هیدرولیز، جزء ۲
۱
-۱
معادله ۶، n=2
فورنتیو همکارانش‌‌یک مدل جامع ریاضی جهت مقایسه متغیرهای کیفی در فرآیندها و پارامترهای موجود در مدل‌های شبکه‌های جمع آوری و تصفیه‌خانه‌ها ارائه دادند. این مدل جهت طراحی یکپارچه قسمت‌های مختلف در سیستم‌های فاضلاب شهری شامل شبکه‌های جمع آوری، تصفیه‌خانه‌های فاضلاب و محیط پذیرنده ارائه شد. آن‌ها قصد در نشان دادن تمایز بین مدل لجن فعال ASMs (که توسط هنز و همکارانش در سال ۱۹۸۷ و ۱۹۹۵ ارائه شده بود) و مدل‌های مورد استفاده در شبکه‌های جمع آوری فاضلاب SMs (مانند مدل MOUSE TRAP, SWMM که در سال ۱۹۹۴ ارائه شده بود) داشتند]۵۱[.
تورکیلد و همکارانش فرآیندهای بیولوژیکی و میکروبی فاضلاب را در شبکه‌های جمع آوری ثقلی مدل کردند. مدل آن‌ها اساسا تبدیلات بیولوژیکی را در شرایط هوازی بیان می‌کرد. اساس و پایه این مدل بر مبنای مدل حذف لجن فعال است که توسط هنز و همکارانش در سال ۱۹۸۷ ارائه شده است. این مدل شامل اجزای COD در بایومس، سوبسترای راحت تجزیه‌پذیر و همچنین اکسیژن محلول است، اما قادر به توصیف شرایط تعلیق مجدد مواد ته‌نشین شده، شرایط آنوکسیک، شرایط بی‌هوازی و جنبه‌های هیدرولیکی در شبکه‌های جمع آوری ثقلی نمی‌باشد]۵۲[.
گوانگ-هاو چن و همکارانش یک مدل جدید برای تشکیل بایوفیلم در شبکه‌های جمع آوری فاضلاب ارائه دادند. جهت شبیه‌سازی تبدیلات بیولوژیکی و انواع بایوفیلم تحت شرایط هوازی، بی‌هوازی و آنوکسیک در این شبکه‌ها اقدام به ارائه این مدل جدید کردند.آن‌ها گزارش دادند که این مدل بایوفیلم می‌تواند فعالیت باکتری‌های هتروتوفیک، آتروتروفیک و باکتری‌های کاهنده سولفات را توصیف کند. همچنین مدل ارائه شده توسط آن‌ها می‌تواند مشخصات این خصوصیات را در ضخامت‌های مختلف بایوفیلم نیز توصیف کند.
مدل مذکور قادر به تحلیل توزیع پروفیل فضایی باکتری‌های کاهنده سولفات و چگالی بایوفیلم نیز می‌باشد. این مدل رشد دینامیکی بایوفیلم، ارزیابی بایومس و رقابت بین اکسیداسیون مواد آلی، نیتریفیکاسیون، دینیتریفیکاسیون، اکسیداسیون سولفید در رشد بایوفیلم ناهمگون را نیز شامل می‌شود. آن‌ها جهت کالیبره کردن مدل خود تبدیلات بیولوژیکی را در یک پایلوت آزمایشگاهی بررسی کردند. در این کار آزمایشگاهی یک ترانشه مخصوص از جنس PVC را به مدت ۹۰ روز در‌‌یک شبکه جمع آوری فاضلاب به طول ۵/۱ کیلومتر قرار دادند. در این آزمایش مدل بایوفیلم، پارامترهایی مانند ضخامت لایه، میکروالکترودهای داخلی و گسترش عمودی باکتری‌های کاهنده سولفات را اندازه‌گیری کردند]۵۳[.
گوانگ‌هاو چن و همکارش همچنین در شبکه توصیف شده (طول ۵/۱ کیلومتر، شیب ۰۰۷۵/۰ و قطر داخلی ۴۵۰ میلیمتر) نرخ مصرف اکسیژن را بررسی کردند. نرخ جریان و غلظت اکسیژن محلول در جریان ورودی و خروجی نسبت به زمان متغیر بود، این در حالیست که این تغییرات با هم تناسبی نداشتند. جهت رسیدن به این منظور، DO به صورت پیوسته در ابتدا و انتهای شبکه اندازه گیری شد. غظت اکسیژن محلول در شبکه، روند کاهشی داشته و این کاهش تقریبا ۱/۳ میلی‌گرم بر لیتر بود. آن‌ها نقش فاز ته‌نشینی را در مصرف اکسیژن محلول شبکه، بیش از فاز فاضلاب گزارش دادند و دلیل آن را حضور بیشتر بایومس فعال در فاز ته‌نشینی نسبت به فاز فاضلاب بیان کردند]۵۴[.
پای و همکارانش جهت توصیف انتقال و تبدیلات ترکیبات نیتروژنی در لوله‌های شبکه جمع آوری یک مدل ریاضی ارائه دادند. جهت بررسی سازگاری بین نتایج آزمایشگاهی و مدل شبیه‌سازی ۴ دور آزمایش در یک مدل آزمایشگاهی به طول ۲۱ متر و قطر ۱۵/۰ متر انجام دادند و بیان کردند سازگاری مناسبی بین نتایج آزمایشگاهی و شبیه‌سازی وجود داشته است (ضریب همبستگی در تمام موارد بالا ۸۱/۰ بوده است). آن‌ها بیان کردند که بایوفیلم هتروتروفیک الحاقی در شبکه، نقش اساسی در تجزیه ترکیبات دارد. رشد سوبسترای راحت تجزیه‌پذیر ناشی از رشد هوازی و آنوکسیک هتروتروف‌ها بود. آمونیاک و نیتروژن آمونیاکی در زمان انجام آزمایش‌ها افزایش داشته، در حالی که غلظت نیتروژن نیتراتی و نیتریتی و همچنین غلظت نیتروژن آلی محلول کاهش داشته است. غلظت اکسیژن محلول به دلیل مصرف میکروبی روند کاهشی داشته و از طریق هوادهی اکسیژن محلول کاهش‌‌یافته تامین می‌شده است]۵۵[.
پای و همکارانش همچنین یک مدل ریاضی که بر مبنای سینتیک مدل لجن فعال بود، جهت توصیف تبدیلات بیولوژیکی و ترکیبلات نیتروژنی شامل نیترات و نیتریت، آمونیاک و آمونیوم، نیتروژن آلی تجزیه‌پذیر قابل حل در آب و ذره‌ای در شبکه‌های جمع آوری ارائه دادند. آن‌ها تاثیر عواملی چون تغییرات سرعت و غلظت‌های مختلف اکسیژن ورودی را بر نیتریفیکاسیون و دینیتریفیکاسیون بررسی کردند. نتایج نشان می‌داد که این چهار ترکیب هنگام انتقال، در معرض تغییرات هستند. با توجه به شبیه‌سازی، هنگامی که غلظت اکسیژن متغیر و سرعت جریان ثابت بود، نرخ تغییرات ترکیبات نیتروژنی به جز نیتروژن نیتراتی و نیتریتی پایین بود.]۵۶[.
نتیجه‌گیری مطالعات انجام شده
در این فصل به برخی از فعالیت‌های انجام شده در زمینه‌ی شبکه‌های جمع آوری متعارف اشاره شد. این پژوهش‌ها در شبکه‌های تحت فشار و ثقلی انجام شده بود که برخی از آن‌ها به صورت فعالیت‌های آزمایشگاهی و برخی بر مبنای مطالعات میدانی بود. این در حالی است که در زمینه شبکه‌های قطر کوچک نوین پژوهشی انجام نشده است و در منابع علمی مرجعی مبنی بر نحوه انجام فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در فاضلاب هنگام انتقال به تصفیه‌خانه وجود ندارد.
روش تحقیق
مقدمه
در این فصل ابتدا با توجه به منابع علمی ارائه شده در فصل دوم جهت انجام مطالعات آزمایشگاهی شبکه‌های جمع آوری، به انتخاب روش و شرایط مناسب جهت ساخت پایلوت پرداخته شده است. پس از آن به روابط هیدرولیکی مورد استفاده و نحوه افزایش نرخ واکنش‌های بیولوژیکی در پایلوت اشاره شده است. در ادامه فصل به مصالح مورد استفاده، ساخت و راه‌اندازی پایلوت و همچنین نحوه انجام آزمایش‌ها پرداخته شده است.
مطالعات شبکه‌های جمع آوری فاضلاب
هدف اصلی از بکارگیری روش‌های مختلف در زمینه مطالعات فرآیندهای شبکه جمع آوری فاضلاب، محاسبه پارامترهای تاثیر گذار بر نحوه عملکرد این شبکه‌ها است. در صورت انجام این مطالعات، مهندسین طراح قادر خواهند بود از نتایج به دست آمده در اموری چون برنامه‌ریزی، طراحی و بهره‌برداری از این شبکه‌ها در مدیرت شهری فاضلاب نهایت استفاده را بکار گیرند. با مشخص شدن نحوه انجام فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در فاضلاب هنگام انتقال در شبکه‌ها و عوامل موثر بر آن‌ها می‌توان راهکار مناسب جهت جلوگیری از مشکلات ناشی از این فرآیندها را اتخاذ کرد. همچنین در صورت مساعد بودن برخی از این واکنش‌ها، امکان استفاده بهینه و افزایش تاثیر این واکنش‌ها فراهم می‌آید. این مهم منوط به بکارگیری روش‌های مناسب جهت مطالعات این شبکه‌ها است.
جزییات ساخت پایلوت
انتخاب روش مناسب جهت ساخت پایلوت
همانطور که در فصل دوم اشاره شد شبکه‌های جمع آوری برای مطالعات جزئی فرآیندها، سیستم‌های مناسبی نیستند، زیرا در زمینه شرایط کنترل شده توانایی محدودی دارند. بنابراین مطالعات میدانی گزینه مناسبی جهت انتخاب روش مورد مطالعه در این پایان نامه تشخیص داده نشد. مطالعات آزمایشگاهی گزینه مناسب‌تری بوده و از آن‌جا که طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی در مقایسه با رآکتورهای کوچک آزمایشگاهی به سیستم‌های واقعی نزدیک‌ترند، در این پژوهش طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی به عنوان روش مطالعه انتخاب شد.
انتخاب شرایط حاکم بر فرآیندهای حذف در شبکه جمع آوری
شرایط هوازی از میان سایر شرایط که در فصل دوم به آن‌ها پرداخته شد مناسب‌تر بوده که علاوه بر کاهش حذف مواد آلی و تعامل مناسب با تصفیه‌خانه، مانع از فعالیت باکتری‌های بی‌هوازی و ایجاد مشکلات ناشی از آن نیز می‌شود. در این پژوهش از شرایط هوازی جهت شبیه‌سازی واکنش‌های حذف در شبکه‌ها و راهبری پایلوت استفاده شده است.
روابط هیدرولیکی مورد استفاده
رابطه پیوستگی[۹]
در اینجا نیز مانند طراحی شبکه‌های جمع آوری فاضلاب، آاآآرابطه اصلی برای محاسبه جریان لوله‌ها، همان رابطه پیوستگی است (رابطه ۳-۱).
Q= V1×A1 = V2 × A2
در رابطه فوق Q دبی فاضلاب بر حسب متر مکعب بر ثانیه، V سرعت متوسط جریان بر حسب متر بر ثانیه و A نیز سطح مقطع جریان بر حسب متر مربع است.
رابطه جریان
رابطه جریان[۱۰] رابطه ایست میان سرعت افت فشار از یک سو و ابعاد و خواص هندسی لوله از سوی دیگر. رابطه‌های جریان به دو دسته تقسیم می شوند:
دسته نخست- روابطی که پایه‌ی تئوریک داشته و با عمل مطابقت داده شده‌‌‌‌اند مانند رابطهی درسی – وایسباخ[۱۱].
دسته دوم- روابطی که تنها از راه تجربه به دست آمده‌اند، مانند رابطهی هیزن ویلیامز، مانینگ – استریکلر، شزی – کاتر، بازن، و ستون و ده‌ها رابطه دیگر. از بین این روابط تجربی، تنها رابطه مانینگ مورد استفاده قرار گرفت که در ادامه توضیح داده شده است.
