چکیده

در فرایندهای زیستی تصفیه فاضلاب به علت فعالیت های میکروبی، مقدار زیادی توده زیستی (لجن فعال مازاد) تولید می شود که به علت حجم زیاد و طبیعت آلوده ای که دارند مشکلات فراوانی هم برای تصفیه خانه ها و هم برای محیط زیست ایجاد نموده اند. از آنجا که این لجن ها معمولاً حاوی درصد بسیار زیادی آب هستند، برای کاهش حجم آنها آب گیری، بهترین روش محسوب می شود. اما آب گیری از لجن ها همواره کار ساده ای نیست. در واقع یکی از پیچیده ترین فرایندهای تصفیه فاضلاب که دانش کمی در مورد آن وجود دارد فرایند آب گیری از لجن ها (خصوصاً لجنهای زیستی) می باشد.
تحقیقاتی که در گذشته در زمینه آب گیری از لجن ها انجام شده است عمدتاً بر عوامل فیزیکوشیمیایی تاثیرگذار بر قابلیت آب دهی آنها متمرکز بوده اند. در این تحقیق توجه اصلی به عوامل زیستی نظیر نوع و غلظت مواد پلیمری برون سلولی (EPS) معطوف بوده است. اندازه گیری بخش پروتئینی و کربوهیدراتی مواد پلیمری برون-سلولی (EPSp و EPSc) در نمونه های مختلف لجن فعال مازاد در کنار اندازه گیری های قابلیت آب دهی نشان داد که EPS ها به رغم طبیعت بسیار هیدراته ای که دارند همیشه موجب مشکل شدن قابلیت آب دهی نمی گردند. در واقع برخی از آنها گاهی به عنوان منعقدکننده های زیستی عمل نموده و به آب گیری از لجن ها کمک می کنند. از طرفی مشخص شد که تغییرات غلظت بخش پروتئینی پلیمرهای برون سلولی در اثر قراردادن لجن فعال مازاد در معرض امواج اولتراسوند (با انرژی و شدت های مختلف) با قابلیت آبدهی معکوس و تقریباً خطی بوده است.
در این پژوهش علاوه بر روش های سنتی اندازه گیری قابلیت آب دهی مانند اندیس حجمی لجن (SVI)، زمان فیلتراسیون (TTF) و مقاومت ویژه فیلتراسیون (SRF) که در گذشته به کارگرفته می شده اند، از روش نسبتاً جدیدی به نام زمان مکش موئین (CST) استفاده شده است. با مقایسه نتایج به دست آمده از داده های این روش با روش های قدیمی، نتیجه گیری شد که این روش ساده تر بوده و نتایج بهتری ارائه می کند. بر اساس این یافته، در سراسر این پژوهش برای اندازه گیری قابلیت آب دهی از روش زمان مکش موئین استفاده شده است. هدف اصلی این مطالعه، اصلاح فرایندهای تغلیظ، پیش تصفیه و تصفیه لجن های فعال مازاد بوده است به طوری که در نهایت لجنی با قابلیت آب دهی بهتر تشکیل گردد. ته نشینی گرانشی، سونیکیشن و فرایند هضم بی هوازی دما-فازی به ترتیب به عنوان نمونه هایی از فرایندهای تغلیظ، پیش تصفیه و تصفیه انتخاب شده و مورد بررسی قرار گرفتند. نشان داده شد که بهترین فاکتور تغلیظ برای غلیظ کردن لجن فعال مازاد، محدوده غلظتی 2 تا 3 درصد TS بوده است. همچنین نشان داده شد که این محدوده غلظتی برای تسهیل و بهبود راندمان فرایند سونیکیشن نیز بهترین محدوده است. بر اساس این نتایج، عمل هضم زیستی بر روی لجن سونیکیت شده با غلظت جامدات 2درصد انجام-شد. اندازه گیری های قابلیت آب دهی نشان داد که انجام فرایند سونیکیشن کم انرژی و کم شدت قبل از عمل هضم-زیستی می تواند موجب بهبود آب دهی لجن فعال مازاد پس از عمل هضم گرمادوست گردد.

کلمات کلیدی
قابلیت آب دهی، توده های زیستی، لجن فعال مازاد، تغلیظ، اولتراسوند، سونیکیشن ، هضم بی هوازی، زمان مکش موئین

Abstract

Biological wastewater treatment processes, through their microbial activities, produce huge amounts of excess biomass (waste activated sludge) which due to their large volume and polluted nature have caused serious problems both for the environment and the treatment plants. These biomasses usually contain a large amount of water. Therefore, the dewatering is considered as the best method for their volume reduction. Dewatering of these biomasses, however, is not always an easy process. In fact, Sludge dewatering is one of the most complicated and least understood processes in wastewater treatment.
While most of the sludge dewaterability studies in the past focused on physico-chemical parameters, in this study the main focus was on biological parameters such as type and concentration of extracellular polymeric substances (EPS). Measuring the protein and carbohydrate part of extracellular polymeric substances (EPSp and EPSc) in different WAS samples along with their dewaterability tests showed that in spite of the fact that EPS have a highly hydrated nature, they don’t necessarily make dewatering process difficult. In fact, some of them sometimes act as bioflocculants and help the dewatering of sludge. On the other hand, the EPSp concentration appeared to decrease almost linearly with sludge dewaterability as the result of exposing WAS to the ultrasound with different energy and intensity.
In this study, In addition to the traditional methods of SVI, TTF and SRF which have been used for measuring sludge dewaterability in the past, a new method of capillary suction time (CST) was used to measure sludge dewaterability. Comparing the results obtained by this new method to those of old methods, it was concluded that this method is easier to use and gives better results. According to this finding, all of the dewaterability measurements were carried out by this method throughout this study.
The main objective of this study was to improve waste activated sludge thickening, pretreatment and treatment processes so that eventually sludges with better dewaterability are produced. Gravity settling, sonication, and "phase-temperature anaerobic digestion" are considered as an example of sludge thickening, pretreatment and treatment processes, respectively. It was shown that the optimum concentration factor for thickening of WAS sludge is in the range of 2-3% TS. Also it was indicated that the TS concentration of 2-3% is the best range for making sonication process easier and more effective. Based on these results, anaerobic digestion process was performed on a sonicated WAS of 2% TS. Analysis of dewaterability pointed out that utilizing low energy and low intensity sonication before biological digestion can improve dewaterability of WAS after thermophilic digestion.

Key words: Biomass, Capillary Suction Time, Dewaterability, Digestion Extracellular polymeric substances, Sonication, Waste activated sludge