود. فرایند هضم هوازی لجن بسیار مشابه فرایند لجن فعال مرسوم (Conventional Activated Sludge= CAS) است با این تفاوت که در هضم هوازی فاضلاب به صورت پیوسته وارد نمی‌شود و زمان ماند جامدات نیز طولانی‌تر می‌باشد. تثبیت لجن در فرایند هضم هوازی بدین گونه است که چون جریان تغذیه به صورت پیوسته وارد سیستم نمی‌شود، منبع جدیدی از مواد غذایی آلی برای میکروارگانیسم‌ها در لجن وجود ندارد و در نتیجه برخی از میکروارگانیسم‌ها به دلیل کمبود مواد غذایی شروع به مردن میکنند. این میکروارگانیسم‌های مرده خود غذای گروه دیگری از میکروارگانیسم‌ها می‌شوند و بدین ترتیب مواد آلی موجود در لجن کاهش می‌یابد. 
برای تصفیه خانه‌هایی با ظرفیت کمتر از 20000 مترمکعب بر روز، هزینه‌های سرمایه گذاری واحد هضم هوازی کمتر از واحد هضم بی هوازی است. از سایز مزایای هضم هوازی نیز می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:
• ساخت و ساز ساده و عدم نیاز به پوشش روی تانک 
• عدم تولید بوهای نامطبوع
• قابلیت تثبیت لجن‌هایی با مقادیر بالای مواد مغذی
• حذف ترکیبات آمونیاکی
• دستیابی به حذف 40 تا 50 درصدی VSS (مشابه فرایند هضم بی هوازی)
اگرچه فرایند هضم هوازی لجن همانند فرایند هضم بی‌هوازی قادر است که لجن نسبتا پایداری تولید کند اما میزان کاهش پاتوژن‌ها در هضم هوازی کمتر از هضم بی هوازی است و لجن تولید شده در این روش نیز قابلیت آبگیری کمتری نسب به روش بی هوازی دارد. مشکل اصلی فرایند هضم هوازی نیز مصرف انرژی بالای آن است زیرا این روش نیاز به تولید پیوسته حباب هوا دارد و همچنین خروجی نهایی آن نیز کربن دی اکسید است (خروجی فرایند بی هوازی متان می‌باشد). 
فرایند هضم هوازی را می‌توان همانند هضم بی هوازی به صورت فرایندی با یک یا چندین مخزن طراحی نمود. فرایند چند مخزنی با کاهش زمان ماند جامدات، راندمان بالاتری را ارائه می‌دهد. همچنین باید اشاره داشت که فرایند هضم هوازی را می‌توان تحت شرایط مزوفیل (دمای محیط) و شرایط ترموفیل (افزایش دما در حدود 55 تا 70 درجه سلسیوس) اجرا کرد. شرایط ترموفیل منجر به افزایش سرعت فرایندهای بیوشیمیایی می‌شود و در نتیجه کاهش زمان ماند و اندازه مخازن را در پی دارد. باید توجه داشت از آنجایی که واکنش‌های تجزیه بیوشیمیایی هوازی تحت شرایط ترموفیل، گرمازا هستند، در این شرایط فرایند هضم هوازی را می‎توان بدون نیاز به منبع حرارت خارجی ادامه داد به شرطی که:
• لجن تغذیه تا حدی تغلیظ گردد که غلظت جامدات آن 2.5 تا 5 درصد غلظت جامدات فرار شود
• مخزن به اندازه کافی عایق شود تا تلفات حرارتی را تا حد امکان کاهش دهد

هضم بی‌هوازی لجن (Sludge Anaerobic Digestion)

هضم بی هوازی مرسوم‌ترین و پرکاربردترین فرایند تثبیت لجن است که با استفاده از میکروارگانیسم‌ها و در عدم حضور هوا (اکسیژن) میزان مواد آلی لجن را کاهش و آن را تثبیت می‌کند. در طی فرایند هضم بی‌هوازی علاوه بر کاهش میزان مواد آلی لجن، میزان بوی لجن، تمایل لجن به گندیدگی و نرخ پاتوژن‌های موجود در لجن نیز کاهش می‌یابد. همچنین بیوگاز که از گاز متان، کربن دی‌ اکسید و آب تشکیل شده نیز خروجی اصلی فرایند هضم بی‌هوازی است. بنابراین بدیهی است که این فرایند نسبت به فرایند هضم هوازی که تنها کربن دی اکسید و آب تولید می‌کند، خروجی ارزشمندتری (گاز متان) دارد. 
فرایند هضم بی‌هوازی را می‌توان در دو دمای مختلف شامل دمای متوسط یا مزوفیل (30 تا 39 درجه سانتی‌گراد) و دمای بالا یا ترموفیل (49 تا 57 درجه سانتی‌گراد) انجام داد. انتخاب دمای بهینه در هر بازه به عواملی مانند میزان و ترکیب بیوگاز تولیدی، کاهش جامدات و راندمان انرژی بستگی دارد. لازم به ذکر است که هرچه دما افزایش یابد، نرخ انجام واکنش‌های بیوشیمایی و متعاقبا نرخ تولید بیوگاز نیز افزایش می‌یابد و از این رو مخازن با ابعاد کوچکتری نیز مورد نیاز است اما باید دقت داشت که افزایش دما، مصرف انرژی را نیز افزایش می‌دهد. همچنین باید اشاره داشت که کیفیت لجن ورودی به واحد هضم بی‌هوازی نیز بر راندمان این واحد تاثیرگذار می‌باشد. 

تثبیت لجن در فرایند هضم بی‌هوازی یک فرایند چند مرحله ای‌ می‌باشد که این مراحل عبارتند از:
• هیدرولیز (Hydrolysis): در این مرحله باکتری‌های اسیدساز (Acid-formers) مواد آلی ماکرومولکولی (دارای مولکول‌های بزرگ) مانند پروتئین‌ها، پلی‌ساکاریدها و لیپیدها را هیدرولیز می‌کنند، درنتیجه، این مولکول‌های بزرگ شکسته می‌شوند و به مولکول‌های کوچکتر محلول در آب مانند قندها، اسیدهای آمینه و گلیسرول تبدیل می‌گردند. 
• اسیدوژنز (Acidogenesis): در مرحله اسیدوژنز مولکول‌های ساده شده در مرحله هیدرولیز توسط باکتری‌ها تجزیه و به اسیدهای چرب فرار (Volatile Fatty Acids= VFAs) یا اسید‌هایی آلی با وزن مولکولی کم همراه با هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می‌شوند. 
• استوژنز (Acetogenesis): در این مرحله نیز اسیدهای چرب فرار (VFAs) به کربن دی‌ اکسید، هیدروژن و استات، اکسید می‌شوند.  
• متانوژنز (Methanogenesis): مرحله متانوژنز، آخرین مرحله از فرایند هضم بی‌هوازی است و در آن باکترهایی که باکتری متان ساز (Methane-formers) نام دارند، گاز متان را تولید می‌کنند. لازم به ذکر است در این مرحله گاز متان از دو طریق قابل تولید می‌باشد. یکی از طریق هیدروژن و کربن دی اکسید و توسط باکتری‌های هیدروژنوتروف (hydrogenotrophic) و دیگری از طریق استات و توسط باکتری‌های استوتروف (acetotrophic).

تصویر زیر مراحل مختلف فرایند هضم بی‌هوازی را نشان می‌دهد. 

مراحل مختلف فرایند هضم بی‌هوازی می‌توانند در یک مخزن و یا چند مخزن انجام شوند. استفاده از چندین مخزن اگرچه هزینه‌های سرمایه گذاری بیشتر دارد اما به بهبود راندمان و کنترل بهتر فرایند خصوصا pH کمک بسیاری می‌کند. باید اشاره داشت که pH بهینه برای مراحل اسیدوژنز و استوژنز در حدود 5.5 تا 6.5 است، درحالی که محدوده pH بهینه برای مرحله متانوژنز در حدود 7.8 تا 8.2 است. از این رو استفاده از چندین مخزن این امکان را فراهم می‌کند که بهترین pH را برای هر مرحله تنظیم نمود تا باکتری‌ها با سرعت خوبی رشد کنند و عمل تجزیه را انجام دهند. با این حال، همانطور که گفته شد، امکان انجام مراحل مختلف فرایند هضم بی‌هوازی در یک مخزن نیز وجود دارد اما هنگام استفاده از یک مخزن باید حتما pH در محدوده‌ای باشد (در حدود 6.8 تا 7.2) که همه مراحل بتوانند همزمان انجام شوند. 
اختلاط در مخازن مورد استفاده در فرایند هضم بی‌هوازی اختیاری است و این مخازن هم با همزن و هم بدون همزن می‌توانند فعالیت کنند. باید توجه داشت اگرچه طراحی و عملیات مخازن بدون همزن ساده‌تر است اما این مخازن محدود به نرخ بارگذاری پایین می‌باشند و زمان ماند هیدرولیکی (Hydraulic Retention Time) طولانی‌تری نیز دارند. درنتیجه در صورت عدم اختلاط، به مخازن با ابعاد بزرگتر نیاز می‌باشد. از سوی دیگر، مخازن دارای همزن چنین مشکلاتی را ندارند، از این رو برای جریان‌های بالای لجن مناسب‌تر هستند. فرایندهای هضم بی‌هوازی که دارای اختلاط می‌باشند، عمدتا دارای دو مرحله زیر هستند: 
• هاضم اولیه لجن که در آن لجن به صورت کامل همزده می‌شود
• هاضم ثانویه لجن که در آن لجن تثبیت شده از مایع رویی جدا می‌شود
لازم به ذکر است که بیوگاز تولید شده از هر دو این مراحل با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا جریان گاز خروجی را تشکیل دهند. 
برای اختلاط لجن در مخازن نیز می‌توان از اختلاط مکانیکی با پروانه، اختلاط با چرخش مجدد بیوگاز فشرده شده از طریق دیفیوزرهای تعبیه شده در کف مخزن و اختلاط با چرخش مجدد لجن (اختلاط جت) استفاده نمود. 

همانگونه که ذکر شد هاضم‌های بی هوازی را می‌توان در شرایط اختلاط و دمایی مختلف طراحی و راه اندازی کرد. جدول زیر مقادیر نرمال برای هضم بی‌هوازی یک جریان لجن معمولی در شرایط مزوفیل و ترموفیل را نشان می‌دهد.