مقدمه
در دهه‌های اخیر، با افزایش آلودگی منابع آبی و تشدید پدیده اتروفیکاسیون (شکوفایی جلبکی)، نیاز به روش‌های پیشرفته تصفیه فاضلاب که قادر به حذف همزمان کربن، نیتروژن و فسفر باشند، بیش از پیش احساس شده است. فرآیند ژوهانسبورگ (Johannesburg – JHB) یکی از روش‌های مؤثر و کارآمد حذف بیولوژیکی مواد مغذی (Biological Nutrient Removal – BNR) است که در سال‌های اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران و مهندسان تصفیه فاضلاب را به خود جلب کرده است.
فرآیند JHB اولین بار در شهر ژوهانسبورگ آفریقای جنوبی توسعه یافت و به عنوان یک راهکار مؤثر برای حذف همزمان نیتروژن و فسفر از فاضلاب شهری شناخته می‌شود. این فرآیند نسخه اصلاح‌شده فرآیند A²O است که با افزودن یک پیش‌حوضچه آنوکسیک (Pre-anoxic tank) در مسیر برگشت لجن، عملکرد حذف نیتروژن را بهبود بخشیده است.
فرآیند ژوهانسبورگ اصلاح‌شده (Modified Johannesburg – MJHB) نیز نسخه بهبودیافته این فناوری است که با تنظیم دقیق‌تر نسبت‌های ورودی فاضلاب و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی، راندمان حذف فسفر را افزایش می‌دهد.
در این مقاله، به بررسی جامع فرآیند JHB و MJHB، اصول عملکرد، پیکربندی راکتور، مزایا و محدودیت‌ها می‌پردازیم. این مقاله برای دانشجویان، پژوهشگران، مهندسان و بهره‌برداران تصفیه خانه‌های فاضلاب مفید خواهد بود.
فرآیند ژوهانسبورگ (JHB) چیست؟ | تاریخچه و تعریف
فرآیند ژوهانسبورگ (Johannesburg Process – JHB) یک فرآیند تصفیه بیولوژیکی پیشرفته است که برای حذف همزمان کربن (C)، نیتروژن (N) و فسفر (P) از فاضلاب طراحی شده است. این فرآیند به خانواده فرآیندهای حذف بیولوژیکی مواد مغذی (BNR) تعلق دارد و نسخه اصلاح‌شده فرآیند A²O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) محسوب می‌شود.
تاریخچه توسعه فرآیند JHB
ریشه‌های فرآیند JHB به دهه ۱۹۷۰ میلادی و تلاش‌های مهندسان آفریقای جنوبی برای بهبود کیفیت پساب تصفیه خانه‌ها بازمی‌گردد. در سال ۱۹۷۴، در تصفیه خانه الکساندرا ژوهانسبورگ، اپراتورها با خاموش کردن برخی از هواده‌های سطحی در ورودی حوضچه هوادهی، موفق به ایجاد شرایط آنوکسیک و القای فرآیند دنیتریفیکاسیون شدند.
این تجربه موفق، پایه‌گذار توسعه فرآیند JHB شد. در سال‌های بعد، با تحقیقات گسترده در دانشگاه کیپ‌تاون و موسسه ملی تحقیقات آب آفریقای جنوبی، این فرآیند به بلوغ رسید و در تصفیه خانه‌های گودکوپی و نورترن ورکس ژوهانسبورگ به مقیاس صنعتی پیاده‌سازی شد.
جایگاه JHB در میان فرآیندهای BNR
فرآیند JHB به همراه فرآیندهای A²O، UCT، MUCT و Bardenpho، یکی از پیکربندی‌های استاندارد حذف بیولوژیکی مواد مغذی محسوب می‌شود. بر اساس مطالعات ارزیابی چرخه حیات (LCA) که بر روی سه پیکربندی مختلف BNR (A²O، پنج مرحله‌ای Bardenpho و Johannesburg) انجام شده، فرآیند Johannesburg عملکرد زیست‌محیطی بهتری نسبت به دو روش دیگر دارد.
دلیل اصلی این برتری، عدم انتشار گاز متان فراری (CH₄) به دلیل نبود هاضم بی هوازی در مسیر تصفیه لجن و همچنین نرخ رقابتی حذف نیتروژن کل (TN) در این فرآیند است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود فرآیند JHB به طور مستقیم با اهداف پایداری مانند کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش ردپای کربن همسو باشد.
فرآیند ژوهانسبورگ (Johannesburg Process – JHB) یک فرآیند تصفیه بیولوژیکی پیشرفته است که برای حذف همزمان کربن (C)، نیتروژن (N) و فسفر (P) از فاضلاب طراحی شده است. این فرآیند به خانواده فرآیندهای حذف بیولوژیکی مواد مغذی (BNR) تعلق دارد و نسخه اصلاح‌شده فرآیند A²O (Anaerobic-Anoxic-Oxic) محسوب می‌شود.
مشاوره تخصصی طراحی تصفیه خانه به روش BNR (JHB، MJHB، A²O و UCT):
گروه صنعتی سورین سازه آژند شرق
05135231610 – 09157677361
آدرس دفتر مرکزی :خراسان رضوی، مشهد، بلوار شهید فلاحی، فلاحی 7، نبش بهورز 4، پلاک 62
آدرس کارگاه شرکت : مشهد- منطقه صنعتی چاهشک – باغبان 7
طراح و مجری تخصصی سیستم‌های تصفیه آب و فاضلاب در خراسان رضوی
اصول عملکرد فرآیند JHB | پیکربندی راکتور و مسیرهای برگشت
فرآیند JHB شامل چهار منطقه اصلی است که هر کدام شرایط محیطی متفاوتی را برای فعالیت گروه‌های خاصی از میکروارگانیسم‌ها فراهم می‌کند. این پیکربندی منحصر به فرد، امکان حذف همزمان نیتروژن و فسفر را در یک راکتور واحد فراهم می‌آورد.
پیکربندی راکتور در فرآیند JHB
ترتیب قرارگیری حوضچه‌ها در فرآیند JHB به شرح زیر است:
| ردیف | منطقه | شرایط | هدف |
|---|---|---|---|
| ۱ | پیش‌حوضچه آنوکسیک (Pre-anoxic) | آنوکسیک (بدون اکسیژن، با نیترات) | دنیتریفیکاسیون و حذف نیترات از لجن برگشتی |
| ۲ | حوضچه بی هوازی (Anaerobic) | بی هوازی (بدون اکسیژن و بدون نیترات) | رهاسازی فسفر توسط باکتری‌های PAO |
| ۳ | حوضچه آنوکسیک (Anoxic) | آنوکسیک | دنیتریفیکاسیون تکمیلی |
| ۴ | حوضچه هوازی (Oxic) | هوازی (دارای اکسیژن) | حذف کربن، نیتریفیکاسیون و جذب فسفر |
مسیرهای برگشت لجن و مایع نیتریفه
یکی از ویژگی‌های متمایز فرآیند JHB، وجود دو مسیر برگشت مجزا است:
۱. برگشت لجن (Return Activated Sludge – RAS):
لجن ته‌نشین شده از کلاریفایر نهایی، مستقیماً به پیش‌حوضچه آنوکسیک برگشت داده می‌شود. این کار باعث می‌شود نیترات موجود در لجن برگشتی بلافاصله در پیش‌حوضچه آنوکسیک حذف شود و نیترات به حوضچه بی هوازی نفوذ نکند.
۲. برگشت مایع نیتریفه (Internal Nitrate Recycle – IR):
مایع حاوی نیترات از انتهای منطقه هوازی به حوضچه آنوکسیک برگشت داده می‌شود تا فرآیند دنیتریفیکاسیون انجام شود.
نقاط ورودی فاضلاب خام (Influent Split):
یک مزیت مهم فرآیند JHB، امکان تقسیم جریان ورودی بین حوضچه‌های مختلف است. این قابلیت به اپراتور اجازه می‌دهد تا کربن آلی محدود فاضلاب را بهینه‌سازی کند:
بخشی از فاضلاب به پیش‌حوضچه آنوکسیک هدایت می‌شود تا به عنوان منبع کربن برای دنیتریفیکاسیون استفاده شود.
بخش دیگر مستقیماً به حوضچه بی هوازی وارد می‌شود تا در اختیار باکتری‌های PAO برای رهاسازی فسفر قرار گیرد.
مکانیسم حذف نیتروژن و فسفر در JHB
حذف نیتروژن:
نیتروژن موجود در فاضلاب عمدتاً به صورت آمونیاک (NH₄⁺) است. در فرآیند JHB:
در منطقه هوازی، باکتری‌های نیتریفایر (Nitrosomonas و Nitrobacter) آمونیاک را به نیترات (NO₃⁻) تبدیل می‌کنند.
مایع حاوی نیترات به حوضچه آنوکسیک برگشت داده می‌شود.
در شرایط آنوکسیک (بدون اکسیژن، با نیترات)، باکتری‌های دنیتریفایر نیترات را به گاز نیتروژن (N₂) تبدیل کرده و از سیستم خارج می‌کنند.
حذف فسفر:
فسفر توسط باکتری‌های انباشت کننده پلی فسفات (PAO – Polyphosphate Accumulating Organisms) حذف می‌شود:
در منطقه بی هوازی (بدون اکسیژن و بدون نیترات)، PAOها فسفر را آزاد کرده و انرژی ذخیره می‌کنند.
در منطقه هوازی، PAOها فسفر را به مقدار بیشتری جذب کرده و در سلول‌های خود ذخیره می‌کنند.
با تخلیه لجن اضافی (Waste Activated Sludge – WAS)، فسفر از سیستم خارج می‌شود.
Alireza 
نسل اصلاح‌شده فرآیند ژوهانسبورگ (MJHB)
فرآیند ژوهانسبورگ اصلاح‌شده (Modified Johannesburg – MJHB) نسخه بهبودیافته فرآیند JHB است که با تنظیم دقیق‌تر نسبت‌های ورودی فاضلاب به حوضچه‌های مختلف و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی، راندمان حذف فسفر را افزایش می‌دهد.
تفاوت MJHB با JHB استاندارد
تفاوت اصلی MJHB با JHB استاندارد در توزیع دقیق‌تر جریان ورودی فاضلاب و بهینه‌سازی نسبت کربن به نیتروژن (C/N) در حوضچه پیش‌آنوکسیک است. در پیکربندی MJHB:
جریان ورودی فاضلاب خام به گونه‌ای تقسیم می‌شود که حداکثر کربن آلی در اختیار فرآیند حذف فسفر قرار گیرد.
نسبت C/N بهینه در پیش‌حوضچه آنوکسیک حفظ می‌شود تا دنیتریفیکاسیون بدون رقابت با فرآیند حذف فسفر انجام شود.
نتایج شبیه‌سازی عملکرد JHB و MJHB
مطالعات شبیه‌سازی با استفاده از مدل ASM (Activated Sludge Model) نشان می‌دهد که هر دو سیستم JHB و MJHB عملکرد بسیار خوبی در حذف نیتروژن و فسفر دارند:
| پارامتر | واحد | JHB | MJHB |
|---|---|---|---|
| TP (فسفر کل) پساب | mg/l | ۱.۳۹ | ۱.۳۹ |
| P_i (فسفر معدنی) پساب | mg/l | ۰.۷۱ | ۰.۷۱ |
| راندمان حذف نیتروژن کل (BAN%) | % | ۹۰ | ۹۰ |
| راندمان حذف فسفر معدنی (BAP%) | % | ۸۵ | ۸۵ |
| محتوای TP لجن | % | ۱.۳۳ | ۱.۳۳ |
| محتوای فسفر معدنی لجن (IP) | % | ۰.۱۹ | ۰.۱۹ |
نکات کلیدی از نتایج شبیه‌سازی:
هر دو سیستم JHB و MJHB از نظر محتوای فسفر در لجن و راندمان حذف نیتروژن عملکرد یکسانی دارند.
این دو سیستم بالاترین پتانسیل بازیابی فسفر از لجن را در میان ۱۰ فناوری مختلف تصفیه فاضلاب دارا هستند.
محتوای فسفر کل (TP) در لجن تصفیه خانه‌های مجهز به JHB و MJHB حدود ۱.۳۳ درصد است که بالاترین مقدار در بین روش‌های مورد بررسی می‌باشد.
محتوای فسفر معدنی (IP) در لجن این سیستم‌ها حدود ۰.۱۹ درصد است که نشان‌دهنده سهم غالب فسفر آلی در لجن است.
مشاوره تخصصی طراحی تصفیه خانه به روش BNR (JHB، MJHB، A²O و UCT):
گروه صنعتی سورین سازه آژند شرق
05135231610 – 09157677361
آدرس دفتر مرکزی :خراسان رضوی، مشهد، بلوار شهید فلاحی، فلاحی 7، نبش بهورز 4، پلاک 62
آدرس کارگاه شرکت : مشهد- منطقه صنعتی چاهشک – باغبان 7
طراح و مجری تخصصی سیستم‌های تصفیه آب و فاضلاب در خراسان رضوی
مزایا و محدودیت‌های فرآیند JHB و MJHB
مزایا
حذف همزمان نیتروژن و فسفر:
JHB و MJHB قادر هستند هر دو گروه آلاینده را با راندمان بالا (تا ۹۰٪ برای نیتروژن و ۸۵٪ برای فسفر) حذف کنند.
پیش‌گیری از اختلال نیترات در حذف فسفر:
وجود پیش‌حوضچه آنوکسیک در مسیر برگشت لجن، باعث می‌شود نیترات موجود در لجن برگشتی حذف شود و به حوضچه بی هوازی نفوذ نکند. این ویژگی برای حذف مؤثر فسفر حیاتی است.
پتانسیل بالای بازیابی فسفر:
محتوای بالای فسفر در لجن (۱.۳۳%)، این سیستم‌ها را به گزینه‌ای عالی برای بازیابی فسفر از لجن و تبدیل آن به کودهای کشاورزی تبدیل می‌کند.
مناسب برای تصفیه فاضلاب شهری با نسبت C/N پایین:
به دلیل امکان تقسیم جریان ورودی، فرآیند JHB می‌تواند با منابع کربن محدود در فاضلاب‌های شهری با نسبت C/N پایین نیز به خوبی کار کند.
عملکرد زیست‌محیطی بهتر نسبت به A²O:
بر اساس مطالعات LCA، JHB عملکرد زیست‌محیطی بهتری نسبت به A²O دارد و انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری تولید می‌کند.
افزایش قابلیت اطمینان:
در صورت بروز مشکل در یکی از مسیرهای برگشت، سیستم همچنان می‌تواند با راندمان قابل قبول به کار خود ادامه دهد.
محدودیت‌ها
پیچیدگی طراحی و بهره‌برداری:
وجود چهار منطقه مختلف و دو مسیر برگشت، طراحی و بهره‌برداری را پیچیده‌تر از فرآیندهای ساده‌تر مانند SBR می‌کند.
نیاز به فضای بیشتر:
پیکربندی چهار مرحله‌ای JHB نسبت به فرآیندهای تک راکتوری مانند SBR به فضای بیشتری نیاز دارد.
نیاز به سیستم کنترل پیشرفته:
برای تنظیم دقیق نسبت‌های برگشت و تقسیم جریان ورودی، نیاز به سیستم کنترل هوشمند (PLC) و سنسورهای آنلاین است.
حساسیت به نسبت C/N فاضلاب ورودی:
در فاضلاب‌های با نسبت کربن به نیتروژن بسیار پایین (C/N < ۵)، ممکن است راندمان حذف نیتروژن کاهش یابد.
هزینه سرمایه‌گذاری بالاتر:
به دلیل تعداد بیشتر حوضچه‌ها و تجهیزات، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه JHB نسبت به روش‌های ساده‌تر بالاتر است.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
فرآیندهای ژوهانسبورگ (JHB) و نسخه اصلاح‌شده آن (MJHB) از روش‌های پیشرفته و مؤثر حذف بیولوژیکی مواد مغذی (BNR) هستند که قادرند همزمان کربن، نیتروژن و فسفر را با راندمان بالا از فاضلاب حذف کنند.
مهم‌ترین دستاورد این فرآیندها، پیش‌گیری از اختلال نیترات در فرآیند حذف فسفر با استفاده از پیش‌حوضچه آنوکسیک در مسیر برگشت لجن است. این ویژگی منحصر به فرد، JHB را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تصفیه فاضلاب شهری با نسبت C/N پایین تبدیل کرده است.
بر اساس مطالعات شبیه‌سازی، هر دو فرآیند JHB و MJHB عملکرد یکسانی در حذف نیتروژن (۹۰٪) و فسفر (۸۵٪) دارند و بالاترین پتانسیل را برای بازیابی فسفر از لجن (محتوای TP 1.33%) در میان فناوری‌های مختلف تصفیه فاضلاب دارا هستند.
توصیه نهایی برای انتخاب:
اگر به دنبال یک سیستم پایدار و قابل اطمینان برای حذف همزمان نیتروژن و فسفر هستید، فرآیند JHB گزینه مناسبی است.
اگر بودجه و فضای کافی دارید و به دنبال بهبود جزئی در راندمان حذف فسفر هستید، فرآیند MJHB را انتخاب کنید.
برای ظرفیت‌های کوچک (کمتر از ۵۰۰ مترمکعب در روز)، فرآیند SBR می‌تواند جایگزین مناسب‌تری باشد.
گروه صنعتی سورین سازه آژند شرق با تخصص ویژه در طراحی و ساخت تصفیه خانه‌های پیشرفته به روش BNR، آماده ارائه خدمات مشاوره و طراحی فرآیندهای JHB و MJHB برای صنایع و مجتمع‌های مشهد و خراسان رضوی می‌باشد.
