הרחקת חנקן וזרחן במתקני טיפול בשפכים

הגבלת ריכוזי חנקן וזרחן בקולחי מט"שים היא כיום חלק מדרישות החוק ובדרך כלל יש גם כדאיות כלכלית ותפעולית לשלב במט"ש רגיל סילוק משולב של חומרים אלה. במאמר זה נסקור את עקרונות ההרחקה ואת המתקנים הדרושים לשם כך

 

המזין (נוטריינט) שהריכוז שלו בגוף מים הוא הנמוך ביותר (ביחס לשאר חומרי המזון) מהווה "גורם מגביל", שביחס אליו שאר חומרי המזון הם בעודף, ולכן כל עלייה בריכוז שלו מתורגמת לייצור של עוד אצות. במלים אחרות, הריכוז של הגורם המגביל הזה במים טבעיים צריך להישאר נמוך, כדי לא לגרום ליוטרופיקציה. במקווי מים מתוקים הזרחן הוא בדרך כלל הגורם המגביל, וערך המינימום שלו יקבע את מצב גוף המים. בתנאים מסויימים (ביניהם, במים מלוחים), הגורם המגביל הוא החנקן.
בישראל, שבה רוב המים המטופלים מיועדים להשקיה חקלאית, יש להעשרה בחנקן ובזרחן משמעות גם במאגרי מי קולחים ובריכות החדרה, וגם בגופי מים טבעיים – שאליהם החנקן והזרחן נשטפים באופן עקיף דרך הקרקע. הגבלת ריכוזי חנקן וזרחן בקולחי מט"שים היא כיום חלק מדרישות החוק.
בנוסף לחיוב החוקי, יש בדרך כלל גם כדאיות כלכלית ותפעולית לשלב במט"ש רגיל סילוק משולב של חנקן וזרחן. הכדאיות הכלכלית נובעת מהעובדה, כי התנאים שמאפשרים את ההרחקות מקטינים את צריכת האנרגיה הנדרשת לאיוורור של המתקן (כי חלק גדול מהרחקת החומר האורגני מתבצעת בתנאים אנאירוביים או אנוקסיים). הכדאיות התפעולית נובעת מהעובדה שמערכות, שכוללות שלב אנאירובי, מפתחות בוצה ששוקעת טוב יותר מהבוצה במערכות שלא כוללות שלב כזה.
שילוב של מודולים ממברנלייים (מערכות MBR) בתצורות המתקן הבסיסיות מאפשר שיפור גדול בהרחקת הנוטריינטים הביולוגית, ובמיוחד בהרחקת זרחן

עקרונות ההרחקה

הרחקת זרחן במט"ש דורשת העברה של הזרחן המומס בשפכים לצורה מוצקה (בתוך הביומסה, או כמלח קשה-תמס) באמצעים ביולוגיים, או כימיים, או גם וגם – והרחקת המוצקים האלה מהמערכת.
הרחקה ביולוגית מוגברת של זרחן ("מוגברת" כלומר יותר מהסילוק של 10-30% מהזרחן הנכנס למט"ש, שקורה ממילא בשיקוע הראשוני - של זרחן שאינו מומס, ובטיפול השניוני - תוך כדי סינתזת התא ולצורך העברת אנרגיה) מבוססת על הגדלת החלק היחסי (מתוך כלל ה- MLSS) של מיקרואורגניזמים, שמסוגלים לצרוך ולצבור זרחן ברמות גבוהות בהרבה מהדרוש עבור פעילות מטבולית "רגילה". מיקרואורגניזמים אלה מכונים PAOs (Phosphate Accumulating Organisms). התבססות ה- PAOs במערכת מושגת ע"י העברה של הביומסה, באופן מחזורי, דרך תנאים אנאירוביים ותנאים אירוביים (ו/או אנוקסיים). תנאי הכרחי להתבססות PAOs הוא נוכחות של מספיק חומר אורגני קל-פירוק (בעיקר חומצות שומן נדיפות, VFAs) בשלב האנאירובי. סילוק הזרחן מהמערכת הוא באמצעות הוצאת ה- PAOs מהמט"ש בתוך הבוצה העודפת (WAS). בשלבים האירובי והאנוקסי, PAOs קולטים זרחן מהתמיסה ואוגרים אותו (בצורת רב-זרחנים אנאורגניים, המאוחסנים בתא). בשלב האנאירובי, PAOs קולטים מהשפכים VFAs, ומשחררים זרחן מומס (אורתופוספאט, הנוצר מפירוק הרב-זרחנים שנוצרו קודם).
הרחקת זרחן כימית מבוצעת ע"י הוספה מלחים של יוני מתכת רב-ערכיים (M+2, M+3), בדרך כלל אלומיניום או ברזל, שמגיבים עם הזרחן המומס (אורתופוספאט, PO4-3) ויוצרים תרכובות זרחן קשות-תמס. המוצקים שהתקבלו מסולקים בשלב השיקוע או הסינון.
הרחקה מלאה של חנקן במט"ש עירוני מחייבת העברה של החנקן המומס בשפכים (בצורת אמוניה, חנקן אורגני, וניטראט), לצורת חנקן גזי, החוזר לאטמוספירה, בצורה ביולוגית (כי במט"ש גדול בדרך כלל רק הצורה הביולוגית ריאלית מבחינה כלכלית – להבדיל משיטות הרחקת חנקן אחרות).
הרחקת חנקן ביולוגית מבוססת על ניטריפיקציה (חימצון של חנקן מצורת אמוניה לצורת ניטראט, שקורה בתנאים אירוביים ע"י מיקרואורגניזמים אוטוטרופיים), בצמוד לדניטריפיקציה (חיזור של הניטראטים לחנקן גזי בתנאים אנוקסיים, בעיקר ע"י מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים – כלומר התהליך המלא של סילוק חנקן מצריך גם נוכחות של ניטראטים כדי ליצור תנאים אנוקסיים, וגם נוכחות של חומר אורגני זמין כדי להזין את ההטרוטרופים).
תצורות מתקן בסיסיות
לצורך הרחקה ביולוגית מוגברת של זרחן דרושים תנאים אנאירוביים; לצורך הרחקה ביולוגית מוגברת של חנקן דרושים תנאים אנוקסיים; ולצורך הרחקה ביולוגית של הסובסטרט הפחמני (כלומר, הרחקת "החומר האורגני" שבשפכים), דרושים תנאים אירוביים ("אוקסיים"). לכן, כל מערכות הבוצה המשופעלת1 שמיועדות להרחיק (חוץ מחומר אורגני, גם) זרחן וחנקן באמצעים ביולוגיים, מבוססות על קיומם במט"ש של שלושה סוגי תנאי עבודה: אנאירוביים, אנוקסיים, ואירוביים2.
התהליך הבסיסי להרחקה משולבת של חנקן וזרחן כולל בדיוק את שלושת סוגי התנאים הנ"ל (ולכן הוא מכונה A2O – (Anaerobic, Anoxic, Oxyc, ויש בו שני זרמי סחרור: RAS להחזרת הביומסה מהמצלל אל ראש התהליך, וזרם נוסף מ(סוף) השלב האירובי אל (תחילת) השלב האנוקסי כדי להעביר אליו ניטראטים ובכך לאפשר קיום של תנאים אנוקסיים (ראה איור 1).

איור 1 | תהליך A2O להרחקת חנקן וזרחן ביולוגית מוגברת

יש וריאציות רבות על התצורה הבסיסית, ואחת היותר נפוצות שבהן היא תהליך Bardenpho.
תהליך Bardenphoחמש-שלבי (מודיפיקציה של תהליך בארנארד הארבע-שלבי, גם הוא נפוץ ומוכר. נקראת גם "Phoredox") מורכב מחמישה שלבים (אנאירובי, אנוקסי, אירובי, אנוקסי שני, ואירובי שני) המיועדים למקסם את סילוק הזרחן והחנקן בהתאם לכל העקרונות הנ"ל (ראה איור 2). בתחילת הרצף יש שלב אנאירובי, שהכרחי לביסוס ביומסת PAO, וממוקם בתחילת התהליך כדי לפגוש ראשון את השפכים הנכנסים (העשירים בחומר אורגני פריק). השלב השני הוא אנוקסי, והוא מקיים תנאים מתאימים לדניטריפיקציה (= אין חמצן, יש ניטראטים), ולצורך זה מקבל זרם עשיר בניטראטים מ(סוף) האיזור האירובי הראשון (שהוא השלב הבא, השלישי). השלב הבא, הרביעי, הוא אגן אנוקסי שני, שבו מסולקים (רוב) הניטראטים שנשארו אחרי האנוקסי הראשון - מה שגורם לזרם ה- RAS להכיל פחות ניטראטים, ולכן משפר את התנאים האנאירוביים באגן האנאירובי. השלב האחרון, שהוא האירובי השני, מיועד לשחרר מהתמיסה חנקן שיורי, ולהקטין את שחרור הזרחן במצלל השניוני – ולכן גם להקטין את ריכוזו בקולחים (כזכור, בתנאים אירוביים ה- PAOs הם בקליטה מקסימלית של זרחן).

איור 2 | תהליך(Phoredox) Modified Bardenpho להרחקת חנקן וזרחן ביולוגית מוגברת

שילוב של מודולים ממברנלייים (מערכות MBR) בתצורות המתקן הבסיסיות מאפשר שיפור גדול בהרחקת הנוטריינטים הביולוגית, ובמיוחד בהרחקת זרחן, תודות ליתרונות האופייניים של הטכנולוגיה: גיל בוצה גבוה, ריכוז בוצה גבוה, ועצירה מלאה של חלקיקים ומיקרואורגניזמים (ראה איור 3). שני היתרונות המובנים של המערכת בהרחקת זרחן, ביחס למערכות הרגילות, הם בהרחקה הגבוהה של מוצקים (כי כל הזרחן המורחק, מורחק כמוצקים), ובאפשרות שלה לבצע את הפרדת הבוצה מהקולחים בתנאים של איוורור מלא (להבדיל משיקוע פאסיבי במשקע שניוני רגיל, שבו אי אפשר לאוורר) – תנאים שבהם, כזכור, הזרחן מתקבע בתוך הביומסה.

איור 3 | תהליך סילוק ביולוגי מוגבר של חנקן וזרחן (תצורת mUCT), מותאם לשימוש במודול ממברני

תהליכים מנתיים (מתקני SBR) אפשר להפעיל (או להסב, במתקנים ישנים) באופן כזה שהם ירחיקו חנקן וזרחן, באמצעות משטר הפעלה מתאים, שיכלול גם זמני שהייה אנוקסיים ואנאירוביים. כמתבקש מסוג המתקן, רצף שלבי העבודה הוא תחת האילוץ של שינוי התנאים בזמן (ולא במקום, כמו בתהליכים האחרים), ולכן הרצף יהיה בדרך כלל: אנוקסי (סילוק ניטראטים), אנאירובי (הגברת שחרור זרחן), ואירובי (סילוק צח"ב). התנאים המתחלפים נקבעים במתקני SBR ע"י זמני השהייה וע"י שיעור הספקת האויר, בכל שלב.
לצורך סילוק יעיל של זרחן צריכה להיות נוכחות של מספיק חומר אורגני פריק בשלב האנאירובי, ויש גם צורך בסילוק יעיל של ניטראטים לפני השלב הזה, כדי שהשלב יהיה באמת אנאירובי "איכותי".

המאפיינים של השפכים הנכנסים למט"ש משפיעים באופן מכריע על היכולת של המתקן להשיג הרחקת נוטריינטים מלאה בצורה ביולוגית, ועל הכלכליות של הרחקה כזו

הקשר בין איכות השפכים לבין יכולת הרחקת נוטריינטים

המאפיינים של השפכים הנכנסים למט"ש משפיעים באופן מכריע על היכולת של המתקן להשיג הרחקת נוטריינטים מלאה בצורה ביולוגית, ועל הכלכליות של הרחקה כזו. הפרמטרים המשפיעים העיקריים הם ריכוזי הנוטריינטים עצמם (כלומר, ריכוזי החנקן, הזרחן, והחומר האורגני הפריק ביולוגית בשפכים הנכנסים).
בטבלה 1 מובאים ריכוזי הזרחן שניתן להשיג בקולחים באמצעות הרחקה ביולוגית מוגברת, כתלות ביחס [חומר אורגני / זרחן] בשפכים הנכנסים3.

סילוק חנקן: דניטריפיקציה מלאה של החנקן, בשפכים ביתיים רגילים, ניתנת להשגה כאשר יחס חנקן קלדל לצח"כ (TKN/COD) קטן מ- 0.08. כאשר ריכוז החנקן בשפכים הנכנסים למט"ש גבוה מדי (מעל 0.14), לא צפוי סילוק מלא של החנקן.

שידרוג של מתקן קיים להרחקה מוגברת של חנקן וזרחן

שידרוג של מתקן קיים, שלא תוכנן להרחקת זרחן, למצב של הרחקת זרחן מוגברת יכול להיות פיסי (שיפור הרחקת המוצקים מהקולחים בטיפול השלישוני - בסינון על ידי הקטנת מהירות הסינון, ובשיקוע גרביטציוני על ידי שינוי מהירויות הזרימה של הקולחים ושל הבוצה), ביולוגי (הוספת שלבים אנאירוביים לתהליך), או כימי (הוספת קואגולנט במיקום המתאים).
שידרוג של מתקן להרחקת חנקן מוגברת יכול להיות באמצעות הגדלה של נפח הריאקטור הביולוגי, או שיפור של הספקת החמצן ביחד עם הוספת שלבים אנוקסיים לתהליך.
במספר רב של הרצות של מודל תהליכי-כלכלי ממוחשב4 אשר דימה תנאי הפעלה ואיכויות שפכים האופייניים לישראל נמצא, שכאשר דרישות הזרחן בקולחים מחמירות, אופציית השידרוג הכדאית ביותר מבחינה כלכלית היא האופציה המשלבת סילוק מוגבר ביולוגי ביחד עם שימוש מוגבל בכימיקלים. מסקנה נוספת של אותו מודל היתה שככל שהמט"ש גדול יותר (כלומר, קולט ספיקת שפכים גדולה יותר), כך יותר גדולה גם הכדאיות הכלכלית של הסילוק הביולוגי המשולב של זרחן וחנקן.
יצויין שלשימוש בכימיקלים להרחקת זרחן יש שלוש מגרעות, שבגללן עדיף שהם ישמשו רק כגיבוי לתהליכי סילוק זרחן ביולוגיים, ולא כתהליך ההרחקה העיקרי: שימוש בקואגולנטים עלול להעלות את ריכוז היונים בקולחים (מינון של ברזל כלוריד, FeCl3, לדוגמה, יהיה ביחס מולרי של 2, ויוסיף 6.9 מ"ג כלוריד לכל מ"ג זרחן מומס שיורחק); שימוש כזה יכול לגרום להיווצרות של בוצה נוספת (הוספת אלום בכמות גדולה יותר מהנדרש תגרום להיווצרות אלומיניום הידרוקסיד); וכמו כן, הכימיקלים שמשתמשים בהם הם בדרך כלל חומציים (וזה בנוסף לתהליך הניטריפיקציה עצמו שמייצר יוני מימן), ואם לשפכים אין מספיק אלקליניות לנטרל את החומציות הנובעת משני המקורות האלה, נוצר גם צורך בתוספת אלקליניות לתהליך.

1 טכנולוגיות שלא מאפשרות העברה של אותה ביומסה דרך תנאים מתחלפים – כמו מתקני בוצה מקובעת-לחלוטין (מרבגים ביולוגיים, RBC, וכד'), בריכות אקסטנסיביות קלאסיות (ללא סיחרור בוצה), וכדומה – לא מתאימות להרחקה ביולוגית מוגברת של זרחן, אם לא מוסיפים להן בוצה מורחפת שמועברת דרך כל התהליך. במקרים כאלה הרחקן זרחן מחייבת שימוש בכימיקלים.
2 תהליכים הכוללים ביומסת Anammox עשויים להיות יוצאים מהכלל, אבל הם לא יידונו במסגרת מאמר זה.
3 הטבלה מבוססת על שפכים סניטריים, עם הגבה בטווח 6.5-8.0 וטמפרטורה בטווח oC10-30, ועל חומר אורגני בעל פריקות גבוהה (יחס BOD:COD בטווח 1.5-4.0 לערך). הטבלה לא מתאימה לשפכים עם רכיב חקלאי או תעשייתי גדול, שיש להם פריקות נמוכה (יחס BOD:COD גבוה מ-5 לערך). בתנאים כאלה, אפשר להשתמש ביחס COD:BOD האופייני של השפכים הנתונים, ולתרגם את יחסי tCOD:tP המובאים כאן ליחסי BOD:P. יש לשים לב גם להשפעת זרמים פנימיים חוזרים ("מי נטל"), בעיקר מסחיטת בוצה מעוכלת – ובמקרי קיצון לשקול טיפול נפרד בזרמים כאלה.

4 במסגרת מחקר בהנחיית פרופ' נח גליל – הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית, הטכניון, 2012

גיא פורר, M.Sc, הנדסה וייעוץ סביבתי | This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
הדפסה הורדה

לשאלות ופרטים נוספים

נא מלאו את פרטיכם ונציגינו ייצרו עמכם קשר בהקדם