سیستم بیولاک
در اواخر دهه ٧٠ در اروپا و در سال ١٩٨۵ در آمریکا ارائه شد. امروزه بیش از هزاران تصفیه خانه شهری و صنعتی به روش بیولاک در سرتاسر دنیا در حال فعالیت می‌باشند. در ایران برای اولین بار در ارومیه از روش بیولاک برای تصفیه فاضلاب شهری استفاده شد. پروژه‌ی دومی که در حال حاضر در مرحله انجام می‌باشد تصفیه خانه‌ی ۰۰۰/۳۰۰ نفری شهر قدس می‌باشد که از سیستم بیولاک برای تصفیه فاضلاب شهر قدس و شهرک‌های اطراف استفاده خواهد کرد. فرایند بیولاک ویرایش‌های متعددی می‌تواند داشته باشد، از جمله این ویرایش‌ها می‌توان به بیولاک مجهز به حذف فسفر و یا حذف نیتروژن اشاره کرد.]۱۰[ فرایند یکپارچه‌ی لجن فعال بیولاک شامل یک حوض که توسط جدا کننده ها به چهار حوض حذف فسفر، هوادهی، ته نشینی و زلال سازی تقسیم می‌شود. میکروارگانیسم ها در حین سنتز سلولی و انتقال انرژی، فسفر را مصرف می‌کنند. در نتیجه، ١٠ تا ٣٠درصد فسفر ورودی در حین تصفیه زیستی ثانویه جدا می‌شود. برای دستیابی به غلظت پایین فسفر در پساب خروجی، لازم است بیش از حد لازم برای حیات و سنتز سلولی فسفر مصرف شود. در شرایط خاص هوازی، ممکن است میکروارگانیسم ها بیش از حد نیاز خود فسفر جذب کنند. تحت شرایط بی اکسیژن می‌توان فسفر را از سلول‌ها آزاد کرد. جداسازی زیست شناختی فسفر با کار کردن به شیوه‌ی متوالی و ایجاد شرایط محیطی مناسب در راکتور ممکن می‌شود. اگر بعد از یک ناحیه‌ی بی هوازی یک ناحیه هوازی (اکسیژنی) قرار گیرد، جذب فسفر میکروارگانیسم ها در حد طبیعی خواهد بود. فسفر نه تنها به مصرف حفظ حیات، سنتز و انتقال انرژی سلولی می‌رسد بلکه برای استفاده میکروارگانیسم های بعدی نیز ذخیره می‌شود بدین ترتیب جداسازی فسفر مستلزم استفاده از رآکتورهای هوازی، بی هوازی یا ناحیه هوازی بی هوازی درون یک راکتور است.]۱۲[

فرایند صافی چکنده
فرایند صافی چکنده از فرآیندهای از فرآیندهای بیولوژیکی هوازی با رشد چسبیده بوده که در آن از یک بستر ثابت استفاده می‌گردد. تصفیه در این سیستم به وسیله میکروارگانیسم های چسبنده به محیط صافی انجام می‌گیرد. این سیستم هوازی بوده و برای تجزیه بیولوژیکی مواد آلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتیجه این گونه تصفیه لجنی بوده که در زلال ساز که در پایین دست جریان قرار دارد، از فاضلاب تصفیه شده جدا می‌گردد. از این سیستم ممکن است برای فاضلابی که در ابتدا مورد تصفیه قرار گرفته استفاده گردد. در سال ۱۸۹۳ موقعی که فاضلاب وارد رودخانه می‌شد پس از عبور از سنگ‌ها زلال می‌شد، این روش نیز از این فر آیند طبیعی الهام گرفته شد. در روش صافی چکنده معمولاً از حوض دایره ای استفاده می‌شود و قطر این حوض بین ۵ تا ۵۰ متر می‌باشد. سنگ‌های مورد استفاده در این روش سنگ جوش با قطر ۱۰ سانتی متر و سنگ پلاستیک با قطر ۲۵ سانتی متر است. در این روش واکنش‌های زیستی اول و دوم انجام می‌شود اما واکنش سوم انجام نمی‌شود زیرا احتیاج به زمان ماند طولانی دارد که هزینه بر است. واکنش‌های چهارم و پنجم نیز انجام می‌شود. از صافی چکنده می‌توان برای حذف CBOD و آمونیاک و دی نیتریفیکاسیون استفاده نمود. در ایران توصیه نمی‌شود که از صافی چکنده برای تصفیه کامل استفاده شود و فقط برای تبدیل آمونیاک به نیترات و کمی هم دی نیتریفیکاسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد.]۱۱[
سیستم بیوراکتور غشایی (MBR)

مقدمه
این سیستم در اواخر دهه ۱۹۶۰ ابداع گردید (اما پیشرفت اصلی این روش در دهه ۱۹۹۰ رخ داد) که در آن زمان Dorr-Oliver فرایند تصفیه فاضلاب غشایی (Membrane) را که در آن رشد معلق در یک صفحه استوانه ای چرخان با یک غشاء الترافیلتر(UF) که به صورت خارجی قرار داشت آزمایش کرد. در سال ۱۹۷۰ تکنولوژی پس از تنظیم موافقت نامه ای بین Dorr-Oliver و شرکت‌های مهندسی Sanki وارد صنعت ژاپن شد و در آنجا توسعه وسیعی یافت. در دهه ۱۹۸۰ سیستم غشایی MBR به طور وسیعی در ژاپن جهت تصفیه فاضلاب شهری و استفاده مجدد از فاضلاب آسمان خراش‌ها بکار برده شد. به هر حال MBR با مدول غشایی جدا از بیوراکتور، با هزینه های زیاد غشا و مصرف بالای انرژی همراه بوده است. سیستم غشایی MBR با مدول غشایی داخل بیوراکتور در اواخر دهه ۱۹۸۰ جهت کاهش هزینه های بالای انرژی معرفی گردید. یک شرکت ژاپنی به نام Kubota صفحات مسطح MBR و یک شرکت کانادایی به نام Zenon Environmental غشاهای رشته ای (Capillary) را توسعه دادند. در سال ۲۰۰۴ بیش از ۲۲۰۰ سیستم MBR در سراسر دنیا در حال ساخت یا بهره برداری بوده است و فقط در شمال آمریکا، ۲۵۸ تصفیه خانه کامل فاضلاب با سیستم MBR احداث گردیده است.]۱۳[ شکل کلی یک بیوراکتور غشایی MBR در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل( ‏۲‑۱) طرح شماتیک دو بعدی از یک سیستم بیوراکتور غشایی
معرفی و بررسی سیستم
یکی از روش‌هایی که امروزه به طور گسترده در تصفیه فاضلاب‌های شهری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، روش بیوراکتورهای غشایی MBR می‌باشد. این رآکتورها از یک راکتور بیولوژیکی (بیوراکتور) با بیومس معلق و غشاء میکرو فیلتراسیون با قطر منافذ ۴-۱ میکرون جهت جداسازی جامدات تشکیل شده‌اند و دارای کاربردهای زیادی در تصفیه فاضلاب هستند. این سیستم‌ها ممکن است با بیوراکتورهای دارای بیومس معلق هوازی یا بی هوازی مورد استفاده قرار گیرند. سیستم‌های غشایی می‌توانند کیفیت فاضلاب خروجی را تا حد کیفیت فاضلاب خروجی حاصل از ترکیب ته نشینی ثانویه و میکرو فیلتراسیون برساند. در عمل در سیستم‌های غشایی، عملیات میکرو فیلتراسیون و تصفیه بیولوژیکی را در یک واحد فرآیندی انجام می‌دهد و به عنوان یک واحد نیاز به استفاده از واحدهای ته نشینی ثانویه و فیلتراسیون را تأمین می‌کند]۱۴[
فرایند بیوراکتورهای غشایی MBR به صورت ترکیبی از تصفیه ثانویه بیولوژیکی فاضلاب در پروسه غشایی و جداسازی فیزیکی بیومس از مخلوط به صورت تک مرحله ای می‌باشد. این سیستم‌ها به طور وسیعی در تصفیه فاضلاب‌های شهری و صنعتی مورد توجه بوده و به دلیل جداسازی کامل جامدات محلول، تولید پساب خروجی با کیفیت عالی و قابلیت کارکرد در دامنه وسیعی از تغییرات فاضلاب ورودی و همچنین ارضای مقررات سخت‌گیرانه تخلیه پساب‌ها برجسته تر هستند. فرایند غشایی در دو دهه اخیر مورد توجه زیادی بوده و به عنوان جایگزین تصفیه پیشرفته در تصفیه فاضلاب شهری معرفی گردیده است. این رآکتورها در سیستم تصفیه لجن فعال برای جداسازی جامدات، بدون نیاز به مخازن ته نشینی ثانویه کاربرد دارند و این وظیفه بر عهده غشا می‌باشد و به عنوان فاز ویژه ای در راکتور، خروجی زلال را به منظور تخلیه به آب‌های پذیرنده یا استفاده مجدد تولید می‌کند. غشاهایی با منافذ کوچک دامنه وسیعی از میکروارگانیسم ها را حذف می‌کند. مطالعات، شاخص‌های حذف موثری را توسط این سیستم‌ها نشان می‌دهد. اگرچه ویروس‌ها بسیار ریزتر از قطر منافذ میکرو فیلترها هستند ولی درصد حذف بالایی از آن‌ها نیز گزارش شده است که پس از تشکیل لایه بیوفیلم در غشا به وقوع می‌پیوندد.
به طور کلی فرایند تجزیه بیولوژیکی و جداسازی فیزیکی در سیستم بیوراکتور غشایی به صورت زیر انجام می‌گیرد. بدین صورت که در حوض هوادهی جریان فاضلاب ورودی توسط باکتری‌ها و ایجاد توده بیولوژیکی تصفیه گردیده و سپس با ایجاد مکش آب تصفیه شده از غشاء عبور کرده و ذرات با قطر بیشتر از قطر غشاء در داخل راکتور بیولوژیکی باقی می‌مانند. توضیحات داده شده در مورد سیستم بیوراکتور غشایی مستغرق می‌باشد که در بخش بعد توضیح داده خواهد شد. با توجه به توضیحات داده شده مشخص می‌گردد که بیوراکتورهای غشایی در تصفیه انواع فاضلاب‌های صنعتی و شهری کارایی بالایی در حذف انواع آلاینده ها را خواهند داشت، زیرا که در این سیستم تمامی ذرات کوچک‌تر از قطر غشاء از پساب خروجی حذف می‌گردد. همچنین مکش مورد نیاز توسط پمپ انجام می‌گیرد که باعث ایجاد خلأ در داخل غشاء و در نتیجه نفوذ آب تصفیه شده می‌گردد.]۱۵[
شکل( ‏۲‑۲) نحوه تجزیه بیولوژیکی و جداسازی فیزیکی در سیستم بیوراکتور غشایی
انواع بیوراکتورهای غشایی از لحاظ چیدمان مدول غشایی
مدول غشایی داخل بیوراکتور غوطه‌ور باشد. (Submerge)
مدول غشایی خارج از بیوراکتور قرار می‌گیرد.(Side-Stream)]16[
شکل( ‏۲‑۳) بیوراکتور غشایی در دو حالت غوطه‌ور و خارج از بیوراکتور
در غشاهای نوع اول (Submerge)، غشا مستقیماً داخل راکتور لجن فعال قرار می‌گیرد. مدول های غشا ها شامل غشاها، ساپورت آن‌ها، اتصالات ورودی و خروجی و یک ساپورت اصلی است. غشا در معرض یک خلأ قرار می‌گیرند که آب صاف را از درون غشا بیرون می‌کشد در حالی که جامدات در داخل راکتور باقی می‌مانند.]۱۷[ برای حفظ TSS داخل راکتور و برای تمیز نگه داشتن سطح خارجی غشاها، هوای فشرده در پایه مدول غشا توزیع می‌شود که هوا به سطح حرکت می‌کند شستشوی سطح خارجی غشا رخ می‌دهد و هوا نیز اکسیژن کافی را برای تأمین شرایط هوازی فراهم می‌کند. در این سیستم هزینه­ های اپراتوری کاهش می­یابد و نرخ مصرف انرژی حدود kwh/m³ ۴/۰-۲/۰ می­باشد که بیش از ۸۰ درصد آن جهت هوادهی بکار می­رود.[۱۸]
در غشاهای نوع دوم (Side-Stream)، لجن فعال از بیوراکتور به غشا پمپ می‌شود و مواد جامد درون غشا باقی مانده و فاضلاب صاف خارج می‌شود. نیروی محرک، فشاری است که به وسیله سرعت بالا درون غشا ایجاد می‌شود. جامدات درون غشا به راکتور لجن فعال برگردانده می‌شود و غشاها برای جدا شدن جامدات به طور دوره ای Backwash شده و به طور شیمیایی برای جلوگیری از افت فشار تمیز می‌شوند.]۳[به عبارت دیگر در سیستم Side-Stream فاضلاب در داخل بیوراکتور با بیومس تماس می­یابد سپس مخلوط فاضلاب و بیومس در یک واحد لوپ چرخه ای شامل غشا پمپ می­گردد و در آنجا جریان نفوذ کرده از غشا تخلیه گردیده و جریان باقی مانده به داخل بیوراکتور پمپ می­گردد. لجن اضافی به بخش ثابت نگهداری لجن پمپاژ می­ شود. کاربرد لوپ چرخه­ای منجر به افزایش هزینه­ها مصرف انرژی از kwh/m³ ۱۰-۲ (با توجه به قطر داخلی لوله­های مورد استفاده) می­گردد. [۱۸] در جدیدترین نوع Side-stream یک جریان هوا در مدول غشایی با ایجاد اغتشاش را در سطح غشا، هزینه­ های اپراتوری و گرفتگی را کاهش داده است.
جدول( ‏۲‑۱) مزایا و معایب چیدمان مدول غشایی در حالت غوطه‌ور و خارج از بیوراکتور