فرآیند هاضم فاضلاب: چگونه هضم بی هوازی لجن را تثبیت می کند و بیوگاز تولید می کند

یک هاضم فاضلاب، جامدات زیست تخریب پذیر را به یک جریان جامد زیستی پایدارتر تبدیل می کند و در عین حال بیوگاز غنی از متان تولید می کند. در تصفیه خانه های فاضلاب شهری، معمولاً پس از جداسازی جامدات اولیه و ثانویه از هضم بی هوازی برای کاهش مواد جامد فرار، بو، سطوح پاتوژن و مقدار لجن که نیاز به جابجایی نهایی دارد استفاده می شود.

با این حال، هضم قابل اعتماد به چیزی بیشتر از قرار دادن لجن در یک مخزن بدون اکسیژن بستگی دارد. دما، زمان ماند هیدرولیکی، بارگذاری آلی، اختلاط، قلیاییت و قوام خوراک همگی بر جمعیت میکروبی که در نهایت متان تولید می کنند تأثیر می گذارد.

برای اپراتورها و طراحان تصفیه فاضلاب، درک این روابط هنگام ارزیابی ظرفیت هاضم، عیب یابی عملکرد ناپایدار، یا در نظر گرفتن بازیابی بیوگاز و تولید گاز طبیعی تجدید پذیر ضروری است.

فرآیند هاضم فاضلاب چگونه کار می کند: اهداف شکست چهار مرحله ای و تثبیت لجن

هضم بی هوازی یک فرآیند تبدیل بیولوژیکی است که توسط چندین گروه از میکروارگانیسم ها به صورت متوالی کار می کنند. فرآیند به طور معمول در چهار مرحله توصیف می شود.

1. هیدرولیز

مولکول های آلی بزرگ مانند پروتئین ها، کربوهیدرات ها و چربی ها نمی توانند به طور مستقیم توسط بسیاری از میکروارگانیسم های بی هوازی استفاده شوند. در طول هیدرولیز، آنزیم های خارج سلولی آنها را به ترکیبات محلول کوچکتر مانند اسیدهای آمینه، قندها و اسیدهای چرب می شکنند.

هنگامی که لجن حاوی ذرات معلق به آهستگی زیست تخریب پذیر باشد، هیدرولیز می تواند به مرحله محدود کننده سرعت تبدیل شود.

2. اسیدزایی

باکتری های اسید زا ترکیبات محلول را به اسیدهای چرب فرار (VFAs)، الکل ها، هیدروژن، دی اکسید کربن، آمونیاک و سایر واسطه ها تبدیل می کنند.

این مرحله نسبتا سریع اتفاق می افتد. اگر تولید اسید سریعتر از آن باشد که جمعیت متانوژن پایین دست بتواند مواد واسطه را مصرف کند، VFA ها جمع می شوند و pH هاضم کاهش می یابد.

3. استوژنز

ارگانیسم های استوژنیک VFA و الکل های بالاتر را در درجه اول به استات، هیدروژن و دی اکسید کربن تبدیل می کنند. این ترکیبات به بستر اصلی میکروارگانیسم های متان ساز تبدیل می شوند.

4. متانوژنز

باستان های متانوژن استات و هیدروژن/دی اکسید کربن را به متان تبدیل می کنند. آنها کندتر رشد می کنند و نسبت به بسیاری از موجودات اسیدساز به دما، pH، ترکیبات سمی و تغییرات بارگذاری ناگهانی حساس تر هستند.

بنابراین هدف کلی صرفاً «تجزیه» نیست. یک هاضم که به خوبی کار می کند، هر چهار مرحله بیولوژیکی را در تعادل حفظ می کند تا جامدات فرار به جای اجازه دادن به اسیدهای میانی برای تجمع، تثبیت شوند.

EPA خاطرنشان می کند که هضم بی هوازی جامدات فاضلاب را تثبیت می کند، بوها و عوامل بیماری زا را کاهش می دهد و بخشی از بخش جامد فرار را به بیوگاز تبدیل می کند.

برای مدیریت جامدات زیستی ایالات متحده، کاهش 38 درصد مواد جامد فرار همچنین یک معیار مهم است زیرا یکی از روش‌هایی است که تحت 40 CFR 503.33 برای نشان دادن کاهش جاذبه برداری مشخص شده است.

انواع هاضم، پیکربندی ها و پارامترهای عملیاتی اصلی

هاضم های فاضلاب با توجه به ویژگی های لجن، غلظت جامدات، ردپای محل، سرعت بارگذاری و بازیافت انرژی مورد نظر انتخاب می شوند.

هاضم های بی هوازی کاملا مخلوط

یک راکتور مخزن به طور مداوم هم زده، یا CSTR ، یکی از آشناترین پیکربندی ها برای لجن فاضلاب شهری است.

اختلاط جامدات را معلق نگه می دارد، گرما و خوراک ورودی را توزیع می کند و شیب های اسیدی یا دمایی موضعی را کاهش می دهد. سیستم های گرمایش معمولا برای حفظ دمای عملیاتی پایدار استفاده می شوند.

برای هضم لجن شهری مزوفیل، دمای نزدیک است 35 درجه سانتی گراد (95 درجه فارنهایت) به طور گسترده استفاده می شود. دستورالعمل EPA از نظر تاریخی تقریباً 15 روز زمان اقامت در دمای 35 درجه سانتیگراد را در یک هاضم کاملاً مخلوط با سرعت بالا با شرایطی که قادر به دستیابی به کاهش قابل توجه جامدات فرار است مرتبط می کند.

HRT طراحی واقعی اغلب طولانی‌تر است و باید بر اساس ویژگی‌های لجن، بارگذاری جامدات، دما، افزونگی و اهداف تصفیه باشد.

راکتورهای UASB

یک پتوی لجن بی هوازی بالارونده (UASB) راکتور متفاوت عمل می کند. فاضلاب از طریق یک پوشش لجن بی هوازی متراکم حاوی زیست توده دانه ای یا لخته ای به سمت بالا جریان می یابد.

سیستم‌های UASB مخصوصاً برای پساب‌های صنعتی با مقاومت نسبتاً بالا جذاب هستند زیرا می‌توانند غلظت زیادی از زیست توده فعال را در حالی که در زمان‌های نگهداری نسبتاً کوتاه هیدرولیکی کار می‌کنند، حفظ کنند.

آنها معمولاً برای پساب های محلول یا زیست تخریب پذیر مناسب تر از لجن غلیظ شهری حاوی غلظت بالایی از مواد جامد معلق هستند.

تالاب های بی هوازی سرپوشیده

تالاب های سرپوشیده گزینه ای با پیچیدگی کمتر برای آب و هوای گرم و برخی فاضلاب های کشاورزی یا صنعتی ارائه می دهند. یک پوشش انعطاف پذیر بیوگاز تولید شده را جذب می کند در حالی که تالاب حجم هضم را فراهم می کند.

آنها معمولاً به زمین بیشتری نیاز دارند و کنترل فرآیند کمتری را نسبت به هاضم های گرم شده و مخلوط ارائه می دهند.

صرف نظر از پیکربندی، چندین پارامتر باید متعادل باقی بمانند:

این اعداد باید به عنوان نقاط شروع عملیاتی به جای مشخصات طراحی جهانی در نظر گرفته شوند.

به عنوان مثال، افزایش OLR بدون در نظر گرفتن HRT به این معنی است که مواد زیست تخریب پذیر بیشتری وارد همان حجم راکتور می شوند. موجودات اسیدساز ممکن است به سرعت پاسخ دهند، در حالی که متانوژن ها نمی توانند فعالیت خود را با همان سرعت افزایش دهند.

به همین ترتیب، اختلاط خوب نمی تواند گرمایش ناکافی را جبران کند، و قلیاییت بالا نمی تواند به طور نامحدود بار اضافی آلی شدید را جبران کند.

هضم پایدار ناشی از حفظ آن است محیط زیست ترکیبی ، بهینه سازی یک پارامتر به صورت مجزا نیست.

تولید بیوگاز، بهبود بازده متان و ارتقاء به گاز طبیعی تجدیدپذیر

یکaerobic digestion produces biogas containing primarily methane and carbon dioxide together with water vapor, hydrogen sulfide, and trace contaminants.

EPA بیوگاز خام حاصل از سیستم های بی هوازی را معمولاً حاوی تقریباً توصیف می کند متان 45 تا 65 درصد ، اگرچه ترکیب واقعی به شدت به مواد اولیه و عملیات بستگی دارد.

در کارخانه های فاضلاب، این گاز می تواند:

• سوختن در دیگ های بخار برای هاضم یا حرارت ساختمان؛
• مورد استفاده در سیستم های ترکیبی حرارت و برق؛
• مورد استفاده برای تولید برق؛
• پاکسازی شده و به گاز طبیعی تجدیدپذیر ارتقا یافته است.

افزایش تولید متان از طریق هضم مشترک

لجن شهری به تنهایی ممکن است همیشه پتانسیل انرژی یک هاضم موجود را به حداکثر برساند.

افزودن ضایعات آلی با انرژی بالا مانند بقایای مواد غذایی، ضایعات مواد غذایی، چربی ها، روغن ها و گریس می تواند بار کربن زیست تخریب پذیر را افزایش دهد و در نتیجه تولید بیوگاز را افزایش دهد.

EPA هضم مشترک را به عنوان روشی معرفی می کند که می تواند تولید گاز از مواد اولیه کم بازده را افزایش دهد. یکی از تأسیسات فاضلاب ایالات متحده که پسماندهای فرآوری مواد غذایی و چربی ها، روغن ها و گریس را می پذیرد، تولید بیوگاز آن را تقریباً دو برابر کرد.

این بدان معنا نیست که حداکثر افزودن خوراک مطلوب است. بسترهای ورودی باید برای موارد زیر ارزیابی شوند:

• COD و غلظت مواد جامد فرار؛
• چربی ها و اسیدهای چرب با زنجیره بلند؛
• محتوای نیتروژن؛
• گوگرد؛
• ترکیبات سمی بالقوه؛
• ظرفیت دریافت و ذخیره سازی؛
• هاضم OLR و ظرفیت اختلاط.

از Digester Gas تا RNG

گاز هاضم خام معمولاً برای تزریق مستقیم به خط لوله گاز طبیعی مناسب نیست.

ارتقای معمولی شامل چندین مرحله درمانی است:

حذف سولفید هیدروژن: رسانه های مبتنی بر آهن، کربن فعال، گوگرد زدایی بیولوژیکی یا سایر فناوری ها H2S خورنده را حذف می کنند.

رفع رطوبت: خنک کردن، تراکم، خشک کردن یا جذب باعث کاهش بخار آب می شود.

جداسازی CO2: جداسازی غشا، جذب نوسان فشار، شستشوی آب یا جذب شیمیایی می تواند غلظت متان را افزایش دهد.

ردیابی کنترل آلاینده: سیلوکسانها و VOCها نیز بسته به منبع فاضلاب و مشخصات گاز نهایی ممکن است نیاز به حذف داشته باشند.

EPA گزارش می دهد که RNG ارتقا یافته عموماً حاوی حداقل 90 درصد متان است، در حالی که RNG تزریق شده در خط لوله معمولاً تقریباً به آن می رسد. 96-98٪ متان ، مشروط به مشخصات کیفی گاز شرکت دریافت کننده.

برای پروژه های ایالات متحده، واجد شرایط CNG یا LNG تجدیدپذیر تولید شده از بیوگاز از هاضم های تصفیه فاضلاب شهری نیز می تواند تحت مسیرهای تایید شده در استاندارد سوخت تجدیدپذیر فدرال قرار گیرد.

عیب یابی ناراحتی های رایج فرآیند: ایجاد کف، بازدارندگی و تغییرات pH/قلیایی

اپراتورها باید قبل از سقوط تولید متان به روندها پاسخ دهند.

کف کردن

کف کردن may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.

علائم هشدار دهنده عبارتند از:

• افزایش عمق کف؛
• جریان گاز ناپایدار؛
• افزایش فشار؛
• ورود مواد جامد به لوله کشی گاز؛
• تغییرات در خصوصیات خوراک یا لجن

اقدامات اصلاحی می تواند شامل کاهش بارگذاری، بهبود توزیع اختلاط، مدیریت مواد اولیه مشکل ساز، تنظیم خروج لجن، و کنترل مکانیکی فوم پایدار باشد.

تجمع VFA و کاهش pH

افزایش ناگهانی بار آلی اغلب تولید اسید را قبل از اینکه ارگانیسم های متان ساز بتوانند پاسخ دهند افزایش می دهد.

VFA شروع به تجمع می کند، قلیاییت مصرف می شود و pH در نهایت کاهش می یابد.

با این حال، pH به تنهایی یک شاخص دیررس است زیرا بافر بی کربنات می تواند ناپایداری در حال توسعه را پنهان کند.

بنابراین اپراتورها معمولاً VFA را همراه با قلیائیت کل یا بی کربنات دنبال می کنند. به طور پیوسته در حال افزایش است نسبت VFA به قلیائیت معمولاً مهمتر از یک خواندن جداگانه است. به عنوان یک قانون عملی عملی، مقادیر کمتر از 0.3 به طور کلی نشان دهنده بافر راحت است، در حالی که حرکت مداوم به سمت تقریباً 0.4-0.5 یا بالاتر باید بررسی را آغاز کند. روندهای تاریخی خاص سایت همیشه باید بر یک نقطه هشدار جهانی اولویت داشته باشند.

پاسخ های احتمالی عبارتند از:

• کاهش یا توقف موقت خوراک پرقدرت؛
• افزایش قلیائیت در صورت توجیه؛
• اصلاح نوسانات دما؛
• بررسی عملکرد اختلاط؛
• افزایش زمان ماندگاری موثر؛
• شناسایی زباله های بازدارنده

مهار آمونیاک و سولفید

مواد اولیه غنی از پروتئین آمونیاک آزاد می کنند، در حالی که زباله های حاوی گوگرد می توانند سولفید هیدروژن تولید کنند.

بخش سمی آمونیاک به شدت به pH و دما بستگی دارد، بنابراین غلظت کل آمونیاک که با موفقیت در یک مرکز عمل می کند ممکن است در شرایط مختلف باعث مهار آن شود.

سولفید مشکلات بیولوژیکی و عملیاتی را ارائه می دهد زیرا سولفید محلول ممکن است میکروارگانیسم ها را مهار کند در حالی که H2S گازی باعث خوردگی و نگرانی های ایمنی جدی می شود.

پرطرفدار درصد متان، CO2، H2S، VFA، قلیاییت، pH، تولید گاز و بارگیری خوراک با هم سیستم هشدار اولیه بسیار قوی تری نسبت به تکیه بر حجم گاز به تنهایی ارائه می دهد.

مدیریت مواد غذایی، بازیابی مواد مغذی و تعادل انرژی/هزینه

یکaerobic digestion does not eliminate sludge. It converts biodegradable organic material while leaving a stabilized digestate containing water, residual solids, nitrogen, phosphorus and inorganic material.

پس از هضم، کارخانه های فاضلاب معمولاً از سانتریفیوژها، پرس های تسمه ای، پرس های پیچی یا سایر تجهیزات آبگیری برای کاهش حجم حمل و نقل استفاده می کنند.

کنسانتره یا فیلتر مایع به طور معمول آمونیاک و فسفر محلول قابل توجهی را به فرآیند تصفیه فاضلاب برمی گرداند. در تأسیسات بزرگتر، این بارهای غذایی جانبی ممکن است عملیات جداگانه نیتروژن یا بازیابی فسفر را توجیه کند.

یکی از گزینه‌های مهم، بازیابی فسفر به‌عنوان یک محصول فسفات قابل استفاده به جای اجازه دادن به بارش کنترل‌نشده استروویت در لوله‌ها، پمپ‌ها و تجهیزات آب‌گیری است.

رسوب بیوسولیدها نیز باید در طول طراحی فرآیند در نظر گرفته شود.

طبق قوانین EPA ایالات متحده، کلاس A و کلاس B در درجه اول به الزامات کاهش پاتوژن اشاره دارد و دارای الزامات مدیریتی متفاوتی برای کاربرد زمین هستند. جامدهای زیستی کلاس B ممکن است همچنان حاوی پاتوژن‌های قابل تشخیص باشند و بنابراین نیاز به محدودیت‌های مکان دارند، در حالی که جامدهای زیستی کلاس A الزامات سخت‌گیرانه‌تری برای کاهش پاتوژن دارند.

یکaerobic digestion by itself should therefore not automatically be described as producing “Class A biosolids.” The complete treatment train and applicable Part 503 criteria determine the final classification.

راه اندازی دایجستر

راه اندازی باید تدریجی باشد.

یک دنباله عملی شامل:

1. مخازن، گرمایش، لوله کشی گاز، کاهش فشار و سیستم های اختلاط را بازرسی کنید.
2. معرفی لجن بذر بی هوازی مناسب؛
3. دمای هدف را به تدریج تعیین کنید.
4. شروع به تغذیه با بار آلی کاهش یافته.
5. کنترل pH، قلیاییت، VFA و ترکیب گاز.
6. افزایش بارگذاری تنها پس از تولید متان و پایدار ماندن شیمی فرآیند.

بارگذاری یک هاضم جدید به ظرفیت کامل طراحی بلافاصله می تواند به تولید اسید اجازه دهد تا از جمعیت متانوژنیک در حال توسعه پیشی بگیرد.

از منظر اقتصادی، بهترین هاضم فاضلاب لزوماً راکتوری نیست که حداکثر بیوگاز ممکن را تولید کند. اپراتورها باید انرژی گرمایش و اختلاط، صرفه جویی در دفع مواد جامد، مصرف مواد شیمیایی، نگهداری، استفاده از بیوگاز، تصفیه جریان جانبی مواد مغذی و درآمد بالقوه RNG یا برق را به عنوان یک تعادل یکپارچه مقایسه کنند.

برنامه ریزی سیستم هضم فاضلاب

عملکرد هاضم با شناسایی دقیق فاضلاب و لجن آغاز می شود.

قبل از انتخاب یک راکتور، سیستم اختلاط، واحد تصفیه گاز، یا تجهیزات مربوط به تصفیه فاضلاب، بارگیری جامدات مورد انتظار، ویژگی های COD، دما، محتوای گوگرد و نیتروژن، نیاز HRT، مسیر نهایی جامدات زیستی و استفاده مورد نظر از بیوگاز را تعریف کنید.

Hangzhou Nihao Environmental Tech Co., Ltd. محصولات تصفیه فاضلاب را تامین می کند و از پروژه های تصفیه شهری و صنعتی با انتخاب تجهیزات فرآیند گرا پشتیبانی می کند.

اگر در حال برنامه ریزی یک سیستم تصفیه فاضلاب جدید یا ارتقاء یک فرآیند بیولوژیکی موجود هستید، تماس بگیرید نیهو آب با سرعت جریان، ویژگی های فاضلاب، هدف تصفیه و اطلاعات فرآیند موجود. تیم ما می تواند به ارزیابی تنظیمات تصفیه مناسب و تجهیزات پشتیبانی برای قطار کلی تصفیه فاضلاب کمک کند.

سوالات متداول

چهار مرحله هضم بی هوازی در تصفیه فاضلاب چیست؟

چهار مرحله هیدرولیز، اسیدزایی، استوژنز و متانوژنز هستند. مواد آلی پیچیده ابتدا به ترکیبات محلول و سپس اسیدهای فرار و سایر واسطه ها و به دنبال آن استات و هیدروژن و در نهایت متان و دی اکسید کربن تبدیل می شوند.

تفاوت بین هضم بی هوازی مزوفیل و گرما دوست چیست؟

هضم مزوفیل معمولاً در حدود 30-38 درجه سانتیگراد عمل می کند و تقریباً 35 درجه سانتیگراد به طور گسترده برای هاضم های لجن شهری استفاده می شود. هضم گرما دوست معمولاً در حدود 50 تا 57 درجه سانتیگراد عمل می کند. سیستم‌های ترموفیل می‌توانند واکنش‌های بیولوژیکی سریع‌تر و کاهش بیشتر پاتوژن را ارائه دهند، اما عموماً به تغییرات دما و اختلالات فرآیند حساس‌تر هستند.

زمان ماند هیدرولیک و نرخ بارگذاری آلی چگونه بر عملکرد هاضم تأثیر می گذارد؟

HRT تعیین می‌کند که چه مدت مواد در راکتور باقی می‌ماند، در حالی که OLR نشان‌دهنده مقدار مواد آلی در واحد حجم راکتور در روز است. بارگذاری بیش از حد همراه با حفظ ناکافی می تواند باعث تجمع VFA شود زیرا تشکیل اسید از ظرفیت تبدیل متانوژنیک فراتر می رود.

علت ایجاد کف در هاضم های بی هوازی چیست و چگونه می توان آن را کنترل کرد؟

کف کردن may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.

چگونه بیوگاز هاضم به گاز طبیعی تجدیدپذیر ارتقا می یابد؟

بیوگاز خام برای حذف آب، سولفید هیدروژن، دی اکسید کربن و آلاینده هایی مانند سیلوکسان ها و VOCs تمیز می شود. فن آوری ها ممکن است شامل کربن فعال، محیط آهن، غشا، جذب نوسان فشار و سیستم های شستشو باشد. RNG با کیفیت خط لوله معمولاً به غلظت متان بسیار بالاتری نسبت به گاز هاضم تصفیه نشده نیاز دارد.

هدف کاهش مواد جامد فرار معمولی برای هاضم فاضلاب با عملکرد خوب چیست؟

بسیاری از هاضم های شهری بسته به قابلیت تجزیه زیستی لجن و طراحی فرآیند، حدود 40 تا 60 درصد تخریب جامدات فرار را هدف قرار می دهند. در ایالات متحده، کاهش 38٪ مواد جامد فرار بسیار مهم است زیرا یکی از گزینه های EPA برای نشان دادن کاهش جاذبه برداری تحت 40 CFR قسمت 503 است.

چه اقدامات ایمنی هنگام کار با سیستم هاضم فاضلاب و بیوگاز مورد نیاز است؟

خطرات عمده شامل خطر آتش سوزی و انفجار متان، سمیت سولفید هیدروژن، اتمسفر کمبود اکسیژن، گاز تحت فشار، فضاهای محدود و تجهیزات متحرک است. تاسیسات باید از تشخیص گاز مناسب، تهویه، حفاظت فشار و خلاء، کنترل شعله، طبقه‌بندی الکتریکی، روش‌های فضای محدود، سیستم‌های خاموش کردن اضطراری و روش‌های عملیاتی خاص استفاده کنند. الزامات مربوط به OSHA، کد آتش، کد الکتریکی، و الزامات محلی باید در طول طراحی و عملیات سیستم بررسی شوند.