تصفیه فاضلاب به روش لجن فعال

روش لجن فعال یکی از شناخته‌شده‌ترین و پرکاربردترین روش‌های بیولوژیکی برای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی است. این فرآیند بر اساس فعالیت میکروارگانیسم‌هایی طراحی شده که با تغذیه از مواد آلی محلول در فاضلاب، آن را به مواد بی‌ضرر تبدیل می‌کنند. مزایای فنی، راندمان بالا، انعطاف‌پذیری در طراحی و قابلیت ارتقاء، این روش را به یکی از استانداردهای جهانی در تصفیه‌خانه‌ها تبدیل کرده است. در ادامه با ساختار، مکانیزم و اجزای کلیدی سیستم لجن فعال آشنا می‌شویم.

نوع فرآیند	توضیح	راندمان حذف BOD	راندمان حذف میکروارگانیسم‌ها	هزینه	کاربرد
فیزیکی	آشغال‌گیر، ته‌نشینی، صافی شنی	کم (20–30٪)	بسیار کم	پایین	پیش‌تصفیه برای حذف جامدات
بیولوژیکی هوازی	لجن فعال، MBBR، SBR	بالا (80–95٪)	متوسط	متوسط	مرحله اصلی تصفیه BOD و COD
بیولوژیکی بی‌هوازی	UASB، سپتیک تانک	متوسط (60–80٪)	کم	پایین تا متوسط	فقط در بیمارستان‌های کوچک یا خاص
شیمیایی	انعقاد و لخته‌سازی، اکسیداسیون	متوسط	بالا (در حذف باقیمانده دارویی)	نسبتاً زیاد	تکمیل تصفیه یا حذف ترکیبات خاص
گندزدایی	کلرزنی، UV، ازن	ندارد	خیلی بالا (99٪ به بالا)	متفاوت	مرحله نهایی تصفیه قبل از تخلیه
غشایی (MBR)	تصفیه ترکیبی بیولوژیکی و غشایی	بسیار بالا (>95٪)	بسیار بالا	زیاد	بیمارستان‌های بزرگ، پساب بازیافتی

 

 لجن فعال چیست؟ تعریف، تاریخچه و اصول کلی عملکرد آن

لجن فعال (Activated Sludge) اصطلاحی است که به توده‌ای از میکروارگانیسم‌ها و ذرات بیولوژیکی گفته می‌شود که در یک محیط آبی معلق هستند و در حضور اکسیژن، مواد آلی را تجزیه می‌کنند.

تاریخچه:

در سال ۱۹۱۴، ادوارد آرنولد و گیلبرت فاولر در انگلستان این روش را برای نخستین بار معرفی کردند. این دستاورد، تحول بزرگی در صنعت تصفیه فاضلاب بود.

اصل عملکرد:

فاضلاب وارد حوض هوادهی می‌شود و در مجاورت میکروارگانیسم‌ها، واکنش‌های بیوشیمیایی رخ می‌دهد. میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را تجزیه کرده و به توده‌ زیستی جدید، دی‌اکسید کربن، نیتروژن و آب تبدیل می‌کنند. در پایان، لخته‌های زیستی (بیوفلاک) از پساب جدا می‌شوند.

 

مکانیزم تصفیه در سیستم لجن فعال؛ نقش میکروارگانیسم‌ها در تجزیه مواد آلی

در قلب فرآیند لجن فعال، یک جامعه متنوع میکروبی شامل باکتری‌ها، قارچ‌ها، تک‌یاخته‌ها و نماتدها وجود دارد. این موجودات به دو صورت عمل می‌کنند:

فاز رشد: میکروارگانیسم‌ها با مصرف BOD و COD رشد می‌کنند و جرم زیستی جدید تولید می‌شود.

فاز تثبیت: در شرایط کم‌غذا، سلول‌ها شروع به مصرف مواد ذخیره‌ای خود می‌کنند و مواد معدنی تولید می‌شود.

میکروارگانیسم‌ها با ایجاد لخته‌هایی (فلاک‌ها) به هم متصل می‌شوند که قابلیت ته‌نشینی دارند. این لخته‌ها پس از جدا شدن، بخشی مجدداً به حوض هوادهی باز می‌گردند (لجن فعال بازگشتی – RAS) و بخشی دیگر به‌عنوان لجن مازاد دفع می‌شود.

 

انواع سیستم‌های لجن فعال

سیستم‌های لجن فعال در طول سال‌ها توسعه‌یافته و با شرایط متنوعی تطبیق یافته‌اند. مهم‌ترین انواع آن عبارت‌اند از:

• هوادهی گسترده (Extended Aeration): زمان ماند طولانی، تولید لجن کمتر، مناسب برای تصفیه‌خانه‌های کوچک.
• تماس-پایدارسازی (Contact Stabilization): مرحله تماس کوتاه با مواد آلی و جداسازی فاز تثبیت؛ مناسب برای نوسانات زیاد در دبی.
• مرحله‌ای (Step Feed): توزیع فاضلاب در چند نقطه از راکتور برای کنترل بهتر اکسیژن و غذا.
• تغذیه متوالی (Plug Flow): حرکت فاضلاب در امتداد طول راکتور با کمترین اختلاط کامل؛ مناسب برای فاضلاب‌هایی با بار بالا.

انتخاب نوع سیستم به پارامترهایی مانند کیفیت فاضلاب، فضای موجود، هزینه‌ها و هدف نهایی تصفیه بستگی دارد.

به نقل از wikipedia :

The activated sludge process is a type of biological wastewater treatment process for treating sewage or industrial wastewaters using aeration and a biological floc composed of bacteria and protozoa. It is one of several biological wastewater treatment alternatives in secondary treatment, which deals with the removal of biodegradable organic matter and suspended solids. It uses air (or oxygen) and microorganisms to biologically oxidize organic pollutants, producing a waste sludge (or floc) containing the oxidized material.

فرآیند لجن فعال نوعی فرآیند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب برای تصفیه فاضلاب یا پساب‌های صنعتی با استفاده از هوادهی و یک لخته بیولوژیکی متشکل از باکتری‌ها و تک یاخته‌ها است. این فرآیند یکی از چندین گزینه تصفیه بیولوژیکی فاضلاب در تصفیه ثانویه است که با حذف مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی و جامدات معلق سروکار دارد. این فرآیند از هوا (یا اکسیژن) و میکروارگانیسم‌ها برای اکسیداسیون بیولوژیکی آلاینده‌های آلی استفاده می‌کند و لجن زائد (یا لخته) حاوی مواد اکسید شده تولید می‌کند.

نقش اکسیژن در فرآیند لجن فعال و روش‌های هوادهی (سطحی، عمقی، دیفیوزری)

اکسیژن نقش کلیدی در بقای میکروارگانیسم‌های هوازی دارد. نبود اکسیژن کافی موجب رشد باکتری‌های بی‌هوازی، تولید بو و کاهش کارایی سیستم می‌شود. میزان اکسیژن محلول (DO) در حوض هوادهی معمولاً بین ۲ تا ۴ میلی‌گرم بر لیتر تنظیم می‌شود.

روش‌های تأمین اکسیژن:

1. هوادهی سطحی: پروانه یا توربین سطح آب را هم می‌زند. مناسب برای حوضچه‌های کم‌عمق.
2. هوادهی عمقی (پمپ هوا): تزریق هوا از کف مخزن، تولید حباب‌های بزرگ.
3. هوادهی دیفیوزری: حباب‌های ریز از دیفیوزرهای غشایی یا سرامیکی؛ بهره‌وری بالا، مصرف انرژی پایین.

کارایی هوادهی مستقیماً بر هزینه برق، رشد بیولوژیکی و کیفیت پساب تأثیر دارد. به همین دلیل طراحی مناسب سیستم هوادهی، بخش جدایی‌ناپذیر هر سیستم لجن فعال است

 

تفاوت لجن فعال با روش‌های دیگر مانند SBR، IFAS، MBR

در مقایسه با سایر فناوری‌های تصفیه فاضلاب، لجن فعال کلاسیک دارای مزایا و محدودیت‌هایی است:

• تصفیه فاضلاب SBR (راکتور ناپیوسته متوالی): تمام مراحل در یک مخزن به‌صورت زمان‌بندی‌شده انجام می‌شود. مناسب برای فاضلاب‌های متناوب یا با نوسان. کنترل‌پذیری بالا دارد، اما بهره‌برداری پیچیده‌تر است.
• تصفیه فاضلابIFAS (سیستم رشد چسبیده و معلق): ترکیبی از لجن فعال و مدیای ثابت یا معلق برای افزایش سطح رشد میکروبی. در بارهای آلودگی بالا مؤثرتر است.
• تصفیه فاضلاب MBR (راکتور بیولوژیکی غشایی): تصفیه بیولوژیکی به همراه فیلتراسیون غشایی. کیفیت پساب بسیار بالا، اما هزینه سرمایه‌گذاری و نگهداری زیاد است.

در مقابل، سیستم لجن فعال کلاسیک سادگی در بهره‌برداری، هزینه کمتر و قابلیت انطباق بالا با شرایط متغیر دارد.

 

مراحل اجرایی فرآیند لجن فعال: از ورودی تا ته‌نشینی نهایی

مراحل اصلی در فرآیند لجن فعال به‌صورت زیر است:

• ورود فاضلاب پیش‌تصفیه‌شده به مخزن هوادهی
• تماس با توده میکروبی (لجن فعال) و واکنش‌های تجزیه بیوشیمیایی
• انتقال به حوض ته‌نشینی ثانویه برای جداسازی لجن از آب
• بازگشت بخشی از لجن (RAS) به راکتور هوادهی
• دفع لجن مازاد (WAS)
• خروج پساب تصفیه‌شده به مرحله گندزدایی یا تخلیه

این مراحل به‌صورت پیوسته انجام می‌شوند و کنترل زمان ماند، دبی و DO در هر بخش بسیار مهم است.

مزایا و معایب فرآیند لجن فعال در مقایسه با سایر روش‌ها

مزایا:

• راندمان بالا در حذف BOD، COD و TSS
• انعطاف‌پذیری در طراحی و اجرا
• قابل ارتقاء با تکنولوژی‌های جدید (MBR، IFAS)
• تجربه گسترده جهانی و بومی در بهره‌برداری

 

معایب:

• نیاز به هوادهی مداوم و مصرف انرژی زیاد
• تولید لجن بیولوژیکی ثانویه
• حساس به شوک‌های آلودگی یا نوسان دبی
• نیاز به نیروی متخصص برای کنترل و نگهداری

با این حال، در پروژه‌های شهری، روش لجن فعال همچنان استاندارد محسوب می‌شود.

 کیفیت پساب خروجی از لجن فعال؛ پارامترهای BOD، COD، TSS

در صورت طراحی و بهره‌برداری صحیح، سیستم لجن فعال می‌تواند پساب بسیار با کیفیتی تولید کند:

پارامتر	مقدار معمول در خروجی
BOD	کمتر از ۲۰ mg/L
COD	کمتر از ۵۰ mg/L
TSS	کمتر از ۳۰ mg/L

 

کیفیت بالا باعث می‌شود پساب بتواند به محیط تخلیه شود یا در آبیاری فضای سبز و استفاده صنعتی مجدد شود (در صورت گندزدایی مناسب).

 

نقش لجن بازگشتی (RAS) و لجن مازاد (WAS) در فرآیند لجن فعال

در فرآیند لجن فعال، کنترل لجن یکی از حیاتی‌ترین اجزای بهره‌برداری است:

لجن بازگشتی (RAS): بخشی از لجن ته‌نشین‌شده در حوض ثانویه است که به مخزن هوادهی بازگردانده می‌شود تا غلظت میکروارگانیسم‌ها حفظ شود.

لجن مازاد (WAS): بخشی از لجن که بیش از نیاز سیستم تولید شده و باید برای جلوگیری از افزایش بیش از حد بیومس دفع شود.

اگر RAS بیش‌ازحد کم باشد، کارایی سیستم پایین می‌آید. اگر WAS تخلیه نشود، خطر بالکینگ و کاهش کیفیت پساب افزایش می‌یابد. بنابراین، کنترل نسبت بازگشت لجن (معمولاً بین ۲۵٪ تا ۵۰٪) حیاتی است.

 

کنترل رشد میکروبی، فلوکولاسیون و ته‌نشینی لجن در سیستم

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های موفقیت سیستم لجن فعال، کنترل مناسب رشد میکروارگانیسم‌ها و تشکیل لخته‌های زیستی مؤثر (فلاک‌ها) است. این لخته‌ها باید بتوانند:

• به‌خوبی ته‌نشین شوند
• میکروارگانیسم‌های مفید را در خود نگه دارند
• آب شفاف از خود عبور دهند

فلوکولاسیون مؤثر تحت تأثیر عواملی چون pH، DO، نرخ رشد سلولی و نسبت بارگذاری است. چنانچه ته‌نشینی ناقص رخ دهد، پدیده‌هایی مانند بالکینگ و پساب کدر رخ می‌دهد که عملکرد کلی را مختل می‌کند.

نکات کلیدی:

• ته‌نشینی خوب نشانه کنترل زیستی مؤثر است
• توده‌های زیستی پایدار باید متراکم، چسبنده و سنگین باشند
• ته‌نشینی کند یا معلق ماندن لجن نشانه اختلال در سلامت سیستم است

پارامترهای طراحی مهم در سیستم‌های لجن فعال (F/M، SRT، MLSS، MLVSS)

طراحی و بهره‌برداری بهینه از لجن فعال نیازمند پایش و تنظیم مداوم پارامترهای زیر است:

1. F/M (نسبت غذا به میکروارگانیسم): نسبت بار آلی به جرم زیستی فعال. مقادیر معمول بین ۰.۲ تا ۰.۵ برای تصفیه فاضلاب شهری.
2. SRT (زمان ماند جامدات): زمان اقامت بیومس در سیستم؛ معمولاً بین ۵ تا ۱۵ روز. در فرآیند نیتریفیکاسیون به زمان بالاتری نیاز است.
3. MLSS (کل جامدات معلق در مخزن هوادهی): غلظت لجن فعال؛ معمولاً بین ۲۵۰۰ تا ۴۵۰۰ mg/L.
4. MLVSS (بخش فرار و فعال MLSS): شاخصی از میکروارگانیسم‌های زنده.

این پارامترها با هم به بهره‌بردار امکان می‌دهند تا فرآیند را پایدار نگه دارد و کیفیت پساب را حفظ کند.

 

 اثرات تغییرات بار آلودگی یا دبی بر پایداری سیستم لجن فعال

سیستم‌های لجن فعال به‌طور کلی توانایی بالایی در مدیریت بارهای متغیر دارند، اما اگر تغییرات بیش‌ازحد یا ناگهانی باشد، به‌سرعت تحت تأثیر قرار می‌گیرند:

• افزایش ناگهانی BOD: باعث افزایش رشد سریع میکروارگانیسم‌ها و کاهش DO می‌شود.
• کاهش شدید دبی: باعث کاهش تغذیه سلول‌ها، تجزیه لجن موجود و افت راندمان می‌شود.
• ورود مواد سمی یا شوینده‌ها: ممکن است فلور میکروبی را از بین برده و شوک سمی ایجاد کند.
• تغییرات دما: در زمستان‌ها سرعت واکنش‌ها کاهش می‌یابد و نیاز به زمان ماند بیشتر است.

برای کنترل این تغییرات، پایش مداوم، زمان ماند مناسب، تنظیم RAS و اضافه کردن منبع کربن (در صورت لزوم) مؤثر است.

 

پایش، کنترل و نمونه‌برداری در فرآیند لجن فعال (DO، pH، BOD، COD)

یکی از شروط اساسی موفقیت در بهره‌برداری از لجن فعال، پایش دقیق و مستمر است. برخی از مهم‌ترین پارامترهای کنترلی عبارت‌اند از:

• DO (اکسیژن محلول): باید بین ۲ تا ۴ mg/L باقی بماند. کمتر از این مقدار باعث رشد میکروارگانیسم‌های بی‌هوازی می‌شود.
• pH: محدوده مناسب ۶.۵ تا ۸.۵ است. خارج شدن از این بازه باعث نابودی میکروارگانیسم‌ها می‌شود.
• BOD/COD: اندازه‌گیری منظم پساب ورودی و خروجی، نشان‌دهنده عملکرد سیستم است.
• SVI (شاخص حجمی ته‌نشینی): نشانگر کیفیت ته‌نشینی لجن؛ مقادیر بالا نشان‌دهنده بالکینگ احتمالی است.

نمونه‌برداری روزانه یا هفتگی، ثبت داده‌ها و مقایسه با مقادیر مرجع کمک می‌کند تا سیستم همواره پایدار بماند.

 

ملاحظات بهره‌برداری و نگهداری روزانه از سیستم‌های لجن فعال

بهره‌برداری موفق از یک سیستم لجن فعال به فاکتورهای متعددی وابسته است:

1. کنترل لجن: تنظیم دقیق نسبت RAS و WAS برای حفظ تعادل زیستی
2. نظافت دیفیوزرها یا توربین‌ها: برای حفظ راندمان هوادهی
3. تنظیم زمان ماند: متناسب با شرایط فاضلاب
4. نظارت بر کف و فوم: فوم ممکن است نشان‌دهنده رشد باکتری‌های رشته‌ای یا ورود شوینده‌ها باشد
5. تهویه مناسب فضای اپراتورها: جلوگیری از تجمع گازهای خطرناک مانند H₂S
6. ثبت گزارش روزانه: برای تحلیل روندها و پیشگیری از مشکلات احتمالی

نگهداری پیشگیرانه، آموزش اپراتور و استفاده از تجهیزات مانیتورینگ هوشمند، نقش کلیدی در موفقیت این سیستم‌ها دارد.

مشکلات رایج در فرآیند لجن فعال (بالکینگ، فوم، گرفتگی هواده‌ها) و راه‌حل‌ها

عملکرد مطلوب لجن فعال، نیازمند پایداری زیستی، مکانیکی و شیمیایی سیستم است. برخی از مشکلات رایج شامل:

• بالکینگ (Bulking): لخته‌های زیستی به‌خوبی ته‌نشین نمی‌شوند و باعث پساب کدر می‌شود. اغلب به دلیل رشد بیش‌ازحد باکتری‌های رشته‌ای، کمبود اکسیژن، بارگذاری زیاد یا تغییر ناگهانی pH رخ می‌دهد.

راه‌حل: کاهش زمان ماند لجن، افزایش DO، کلرزنی کنترل‌شده RAS.

• کف و فوم (Foaming): به‌ویژه در مخازن هوادهی رخ می‌دهد و نشانه وجود نوع خاصی از باکتری‌های مقاوم به چربی (مانند Nocardia) است.

راه‌حل: کاهش زمان ماند لجن، حذف روغن و چربی از فاضلاب ورودی، حذف بیولوژیکی انتخابی.

• گرفتگی دیفیوزرها و افت اکسیژن: در صورت وجود رسوبات، مواد جامد، چربی یا رسوبات آهنی.

راه‌حل: شست‌وشوی دوره‌ای دیفیوزرها، استفاده از پیش‌تصفیه مؤثر و فیلترهای اولیه.

مدیریت و کنترل مناسب این مشکلات، از طریق پایش منظم، بازدیدهای میدانی و تحلیل داده‌های بهره‌برداری امکان‌پذیر است.

موارد استفاده از لجن فعال در تصفیه فاضلاب صنعتی (لبنی، غذایی، دارویی و…)

سیستم لجن فعال با کمی تغییر و بهینه‌سازی، قابل استفاده برای طیف گسترده‌ای از فاضلاب‌های صنعتی است. نمونه‌هایی از کاربردهای صنعتی عبارت‌اند از:

1. لبنیات: فاضلاب با بار آلی بالا، چربی، لاکتوز. پیش‌تصفیه (چربی‌گیر)، سپس لجن فعال.
2. صنایع غذایی: مانند کنسروسازی یا نوشابه‌سازی؛ دارای بار BOD بالا، نوسان pH و مواد معلق.
3. صنایع دارویی: حاوی ترکیبات شیمیایی، آنتی‌بیوتیک‌ها؛ نیازمند ترکیب تصفیه فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی.
4. کشتارگاه‌ها: دارای خون، پروتئین، چربی و بو. نیاز به سیستم ترکیبی DAF + لجن فعال.

برای هر صنعت، لازم است قبل از اجرای سیستم، فاز Pilot جهت تحلیل بار آلودگی، pH، مواد خاص و واکنش میکروبی انجام شود.

 

کاربرد سیستم لجن فعال در تصفیه فاضلاب شهری و بیمارستانی

فاضلاب شهری (خانگی) استانداردترین نوع برای سیستم لجن فعال است؛ زیرا نسبت BOD/COD، نیتروژن، فسفر و زمان ماند در محدوده‌های شناخته‌شده قرار دارند.

در تصفیه فاضلاب بیمارستانی، با وجود شباهت به فاضلاب شهری، حضور آنتی‌بیوتیک‌ها، پاتوژن‌های مقاوم، خون و داروها، چالش‌زا است. لجن فعال در این موارد به‌تنهایی کافی نیست و معمولاً با مراحل زیر ترکیب می‌شود:

• پیش‌تصفیه شیمیایی (انعقاد، تنظیم pH)
• لجن فعال + سیستم MBR یا SBR
• گندزدایی نهایی با UV یا ازن برای حذف ویروس‌ها و باکتری‌های مقاوم

بنابراین، سیستم لجن فعال به‌عنوان هسته‌ی اصلی تصفیه باقی می‌ماند، ولی با ملاحظات ویژه طراحی می‌شود.

 

سخن پایانی؛ آیا لجن فعال بهترین روش برای همه فاضلاب‌هاست؟

لجن فعال به دلایل زیر، همچنان یکی از موثرترین و قابل‌اتکاترین روش‌های تصفیه فاضلاب در دنیا باقی مانده است:

• راندمان بالا در حذف آلاینده‌ها
• انعطاف‌پذیری در طراحی
• تجربه جهانی گسترده در بهره‌برداری
• قابلیت ترکیب با تکنولوژی‌های جدید (MBR، IFAS، UV و غیره)

اما باید توجه داشت که این روش در هر شرایطی بهترین انتخاب نیست. در مواردی که فضای نصب محدود است، مصرف انرژی اهمیت بالایی دارد، یا فاضلاب حاوی آلاینده‌های خاص و مقاوم است، روش‌های مکمل یا جایگزین می‌توانند عملکرد بهتری داشته باشند. بنابراین، انتخاب نهایی باید بر اساس تحلیل دقیق فنی و اقتصادی صورت گیرد.

استفاده از مواد منعقدکننده در تصفیه فاضلاب، علی‌رغم افزایش هزینه‌های عملیاتی، در بسیاری از پروژه‌ها امری ضروری است. به‌ویژه در فاضلاب‌هایی با بار آلودگی بالا، ذرات کلوئیدی پایدار، یا مقادیر زیاد فسفر و فلزات، حذف مؤثر این آلاینده‌ها بدون استفاده از منعقدکننده‌ها عملاً غیرممکن خواهد بود.

سوالات متداول

۱. آیا لجن فعال می‌تواند نیتروژن و فسفر را حذف کند؟

بله، ولی به شرط طراحی دقیق. برای حذف نیتروژن، فرآیندهای نیتریفیکاسیون/دی‌نیتریفیکاسیون باید در طراحی لحاظ شوند. برای فسفر، افزودن منعقدکننده‌های شیمیایی مانند آلوم یا استفاده از فناوری‌های پیشرفته توصیه می‌شود.

۲. بهترین غلظت DO برای لجن فعال چقدر است؟

بین ۲ تا ۴ میلی‌گرم در لیتر. پایین‌تر از ۲ باعث رشد باکتری‌های بی‌هوازی، ایجاد بو و افت عملکرد می‌شود.

۳. آیا می‌توان لجن مازاد را بدون فرآوری به زمین کشاورزی منتقل کرد؟

خیر. لجن باید تثبیت شده، آب‌گیری و بهداشتی شود تا خطرات زیستی و بوی نامطبوع کاهش یابد. استانداردهای محیط زیست نیز این موضوع را الزام می‌کنند.

۴. لجن فعال مناسب کدام اقلیم‌ها نیست؟

در اقلیم‌هایی با نوسان شدید دما یا سرمای شدید، عملکرد میکروبی کند می‌شود. در این شرایط نیاز به عایق‌بندی یا افزایش زمان ماند می‌باشد.

۵. آیا سیستم لجن فعال قابلیت ارتقاء دارد؟

بله. با افزودن مدیا (IFAS)، استفاده از غشا (MBR) یا اتوماسیون، می‌توان راندمان و ظرفیت سیستم را افزایش داد.