ايران كالا

صنعت تصفيه آب و فاضلاب، از صنايع زيربنايي هركشور محسوب مي شود، كه در دهه هاي اخير، توجه دولت ها را بيش از پيش به خود معطوف كرده است. به علت تنزل كيفيت عمومي منابع آب، ضرورت استفاده از سيستم هاي تصفيه پيشرفته آب و فاضلاب، دغدغه بسياري از اين كشورها (به ويژه كشورهاي در حال توسعه) مي باشد. چالش هاي زيست محيطي فراواني، در زمينه تصفيه فاضلاب، به ويژه سيستم لجن فعال وجود دارد. اين چالش ها اغلب در زمينه مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف مواد آلي فاضلاب، توليد و دفع لجن مازاد مي باشد. بزرگ ترين عيب سيستم هاي تصفيه فاضلاب، بعد از توليد بو، توليد لجن مازاد مي باشد. دفع اين لجن مستلزم صرف هزينه زياد خواهد بود. در اين مطالعه با معرفي دو مدل، به بهينه سازي فرايند لجن فعال خواهيم پرداخت. در مدل اول،هدف،كمينه كردن مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف مواد آلي فاضلاب وكاهش لجن توليدي مي باشد. بهينه سازي مدل با استفاده از روش بهينه سازي هوك جيوز انجام شده است. با مقادير بهينه اين متغيرها، يك سيستم لجن فعال با بهترين كارآيي وكمترين مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف BOD5 و كمترين سرعت توليد لجن، طراحي خواهد شد. مدل دوم، مدل زيست محيطي،بر پايه معادلات مونود و تئوري تعادل توده ها استوار مي باشد. در مدل زيست محيطي، مينيمم حجم حوضچه هوادهي، تابع هدف مسئله مي باشد. براساس مقدار فاضلاب و خصوصيات ميكروبيول ها، حجم حوضچه هوادهي در اين مدل، به عنوان يك پارامتر قاطع براي طراحي سيستم هاي تصفيه فاضلاب، كه تاثير ويژه اي روي زمان ماند و مقدار فاضلاب برگشتي دارد، معرفي شده است. در نهايت، ارزيابي نتايج نشان مي دهد، كه مدلزيست محيطي يك مدل خوب براي پيش بيني عملكرد صحيح سيستم تصفيه لجن فعال و بهينه سازي اين سيستم مي باشد.

واژه هاي كليدي: فرآيند لجن فعال، لجن مازاد، هوك جيوز، مدل زيست محيطي، حجم حوضچه هوادهي.

فهرست مطالب

فصل اول: كلياتي درباره تغيير و تحول در طرز جمع آوري و تصفيه فاضلاب

1-1- مقدمه 2

1-2- تاريخچه مختصري درباره تغيير و تحول در طرز جمع آوري و تصفيه فاضلاب 2

1-3- هدف از تصفيه فاضلاب 4

1-4- انواع و خواص فاضلاب 6

1-4-1- فاضلاب خانگي 6

1-4-2- فاضلاب صنعتي 8

1-4-3- فاضلاب سطحي 8

1-5- تصفيه فاضلاب 9

1-5-1- تصفيه فاضلاب در مجاورت باكتري هاي هوازي 9

1-5-2- تصفيه و تجزيه فاضلاب در مجاورت باكتري هاي غير هوازي 9

1-6- لزوم آزمايش فاضلاب 13

1-7- آزمايش تحليلي فاضلاب 13

1-7-1- آزمايشات فيزيكي 13

1-7-2- مطالعات بهداشتي 13

1-7-3- آزمايشات شيميايي 13

1-8- معيار شدت آلودگي 14

1-9- تعيين مقدار بي- او- دي (BOD) 15

1-10- درجهآلودگي فاضلاب هاي خانگي در شهر هاي ايران 15

فصل دوم: واحد هايي بكارگيري در تصفيه خانه فاضلاب

2-1- مقدمه 17

2-2- هدف تصفيه مقدماتي 17

2-3- تصفيه مقدماتي فاضلاب 18

2-4- آشغال گيري و آشغالگيرها 18

2-4-1- آشغالگيرهاي دستي 19

2-4-2- آشغالگيرهاي مكانيكي 20

2-4-3- بازده آشغالگيرها 22

2-4-4- دفع آشغال 22

2-5- آشغال خردكن ها 23

2-5-1- انواع آشغال خردكن و طرز كار با آنها 23

2-6- حوض هاي دانه گير 26

2-6-1- تعريف دانه 26

2-6-2- اهداف احداث حوض هاي دانه گيري 26

2-6-3- تثبيت سرعت جريان 27

2-6-4- دفع مواد دانه اي 27

2-7- ته نشيني 27

2-7-1- ته نشيني ساده 28

2-7-2- ته نشيني شيميايي 29

2-8- حوض هاي ته نشيني 29

2-9- انواع حوض هاي ته نشيني 29

2-9-1- حوض هاي ته نشيني نخستين 30

2-9-2- حوض هاي ته نشيني نهائي 30

2-10- كلر زني 31

2-11- حوض كلر زني 31

2-12- تصفيه و دفع لجن 32

2-13- هضم لجن 33

2-14- مخازن هاضم 33

2-15- حوض تغليظ لجن 34

2-16- دفع لجن هضم شده 34

2-17- بسترهاي لجن خشك كن 34

2-18- انتخاب محل تصفيه خانه 35

فصل سوم: انواع فرايندهاي تصفيه زيستي فاضلاب

3-1- مقدمه 37

3-2- پخش فاضلاب در زمينهاي زراعي 37

3-3- صافيهاي ماسه اي متناوب 37

3-3-1- بازده صافيهاي ماسه اي متناوب 38

3-4- بركه هاي تصفيه فاضلاب 38

3-5- صافيهاي چكنده 39

3-5-1- تصفيه فاضلاب در صافيهاي چكنده 39

3-5-2- معايب و محاسن صافيهاي چكنده 39

3-6- تصفيه زيستي فاضلاب با كمك لجن فعال شده 41

3-6-1- لجن فعال شده 41

3-6-2- تصفيه فاضلاب با كمك لجن فعال شده 41

3-6-3- مايع مخلوط 41

3-6-4- حوض هوارساني 42

3-6-5- مشخصات ظاهري لجن فعال شده 42

3-7- حوض هاي هوارساني 42

3-7-1- هوارساني به فاضلاب و طرق مختلف آن 42

3-8- مكانيسم هاي اساسي فرايند لجن فعال 42

3-9- وظايف اصلي فرايند لجن فعال 44

3-10- اهميت بهينه سازي فرايند لجن فعال 44

3-11- مروري بر تحقيقات گذشته 44

فصل چهارم:بهينه سازي

4-1- مقدمه 47

4-2- رابطه سازي طرح بهينه 47

4-3- تاريخچه بهينه سازي 49

4-4- تابع هدف 49

4-5- روش بهينه سازي هوك جيوز 50

4-5-1- الگوريتم هوك جيوز 50

4-5-2- محاسبات عددي روش بهينه سازي هوك جيوز 51

فصل پنجم: معرفي مدل ها جهت بهينه سازي تصفيه خانه لجن فعال

5-1- فرايند هاي رشد معلق 58

5-2- اصول و قواعد كلي سيستم هاي رشد معلق 58

5-3- محاسبات عددي 62

5-4- معرفي مدل 63

5-4-1- حل مدل با روش هوك جيوز 65

5-4-2- ورودي هاي برنامه 65

5-4-3- برنامه روش هوك- جيوز به زبان فرترن 65

5-4- 4- خروجي هاي برنامه 65

5-4-5- نتايج و محاسبات 65

5-5- بهينه سازي فرايند لجن فعال بر پايه مدل زيست محيطي 71

5-5-1- معادلات حاكم بر فرايند لجن فعال 72

5-5-2- مواد و روش ها 75

5-5-3- معادلات رياضي مدل زيست محيطي 76

5-5-4- چگونگي محاسبات بهينه سازي مدل زيست محيطي 83

5-5-5- برنامه مدل EBM به زبان فرترن 79

5-5-6- نتايج و محاسبات 79

5-5-7- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع 80

5-6- بحث و نتيجه گيري 83

منابع 85

پيوست 88

فهرست جداول

جدول 4-1- ارزيابي نقاط اطراف نقطه B جهت مينيمم كردن تابع 53

جدول 4-2- درون يابي نقاط اطراف نقطه B جهت مينيمم كردن تابع 55

جدول 4-3- محاسبه مقدار نهايي F(B) با كاهش سايز h 56

جدول 5-1- مقادير، ، و در سيستم لجن فعال، با اختلاط كامل در دماي تقريبي

61

جدول 5-2- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(Steel and McGhee, 1960) 66

جدول 5-3- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(1)(Viessman and Hammer, 1993)

68

جدول 5-4- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(2)(Viessman and Hammer, 1993)

69

جدول5-5- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(3)(Viessman and Hammer, 1993)

70

جدول 5-6- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(4)(Viessman and Hammer, 1993)

71

جدول5-7- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(lee and Lin.,1999) 80

جدول 5-8- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع) (Woodard.,200181

جدول 5-9- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع) (Qin.,198982

فهرست شكل ها

شكل1-1- دوره بي انتهاي در تجزيه هوازي مواد ازت دار، كربن دار و گوگرد دار در طبيعت 11

شكل1-2- دوره بي انتهاي در تجزيه غير هوازي مواد ازت دار، كربن دار و گوگرد دار در طبيعت 12

شكل2-1- نحوه قرار گيري آشغالگير دستي 19

شكل 2-2- آشغالگير دستي(ديد كناري) 20

شكل 2-3- آشغالگير مكانيكي ساده 21

شكل2-4- آشغالگير ميله اي مكانيكي كوچك در حين بهره برداري 21

شكل2-5- آشغالگير ميله اي مكانيكي در حين بهره برداري در تصفيه خانه هاي با فاضلابروهاي ورودي عميق 22

شكل2-6- آشغال خرد كن قبل از نصب 24

شكل2-7- آشغال خردكن در حين بهره برداري 24

شكل2-8- آشغال خردكن در حين بهره برداري(نوع آلماني) 25

شكل 2-9- آشغال خردكن(نوع آلماني) قبل از بهره برداري 25

شكل 2-10- حوض دانه گيري، مجهز به دانه روب مكانيكي 27

شكل2-11- حوض ته نشيني اولِيه 28

شكل2-12- حوض ته نشيني ثانويه 28

شكل2-13- شماي يك حوض كلرزني 32

شكل2-14- نمايي از مخازن هاضم 33

شكل2-15- مخازن هاضم مجهز به ادوات بهمزن مكانيكي 33

شكل3-1- منظره عمومي بركه هاي تصفيه فاضلاب 38

شكل3-2- منظره عمومي تصفيه خانه فاضلاب با صافيهاي چكنده 40

شكل3-3- صافي هاي چكنده با پخشان هاي دوار و پخش فاضلاب روي بستر خرده سنگي 41

شكل 5-1- عملكرد سيستم فرايند لجن فعال با اختلاط كامل 59

فهرست شكل ها و نمودارها

شكل 5-2- سيستم لجن فعال با اختلاط كامل با چرخه مواد جامد(Completely Mixed Biological Reactor With Solids Recycle) 60

شكل 5-3- چگونگي جريان فاضلاب در سيستم لجن فعال با تعريف پارامترهاي مربوطه 75

نمودار 5-1- نسبت به 67

نمودار 5-2- نسبت به 67

نمودار 5-3- نسبت به 67

صنعت تصفيه آب و فاضلاب، از صنايع زيربنايي هركشور محسوب مي شود، كه در دهه هاي اخير، توجه دولت ها را بيش از پيش به خود معطوف كرده است. به علت تنزل كيفيت عمومي منابع آب، ضرورت استفاده از سيستم هاي تصفيه پيشرفته آب و فاضلاب، دغدغه بسياري از اين كشورها (به ويژه كشورهاي در حال توسعه) مي باشد. چالش هاي زيست محيطي فراواني، در زمينه تصفيه فاضلاب، به ويژه سيستم لجن فعال وجود دارد. اين چالش ها اغلب در زمينه مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف مواد آلي فاضلاب، توليد و دفع لجن مازاد مي باشد. بزرگ ترين عيب سيستم هاي تصفيه فاضلاب، بعد از توليد بو، توليد لجن مازاد مي باشد. دفع اين لجن مستلزم صرف هزينه زياد خواهد بود. در اين مطالعه با معرفي دو مدل، به بهينه سازي فرايند لجن فعال خواهيم پرداخت. در مدل اول،هدف،كمينه كردن مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف مواد آلي فاضلاب وكاهش لجن توليدي مي باشد. بهينه سازي مدل با استفاده از روش بهينه سازي هوك جيوز انجام شده است. با مقادير بهينه اين متغيرها، يك سيستم لجن فعال با بهترين كارآيي وكمترين مقدار حجم هواي مورد نياز جهت حذف BOD5 و كمترين سرعت توليد لجن، طراحي خواهد شد. مدل دوم، مدل زيست محيطي،بر پايه معادلات مونود و تئوري تعادل توده ها استوار مي باشد. در مدل زيست محيطي، مينيمم حجم حوضچه هوادهي، تابع هدف مسئله مي باشد. براساس مقدار فاضلاب و خصوصيات ميكروبيول ها، حجم حوضچه هوادهي در اين مدل، به عنوان يك پارامتر قاطع براي طراحي سيستم هاي تصفيه فاضلاب، كه تاثير ويژه اي روي زمان ماند و مقدار فاضلاب برگشتي دارد، معرفي شده است. در نهايت، ارزيابي نتايج نشان مي دهد، كه مدلزيست محيطي يك مدل خوب براي پيش بيني عملكرد صحيح سيستم تصفيه لجن فعال و بهينه سازي اين سيستم مي باشد.

واژه هاي كليدي: فرآيند لجن فعال، لجن مازاد، هوك جيوز، مدل زيست محيطي، حجم حوضچه هوادهي.

فهرست مطالب

فصل اول: كلياتي درباره تغيير و تحول در طرز جمع آوري و تصفيه فاضلاب

1-1- مقدمه 2

1-2- تاريخچه مختصري درباره تغيير و تحول در طرز جمع آوري و تصفيه فاضلاب 2

1-3- هدف از تصفيه فاضلاب 4

1-4- انواع و خواص فاضلاب 6

1-4-1- فاضلاب خانگي 6

1-4-2- فاضلاب صنعتي 8

1-4-3- فاضلاب سطحي 8

1-5- تصفيه فاضلاب 9

1-5-1- تصفيه فاضلاب در مجاورت باكتري هاي هوازي 9

1-5-2- تصفيه و تجزيه فاضلاب در مجاورت باكتري هاي غير هوازي 9

1-6- لزوم آزمايش فاضلاب 13

1-7- آزمايش تحليلي فاضلاب 13

1-7-1- آزمايشات فيزيكي 13

1-7-2- مطالعات بهداشتي 13

1-7-3- آزمايشات شيميايي 13

1-8- معيار شدت آلودگي 14

1-9- تعيين مقدار بي- او- دي (BOD) 15

1-10- درجهآلودگي فاضلاب هاي خانگي در شهر هاي ايران 15

فصل دوم: واحد هايي بكارگيري در تصفيه خانه فاضلاب

2-1- مقدمه 17

2-2- هدف تصفيه مقدماتي 17

2-3- تصفيه مقدماتي فاضلاب 18

2-4- آشغال گيري و آشغالگيرها 18

2-4-1- آشغالگيرهاي دستي 19

2-4-2- آشغالگيرهاي مكانيكي 20

2-4-3- بازده آشغالگيرها 22

2-4-4- دفع آشغال 22

2-5- آشغال خردكن ها 23

2-5-1- انواع آشغال خردكن و طرز كار با آنها 23

2-6- حوض هاي دانه گير 26

2-6-1- تعريف دانه 26

2-6-2- اهداف احداث حوض هاي دانه گيري 26

2-6-3- تثبيت سرعت جريان 27

2-6-4- دفع مواد دانه اي 27

2-7- ته نشيني 27

2-7-1- ته نشيني ساده 28

2-7-2- ته نشيني شيميايي 29

2-8- حوض هاي ته نشيني 29

2-9- انواع حوض هاي ته نشيني 29

2-9-1- حوض هاي ته نشيني نخستين 30

2-9-2- حوض هاي ته نشيني نهائي 30

2-10- كلر زني 31

2-11- حوض كلر زني 31

2-12- تصفيه و دفع لجن 32

2-13- هضم لجن 33

2-14- مخازن هاضم 33

2-15- حوض تغليظ لجن 34

2-16- دفع لجن هضم شده 34

2-17- بسترهاي لجن خشك كن 34

2-18- انتخاب محل تصفيه خانه 35

فصل سوم: انواع فرايندهاي تصفيه زيستي فاضلاب

3-1- مقدمه 37

3-2- پخش فاضلاب در زمينهاي زراعي 37

3-3- صافيهاي ماسه اي متناوب 37

3-3-1- بازده صافيهاي ماسه اي متناوب 38

3-4- بركه هاي تصفيه فاضلاب 38

3-5- صافيهاي چكنده 39

3-5-1- تصفيه فاضلاب در صافيهاي چكنده 39

3-5-2- معايب و محاسن صافيهاي چكنده 39

3-6- تصفيه زيستي فاضلاب با كمك لجن فعال شده 41

3-6-1- لجن فعال شده 41

3-6-2- تصفيه فاضلاب با كمك لجن فعال شده 41

3-6-3- مايع مخلوط 41

3-6-4- حوض هوارساني 42

3-6-5- مشخصات ظاهري لجن فعال شده 42

3-7- حوض هاي هوارساني 42

3-7-1- هوارساني به فاضلاب و طرق مختلف آن 42

3-8- مكانيسم هاي اساسي فرايند لجن فعال 42

3-9- وظايف اصلي فرايند لجن فعال 44

3-10- اهميت بهينه سازي فرايند لجن فعال 44

3-11- مروري بر تحقيقات گذشته 44

فصل چهارم:بهينه سازي

4-1- مقدمه 47

4-2- رابطه سازي طرح بهينه 47

4-3- تاريخچه بهينه سازي 49

4-4- تابع هدف 49

4-5- روش بهينه سازي هوك جيوز 50

4-5-1- الگوريتم هوك جيوز 50

4-5-2- محاسبات عددي روش بهينه سازي هوك جيوز 51

فصل پنجم: معرفي مدل ها جهت بهينه سازي تصفيه خانه لجن فعال

5-1- فرايند هاي رشد معلق 58

5-2- اصول و قواعد كلي سيستم هاي رشد معلق 58

5-3- محاسبات عددي 62

5-4- معرفي مدل 63

5-4-1- حل مدل با روش هوك جيوز 65

5-4-2- ورودي هاي برنامه 65

5-4-3- برنامه روش هوك- جيوز به زبان فرترن 65

5-4- 4- خروجي هاي برنامه 65

5-4-5- نتايج و محاسبات 65

5-5- بهينه سازي فرايند لجن فعال بر پايه مدل زيست محيطي 71

5-5-1- معادلات حاكم بر فرايند لجن فعال 72

5-5-2- مواد و روش ها 75

5-5-3- معادلات رياضي مدل زيست محيطي 76

5-5-4- چگونگي محاسبات بهينه سازي مدل زيست محيطي 83

5-5-5- برنامه مدل EBM به زبان فرترن 79

5-5-6- نتايج و محاسبات 79

5-5-7- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع 80

5-6- بحث و نتيجه گيري 83

منابع 85

پيوست 88

فهرست جداول

جدول 4-1- ارزيابي نقاط اطراف نقطه B جهت مينيمم كردن تابع 53

جدول 4-2- درون يابي نقاط اطراف نقطه B جهت مينيمم كردن تابع 55

جدول 4-3- محاسبه مقدار نهايي F(B) با كاهش سايز h 56

جدول 5-1- مقادير، ، و در سيستم لجن فعال، با اختلاط كامل در دماي تقريبي

61

جدول 5-2- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(Steel and McGhee, 1960) 66

جدول 5-3- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(1)(Viessman and Hammer, 1993)

68

جدول 5-4- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(2)(Viessman and Hammer, 1993)

69

جدول5-5- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(3)(Viessman and Hammer, 1993)

70

جدول 5-6- مقايسه بين نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(4)(Viessman and Hammer, 1993)

71

جدول5-7- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع(lee and Lin.,1999) 80

جدول 5-8- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع) (Woodard.,200181

جدول 5-9- مقايسه نتايج محاسباتي با داده هاي مرجع) (Qin.,198982

فهرست شكل ها

شكل1-1- دوره بي انتهاي در تجزيه هوازي مواد ازت دار، كربن دار و گوگرد دار در طبيعت 11

شكل1-2- دوره بي انتهاي در تجزيه غير هوازي مواد ازت دار، كربن دار و گوگرد دار در طبيعت 12

شكل2-1- نحوه قرار گيري آشغالگير دستي 19

شكل 2-2- آشغالگير دستي(ديد كناري) 20

شكل 2-3- آشغالگير مكانيكي ساده 21

شكل2-4- آشغالگير ميله اي مكانيكي كوچك در حين بهره برداري 21

شكل2-5- آشغالگير ميله اي مكانيكي در حين بهره برداري در تصفيه خانه هاي با فاضلابروهاي ورودي عميق 22

شكل2-6- آشغال خرد كن قبل از نصب 24

شكل2-7- آشغال خردكن در حين بهره برداري 24

شكل2-8- آشغال خردكن در حين بهره برداري(نوع آلماني) 25

شكل 2-9- آشغال خردكن(نوع آلماني) قبل از بهره برداري 25

شكل 2-10- حوض دانه گيري، مجهز به دانه روب مكانيكي 27

شكل2-11- حوض ته نشيني اولِيه 28

شكل2-12- حوض ته نشيني ثانويه 28

شكل2-13- شماي يك حوض كلرزني 32

شكل2-14- نمايي از مخازن هاضم 33

شكل2-15- مخازن هاضم مجهز به ادوات بهمزن مكانيكي 33

شكل3-1- منظره عمومي بركه هاي تصفيه فاضلاب 38

شكل3-2- منظره عمومي تصفيه خانه فاضلاب با صافيهاي چكنده 40

شكل3-3- صافي هاي چكنده با پخشان هاي دوار و پخش فاضلاب روي بستر خرده سنگي 41

شكل 5-1- عملكرد سيستم فرايند لجن فعال با اختلاط كامل 59

فهرست شكل ها و نمودارها

شكل 5-2- سيستم لجن فعال با اختلاط كامل با چرخه مواد جامد(Completely Mixed Biological Reactor With Solids Recycle) 60

شكل 5-3- چگونگي جريان فاضلاب در سيستم لجن فعال با تعريف پارامترهاي مربوطه 75

نمودار 5-1- نسبت به 67

نمودار 5-2- نسبت به 67

نمودار 5-3- نسبت به 67