یکی از جدیدترین فرایندهای تصفیه فاضلاب که توسط سازمان محیط زیست آمریکا پیشنهاد شده است بیوراکتورهای غشایی می باشد که اولین بار توسط اسمیت و همکارانش در حدود 30 سال پیش مورد استفاده قرار گرفت. در واقع در این بیوراکتورها، یک واحد فرایندی جایگزین روش های مرسوم که شامل تانک هوادهی و مخازن ته نشینی و فیلتراسیون بودند، می شود که دارای معایب روشهای متداول نمی باشد. در واقع این سیستم ها از تلفیق یک فعالیت زیستی با یک فرایند جداسازی غشایی تشکیل شده اند. نیروی محرکه برای جداسازی به واسطه گرادیان فشار در طول غشاء می باشد. یکی از مزایای این بیوراکتورها نسبت به فرایندهای متداول مقدار غلظت بالای میکروارگانیزم بالایmg/l ۲۰۰۰۰ می باشد که در یک واحد فرایندی با مقیاس کوچک تر با کاهش تولید لجن همراه است و از طرفی کیفیت پسآب خروجی بسیار بالا می باشد، به نحوی که اکثر مواد کلوئیدی و ماکرومولکول ها مانند باکتری ها حذف می شوند.
دلایلی که استفاده از MBR ها را نسبت به سایر روش های تصفیه فاضلاب برگزیده است عبارتند از:
1- نگه داری همه موادجامد معلق و بیشتر مواد محلول در راکتور که منجر می شود تا سیال خروجی با کیفیت بالایی باشد.
2- توانایی مطابقت با نیاز تخلیه بالا و استفاده مجدد از آب خروجی.
3- امکان نگه داری باکتری ها و سلول ها
4- حذف گسترده استفاده از گند زداها و در مقابل حذف خطرات ناشی از استفاده گند زداها.
5-از آنجایی که جامدات معلق در مرحله تصفیه از بین نرفته اند کل جداسازی وSRT وHRT منجر به کنترل بهینه آلودگی میکروبی و انعطاف پذیری در سیستم هستند.
6- غشاها نه تنها بیومس را حذف می کنند بلکه از فرار آنزیم های سلولی و ایجاد اکسیدانت های محلول جلوگیری می کند و یک ترکیب فعال تری را به وجود می آورند که قادر است رنج گسترده تری از کربن را کاهش دهد.
7- بدلیل حذف مرحله ته‌نشینی، فضای مورد نیاز کمتر خواهد بود.
بزرگترین عیب کاربرد غشاها در فرایند لجن فعال، گرفتگی آن است. پیشگیری و کنترل گرفتگی، نیاز به صرف انرژی زیاد (جهت بازگردانی لجن یا هوادهی حبابی) برای ایجاد یک تنش برشی مؤثر در سطح غشاء است.
علاوه بر این، بمنظور تأمین جریان خروجی مناسب از میان غشاء (شار نفوذی )، نیاز به سطح غشاء زیادی می‌باشد. لذا تعیین عوامل مؤثر بر گرفتگی، در این سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است.
در میان عوامل مؤثر بر گرفتگی، دو پارامتر EPS و SMP نقش کلیدی در گرفتگی غشاهای MBR دارند. EPS به مجموع ماکرومولکولهایی نظیر کربوهیدراتها، پروتئینها و سایر ترکیبات پلیمری داخل یا خارج از سطح سلول میکروبی موجود در فاضلاب اطلاق می‌شود. بخشی از این مواد که به سطح خارجی بدنه میکروب چسبیده است eEPS می‌باشد (که به روش آزمایشگاهی خاصی از توده بیولوژیکی استخراج می‌گردد) و بخشی که به صورت محلول در فاضلاب می‌باشد SMP نام دارد (شکل پیوست).
رویکرد تحقیق حاضر با در نظر داشتن سه فرضیه زیر (بر اساس موارد ذکر شده قبلی) مشخص می‌شود:
1)استراتژیهای کاهش گرفتگی غشاءها عبارتند از:
الف) اصلاح مشخصات جرم بیولوژیکی موجود (ابعاد، غلظت، ...)
ب) اصلاح مشخصات غشاء
ج) بهینه سازی شرایط بهره‌برداری:
o نرخ هوادهی
o مودهای مختلف فیلتراسیون ( Continuous،Relaxation، Backwash)
o زمان ماند سلولی و ....
2)بر اساس تحقیقات انجام شده یکی از مهمترین عوامل گرفتگی غشاء در بیورآکتورها، مواد پلیمری خارج سلولی یا EPSو بخش محلول آن (SMP) می‌باشد که توسط میکروارگانیسمها تولید می‌شود.
3)سهم SMP در لایه‌های گرفتگی و ترکیبات آن در این لایه‌ها متفاوت بوده و همین امر باعث ایجاد تفاوتهایی در رفتار گرفتگی در این لایه‌ها گردیده است.
لذا در تحقیق حاضر به بررسی اثر مودهای مختلف فیلتراسیون، مقادیر نرخ هوادهی و زمان ماند سلولی (بعنوان پارامترهای بهره‌برداری) بر گرفتگی غشاء به تفکیک لایه‌های سه‌گانه تشکیل دهنده آن، پرداخته می‌شود. بدین ترتیب می‌توان نقش این سه پارامتر مهم بهره‌برداری MBR را در میزان، ساختار و نوع ترکیبات SMP در هریک از لایه‌های گرفتگی، تعیین و نتایج آن را مورد بررسی قرار داد.
مراحل اجرایی :
الف) مطالعات کتابخانه‌ای و مروری بر ادبیات موضوع
ب) ساخت و راه‌اندازی پایلوت آزمایشگاهی
در این مطالعه، اقدام به ساخت و راه‌اندازی پایلوت آزمایشگاهی شامل مخزن هوادهی حاوی غشاء میکروفیلتراسیون، مخزن جمع آوری مایع خروجی غشاء و ... به همراه سیستم پمپاژ، اتصالات و لوله‌ها، سیستم پایش پارامترهای عملکردی و ... می‌گردد. سیستم شستشوی معکوس نیز جهت حذف اثر گرفتگی بر عملکرد سیستم تعبیه خواهد شد. در این سیستم به منظور پایش کارایی و راهبری از سنسور های پایش مداوم برای پارامترهای اکسیژن محلول، فشار تراغشایی (TMP)، دما، pH و ... استفاده می‌گردد و این پارامترهای کنترلی توسط یک دستگاه SC-Controller به یک رایانه متصل گردیده و پایش مداوم را انجام می دهد.(شماتیک پایلوت در شکل پیوست)
ج) ارزیابی راندمان سیستم
بدین منظور، راندمان حذف پارامترهایی نظیر: BOD، COD، جامدات و ... ارزیابی می‌گردد.
د) سنجش عوامل مؤثر بر گرفتگی
اثر عواملی شامل: نوع فیلتراسیون، شدت هوادهی دیفیوزری و زمان ماند سلولی بر روی نوع، میزان و فرکانس گرفتگی غشاء مورد بررسی قرار می‌گیرد. پارامترهای مؤثر بر گرفتگی یعنی SMP و eEPS و ترکیبات آنها (پروتئینها و کربوهیدراتها) نیز در هربار تغییر شرایط بهره‌برداری سنجش خواهند شد. بدین منظور :
i.ابتدا مودهای مختلف فیلتراسیون (Continuous،Relaxation، Backwash) بر روی سیستم اعمال خواهد شد.
ii.پس از تعیین بهترین حالت فیلتراسیون (کمترین شدت گرفتگی)، مقادیر نرخ هوادهی مختلف بر روی سیستم اعمال می‌گردد.
iii.سپس اثر زمان ماندهای مختلف سلولی روی سیستم بررسی می‌گردد.
و) جمع‌آوری داده‌ها، آنالیز و نتیجه گیری
i.جمع‌آوری داده‌ها به کمک نمونه برداری و سنجش نمونه ها بر اساس برنامه زیر انجام می گیرد:
1-COD بصورت سه بار در هفته از ورودی و خروجی رآکتور و در هر بار تغییر شرایط بهره‌برداری
2-BOD دو بار در ماه از ورودی و خروجی رآکتور
3-اندازه گیری فشار TMP بطور مداوم از خروجی غشاء
4-اندازه‌گیری MLSS و دبی لجن مازاد در هر بار تغییر شرایط بهره‌برداری
5-اندازه‌گیری DOC جهت سنجش مقدار SMP در هر بار تغییر شرایط بهره‌برداری
6-اندازه‌گیری غلظت پروتئینها و کربوهیدراتهای موجود در لایه‌های گرفتگی غشاء در هر بار تغییر شرایط بهره‌برداری
7-جامدات معلق(SS) در ورودی و خروجی رآکتور (غشاء) با فواصل یکبار در هفته
ii.آنالیز داده‌ها و نتیجه گیری :
•تعیین راندمان حذف BOD، COD، جامدات و مقایسه با روش تصفیه اولیه
•آنالیز هیدرولیکی در حالات مختلف بهره‌برداری:
نمودارهای TMP در مقابل زمان و تعیین نرخ گرفتگی ( dTMP/dt ) رسم می‌گردد. حالت بهینه زمانی اتفاق می‌افتد که نرخ گرفتگی (شیب نمودار) حداقل باشد.
از سوی دیگر، مقاومت هیدرولیکی (R) هر یک از لایه‌های گرفتگی اندازه‌گیری و محاسبه می‌شود و نمودار آن برای حالات مختلف بهره‌برداری رسم می‌شود. در اینصورت می‌توان اثر هر حالت را روی مقاومت هیدرولیکی در لایه‌های مختلف گرفتگی بررسی نمود.
•آنالیز لایه‌های گرفتگی در حالات مختلف بهره‌برداری:
بخشی از این آنالیز، تجزیه و تحلیل مقاومت هیدرولیکی لایه‌ها است که در قسمت (الف) ذکر شد.
بمنظور بررسی رابطه ترکیبات موجود در هر یک از لایه‌ها با گرفتگی، به اندازه‌گیری پارامترهای SS و SMP در هر لایه خواهیم پرداخت. رسم نمودارهای تغییرات این دو پارامتر در حالات مختلف بهره‌برداری و نیز در لایه‌های مختلف جهت مقایسه آنها با یکدیگر، می‌تواند به نتایج خوبی در تعیین اثر حالات مختلف بر ترکیبات این لایه‌ها و نغییرات میزان گرفتگی منجر شود. رسم نمودارهای مقایسه‌ای مقادیر پروتئین و کربوهیدرات اندازه‌گیری شده (بعنوان اصلی‌ترین ترکیبات موجود در SMP) در لایه‌های مختلف گرفتگی، سهم هر یک از این دو پارامتر را در گرفتگی مربوط به هر لایه مشخص می‌نماید.
ز) شبیه سازی رابطه نرخ هوادهی و زمان ماند سلولی با میزان گرفتگی به کمک شبکه عصبی مصنوعی
