شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب و انواع آن
جریان فاضلاب از منابع آب مصرفی جوامع تولید می‌شود و معمولا رواناب حاصل از بارندگی در سطح شهر نیز به شبکه جمع‌آوری هدایت و برای تصفیه و دفع، منتقل می‌شوند. سیستم مورد استفاده برای رسیدن به این هدف، تحت عنوان یک شبکه فاضلاب‌رو یا یک سیستم جمع‌آوری فاضلاب شناخته می‌شود که شامل لوله‌های منفرد ( خطوط فاضلاب رو) و تجهیزاتی برای تسهیل جمع‌آوری و انتقال مانند سازه‌های ورودی و پمپ است. در ساخت شبکه جمع‌آوری، کارآیی ایمنی و صرفه اقتصادی معیارهای کلیدی هستند. در جمع‌آوری فاضلاب ایمنی بدان معناست که بهداشت عمومی، رفاه و حفاظت از محیط زیست دارای اولویت بالایی هستند
تقاضا برای راه حلی به سمت مدیریت آب پایدار در شهرستان‌ها یک چالش جدید است. شبکه‌های فاضلاب در طول دوره‌های مختلف، تغییرات زیادی دارند. در طول دوره‌های بدون بارندگی، نرخ جریان از رفتار جامعه تاثیر می‌پذیرد و معمولا در طول شبانه روز تغییرات یک تا ده برابر دارد.
در طول دوره‌های بارندگی و در لوله‌های فاضلابی که فاضلاب شهری و رواناب سطحی را دریافت می‌کنند ( به عنوان مثال شبکه‌های مرکب)، نرخ جریان در طول بارندگی‌های شدید معمولا افزایش 100 تا 1000 برابر در مقایسه با شرایط خشک آب و هوا دارد. در این زمینه تلاش‌های زیادی هم به صورت عملی و هم در تحقیقات علمی برای توسعه سیستم‌ها و روش‌های طراحی و بهره‌برداری از شبکه فاضلاب انجام شده است.
در 20 تا 30 سال گذشته، تلاش‌های زیادی در زمینه زهکشی جریان شبکه فاضلاب و پیدا کردن راه حلی جامع برای بهبود عملکرد تاسیسات تصفیه‌خانه و اثرات بارندگی در طول دوره‌های بارندگی انجام شده است. زهکشی شهری هم در تحقیقات علمی و هم در عمل به عنوان مهم‌‌‌ترین مسئله بوده است. به دلیل الزامات اساسی جمع‌آوری و انتقال، شبکه‌های فاضلاب از نقطه نظر فیزیکی با پدیده‌هایی مانند هیدرولیک و انتقال مواد جامد فاضلاب سر و کار دارند. از این نقطه نظر، طراحی جدید و اصول عملیاتی تا حد زیادی با روش‌های عددی و کاربرد کامپیوترها توسعه یافته‌‌‌‌اند
نحوه طراحی و بهره‌برداری از شبکه روی فرآیندهای شبکه جمع‌آوری بسیار تاثیرگذار است بنابراین هنگام طراحی شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب باید در مورد فرآیندهایی که در این شبکه‌ها رخ می‌دهد آگاهی کامل داشت. به عنوان مثال تهویه شبکه می‌تواند روی تجمع و پراکندگی مواد بودار سمی که توسط فرآیندهای بیولوژیکی تولید می‌شوند تاثیرگذار باشد.
شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب به سه دسته اصلی تقسم می‌شوند: شبکه‌های بهداشتی فاضلاب (شبکه‌های مجزا)، شبکه‌های جمع‌آوری آب باران و شبکه‌های مرکب که هر کدام از این شبکه‌ها از نقطه نظر فرآیندی دارای ویژگی‌های خاص میباشد که در ادامه به شرح این خصوصیات پرداخته می‌شود.
- شبکه‌های بهداشتی فاضلاب
این شبکه‌ها اغلب تحت عنوان شبکه‌های مجزا شناخته می‌شوند و جهت جمع‌آوری فاضلاب از مناطق مسکونی، تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. فاضلابی که در این شبکه‌ها جریان دارد، معمولا دارای غلظت نسبتا بالای مواد آلی تجزیه‌پذیر است و در نتیجه از نظر بیولوژیکی فعال میباشد. این فاضلاب از نقطه نظر فرآیندی ترکیبی از بایومس (به خصوص باکتری‌های هتروتروفیک) و مواد مغذی(سوبسترا) میباشد. این گونه شبکه‌ها در عمل ممکن است تا حدی رواناب سطحی را نیز دریافت کنند
جریان در فاضلاب‌رو مجزا ممکن است توسط نیروی ثقل(شبکه ثقلی) یا فشار(شبکه‌های تحت فشار) کنترل شود. در فاضلاب‌روهای ثقلی نیمه‌پر، انتقال اکسیژن از سطح تماس آب-هوا امکان پذیر است و امکان فعالیت باکتری‌های هتروتروفیک هوازی وجود دارد. در مقابل جریان در شبکه‌های تحت فشار کاملا به صورت پر بوده و امکان انتقال اکسیژن وجود ندارد. در این نوع فاضلاب‌روها، فرآیند غالب فرآیند بی‌هوازی است و درجه تبدیلات بیولوژیکی به مدت زمان جریان فاضلاب داخل شبکه (زمان ماند) بستگی دارد. زمان ماند فاضلاب در شبکه وابسته به اندازه حوضه آبریز و ویژگی‌های فاضلاب‌رو مانند شیب و طول است که این زمان در شبکه‌های تحت فشار، به خصوص در ساعات شبانه، نسبتا بالاست.
- شبکه‌های جمع‌آوری آب‌های سطحی
این شبکه‌ها برای جمع‌آوری و انتقال فاضلاب‌های سطحی (آب باران) که از سطوح غیر قابل نفوذ مانند خیابان‌ها، بزرگراه‌ها و پارکینگ‌ها نشات می‌گیرند، بکار برده می‌شوند. آب‌های سطحی معمولا از طریق سازه ورودی که در زهکش خیابان‌ها قرار دارد، وارد این شبکه‌ها می‌شوند. این شبکه‌ها فقط در شرایط بارندگی عمل می‌کنند و معمولا آب حاصل از بارندگی را بدون هیچ‌گونه تصفیه و یا با تصفیه جزئی به محیط پذیرنده منتقل می‌کنند. در این شبکه‌های جمع‌آوری فرآیندهای میکروبی و شیمیایی به ندرت رخ می‌دهد و تاثیر چندانی ندارد. از سوی دیگر، در سازه‌هایی مانند استخرهای نگهداری آب، به عنوان بخش‌هایی از این شبکه، فرآیندهای تصفیه شیمیایی و بیولوژیکی رخ می‌دهد.
- شبکه‌های جمع‌آوری مرکب
در این شبکه‌ها فاضلاب شهری و رواناب سطحی با هم جمع‌آوری شده و به تصفیه‌خانه منتقل می‌شوند. در طول دوره‌های خشک آب و هوا، این سیستم از لحاظ فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی، عموما مانند شبکه‌های جمع‌آوری مجزا عمل می‌کند. با این حال، طراحی این شبکه‌ها در مقایسه با شبکه‌های مجزا، به دلیل توانایی این شبکه‌ها در جمع‌آوری رواناب سطحی متفاوت است و شامل اجزایی مانند سازه‌های سرریز و حوض‌های آب میباشد که این سازه‌ها ممکن است جزییات فرآیندها را تحت تاثیر قرار دهند. علاوه بر این، فرآیندهای شبکه‌های مرکب به دلیل تغییرات منظم شرایط جریان نسبت به شبکه‌های مجزا تغییرات بیشتری دارند.
شبکه‌های جمع‌آوری مرکب ممکن است به صورت ثقلی، تحت فشار و یا اینکه به صورت ترکیبی از این دو شرایط طراحی و ساخته شوند.
خصوصیات این سه نوع شبکه در شکل زیر توضیح داده شده است. علاوه بر شبکه‌های فوق، سیستم‌های شبکه جمع‌آوری جایگزین مانند شبکه‌های تحت خلا و شبکه‌های قطر کوچک ثقلی که معمولا کوچک بوده و به صورت محلی مورد استفاده هستند نیز وجود دارد.
خصوصیات انواع مختلف شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب
- شبکه‌های جمع‌آوری جایگزین
سیستم‌های شبکه جمع‌آوری فاضلاب جایگزین، در مناطقی که اجرای شبکه‌های فاضلاب متعارف امکان‌پذیر نیست مورد استفاده قرار می‌گیرند. این شبکه‌ها از نظر اجرایی برای مکان‌هایی که پر از تپه و یا کاملا تخت هستند بسیار مناسبند، زیرا در این مکان‌ها نیاز به حفاری‌های عمیق بوده و در نتیجه‌ی آن هزینه‌های اجرایی بسیار افزایش می‌یابند. شبکه‌های جایگزین انواع مختلفی دارند که در ادامه فقط به شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی با قطر کوچک اشاره می‌شود.
- شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی با قطر کوچک
شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی با قطر کوچک یکی از سیستم‌های جایگزین برای شبکه‌های متعارف هستند که پساب حاصل از سپتیک تانک را به صورت ثقلی به تصفیه‌خانه‌ها منتقل می‌کنند. در این نوع شبکه‌ها از لوله‌های پلاستیکی با قطر کوچک‌تر استفاده می‌شود و عمق کارگذاری لوله‌ها کم‌تر از شبکه‌های ثقلی متعارف است. این شبکه‌ها برای مناطقی که‌‌‌تراکم جمعیت کم بوده، مناطق روستایی و مکان‌هایی که جمعیت فصلی دارند مناسبند.
بار آلی منتقل شونده در این شبکه‌ها به نسبت پایین‌تر از شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب متعارف است، زیرا قسمتی از مواد آلی معلق، در سپتیک تانک‌ها حذف می‌شوند. قطر متداول در این شبکه‌ها 80 میلی‌متر یا 3 اینچ است، اما حداقل قطر لوله‌ها بهتر است که 100 میلی‌متر انتخاب شود. در این سیستم‌ها نیاز به رعایت حداقل سرعت نیست زیرا ته‌نشینی مواد جزو پارامترهای طراحی آنها محسوب نمی‌شود.
- انواع روش‌های مورد استفاده جهت بررسی فرآیندهای شبکه جمع‌آوری فاضلاب
تورکیلد و همکارانش در این زمینه فعایت‌های زیادی داشته‌اند و در کتاب خود، تحت عنوان فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در شبکه‌های جمع‌آوری، نحوه صحیح انجام پژوهش‌ها را در این زمینه شرح داده‌اند. در این پژوهش از نکات کلیدی و مفاهیم اساسی این کتاب بسیار استفاده شده است. بنابراین یکی از اصلی‌ترین منابع پایان نامه را می‌توان این کتاب ذکر کرد. در ادامه به روش‌های مختلف بررسی فرآیندهای شبکه جمع‌آوری پرداخته شده است.
روش‌های مورد استفاده در مطالعات فرآیندهای شبکه جمع‌آوری فاضلاب را در حالت کلی می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:
1- آنالیزهای آزمایشگاهی در مقیاس کوچک تحت عنوان رآکتورهای آزمایشگاهی
- آنالیزهای آزمایشگاهی در رآکتورهای کوچک
رآکتورهای کوچک ممکن است فقط در بعضی موارد قادر به تعیین پارامتر خاصی باشند. این روش‌ها عموما در روش‌های استاندارد برای ارزیابی آب و فاضلاب برپا شده‌اند. مطالعات فرآیندها معمولا به صورت ناپیوسته و یا رآکتورهای پیوسته انجام می‌شوند. یکی از جنبه‌های کلی و مهم در مطالعات آزمایشگاهی این است که آنها می‌توانند تحت شرایط کنترل شده فرآیندی اجرا شوند.
رآکتورهای مورد استفاده جهت مطالعات آزمایشگاهی باید با دقت بالا ساخته شوند. علاوه بر این یک برنامه دقیق برای نمونه‌برداری، راهبری و تحلیل نیاز است. آزمایش‌هایی که در رآکتور انجام می‌شوند نیاز به برنامه‌ریزی و همچنین تجربیات عمومی برای رسیدن به هدف و موفقیت دارند. در شکل یک نمونه از رآکتور کوچک نشان داده شده که توسط رانکجر و همکارانش بکار گرفته شد. این شکل مشخص می‌کند چگونه یک آزمایش می‌تواند تحت شرایط کنترل شده عمل کند.
یک نمونه از رآکتورهای آزمایشگاهی مورد استفاده در مطالعات شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب
هدف از ساخت این رآکتور، بررسی نرخ حذف ماده مغذی (در این آزمایش استات مورد توجه بوده است) و اکسیژن محلول توسط بایوفیلم تشکیل شده در فاضلاب است. برای رسیدن به این هدف کنترل دقیقی در طول انجام آزمایش نیاز است، زیرا هم اکسیژن محلول و هم غلظت استات به عنوان فاکتورهای کاهشی مورد مطالعه قرار گرفته و هدف محاسبه نرخ حذف آنها بوده است.
- طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی
طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی نیز مانند رآکتورهای کوچک آزمایشگاهی جهت کنترل شرایط فاکتورهای متفاوتی است که هر کدام از آنها روی فرآیند مورد مطالعه تاثیرگذارند. مزیت اصلی طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی در مقایسه با رآکتورهای کوچک آزمایشگاهی این است که به سیستم واقعی نزدیک‌ترند و عیب آنها نیاز به منابع و تجهیزات آزمایشگاهی بیشتر است. راه‌‌‌‌اندازی این گونه پایلوت‌ها اغلب سخت‌تر بوده و ممکن است به مهارت‌های تجربی خاصی نیاز داشته باشند.
استفاده از پایلوت‌ها در مطالعات آزمایشگاهی معمولا در سیستم‌هایی که به صورت بازگردانی عمل می‌کنند مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل زیر نمونه یک پایلوت است که توسط تاناکا و تورکیلد جهت مطالعات شبکه‌ها بکار گرفته شده‌است.
نمونه یک پایلوت آزمایشگاهی مورد استفاده در مطالعات شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب
- مطالعات میدانی
شبکه‌های جمع‌آوری برای مطالعات جزئی فرآیندها، سیستم‌های مناسبی نیستند، زیرا در زمینه شرایط کنترل شده توانایی محدودی دارند. این مطالعات عموما برای تعیین پارامترهایی که تعیین آنها در مقیاس آزمایشگاهی به صراحت قابل اندازه‌گیری نیست به کار می‌روند. نحوه انجام این گونه تحقیقات معمولا به این صورت است که نمونه‌برداری از ایستگاه‌های بالا دست و پایین دست انجام شده و تغییرات در مسیر‌‌‌‌اندازه‌گیری می‌شود.
حجم فاضلاب را می‌توان از طریق مطالعات ردیاب به دست آورد. برای این کار معمولا از موادی مانند رودامین، رادیو‌‌‌تریسر و نمک استفاده می‌شود. بهتر است مطالعات میدانی در خطوط فاضلاب‌رو طولانی انجام شود که باعث می‌شود تفاوت‌های نسبتا بزرگی در خصوصیات فاضلاب ایجاد شود.
در نهایت باید سعی شود جهت راحت‌تر شدن برنامه نمونه‌برداری و تعیین نقاط ورودی و خروجی از فاضلاب‌روهای بدون خطوط فرعی، بدون نشتی و خطوط فرعی استفاده شود. اگرچه مدیریت مطالعات میدانی فاضلاب‌رو مشکل است و عموما از نظر علمی ایده‌آل نمی‌باشد، اما به دلایلی نیاز به نتایج آنها است، زیرا این سیتم‌ها عملکرد واقعی را نشان می‌دهند و همچنین به نتایج آنها جهت کالیبره کردن نتایج آزمایشگاهی نیاز است.
گاسپری و همکارانش جهت بررسی میزان تاثیر رواناب حاصل از بارندگی در شبکه‌های مرکب، 6 منطقه شهری را در پاریس مورد بررسی قرار دادند. آنها پارامترهایی از قبیل TSS، COD، BOD، فلزات سنگین(شامل CU و Zn)، TKN، هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای(PAHs) را مورد بررسی قرار دادند. برای رسیدن به این هدف آنها 16 مورد بارندگی را بررسی کردند. مساحت مناطق شهری مورد نظر متغیر بود و تغییرات آن از 42 تا 2581 هکتار را شامل می‌شد. تعادل جرمی در ورودی و خروجی مناطق مورد نظر نشان می‌دهد که فاضلاب منبع اصلی آلودگی ناشی از مواد آلی و نیتروژنی است، درحالیکه رواناب منبع اصلی روی است.
مقاله بالا قسمتی از “پایان نامه امکان سنجی تصفیه فاضلاب در شبکه‌های جمع‌آوری” میباشد .
