چکيده

در این تحقیق تاثیر واکنش‌های بیولوژیکی در حذف مواد آلی فاضلاب هنگام انتقال از منابع تولید به تصفیه‌خانه در شبکه‌های متعارف و شبکه‌های قطر کوچک نوین بررسی شد. برای این منظور یک قسمت از این شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب طراحی و ساخته شد. لوله‌های مورد استفاده از جنس PVC بوده و طول لوله‌ها در مجموع به 15 متر می‌رسید. همچنین قطر لوله‌های مورد استفاده 1/0 متر بود که به صورت ثقلی طراحی شد. جهت ایجاد سطحی مناسب برای الحاق میکروارگانیسم‌ها، توری پلاستیکی به عنوان واسطه به سطوح داخلی لوله چسبانده شد. سطح تماس فاضلاب با توری‌ها، در حالتی که لوله‌ها پر بودند، 77/3 متر مربع بود. جهت انجام آزمایشات مربوط به میزان حذف مواد آلی از فاضلاب مصنوعی با شدت آلودگی مشابه با فاضلاب شهری استفاده شد.

 مدل ساخته شده تحت شرایط هوازی راهبری شد و تغییرات دمای فاضلاب در محدوده‌ی 320 بود. پس ازگذشت سه هفته از زمان شروع راه‌اندازی، آزمایشات مربوط به میزان حذف مواد آلی شامل BOD، COD، TN و NH3-N و NO3-N انجام شد. سطح بایوفیلم ایجاد شده نامنظم و ضخامت میانگین آن بین 7/4-3 میلی‌متر بود. چگالی سطحی بایوفیلم تشکیل شده بین 1/33-3/22 گرم بایومس بر متر مربع (وزن خشک) بود. نرخ مصرف اکسیژن پس از گذشت 3 هفته تقریبا به 21/0 میلی‌گرم بر لیتر بر دقیقه رسید.

 بالاترین میزان کاهش در غلظت COD با کاهش 77 درصدی بود. همچنین بالاترین نرخ حذف BOD5، 73 درصد بود. به دلیل بالا بودن غلظت COD و کوتاه بودن زمان ماند، فرآیند نیتریفیکاسیون شکل نگرفت و تغییرات غلظت ‌‌‌ترکیبات نیتروژنی ناچیز بود.

نتایج حاکی از آن است که در صورت مهیا بودن شرایط، نرخ واکنش‌های بیولوژیکی در شبکه‌های جمع‌آوری نسبتا بالا بوده و با برنامه‌ریزی صحیح می‌توان از این پتانسیل استفاده بهینه کرد. در مناطق دوردست و کوهستانی که به دلیل مشکلات اجرایی، ساخت ‌تصفیه‌خانه با مشکلاتی مواجه است و همچنین در مناطقی که به دلیل کمبود سرمایه، امکان احداث ‌تصفیه‌خانه وجود ندارد، می‌توان با این رویکرد تا حدی زیادی از ورود آلودگی به محیط زیست جلوگیری کرد.

واژه‌های کلیدی

 واکنش‌های بیولوژیکی، شبکه جمع‌آوری، فاضلاب، میکروارگانیسم، بایوفیلم

فهرست مطالب

فصل 1 1

مقدمه 1

1-1 مقدمه 2

1-2 اهمیت تحقیق 2

1-3 ضرورت تحقیق 4

1-4 فرضیات تحقیق 5

1-5 اهداف تحقیق 6

1-6 ساختار پایان نامه 6

فصل 2: مروري بر منابع 8

2-1 مقدمه 9

2-2 تاریخچه‌ و اهمیت تصفیه فاضلاب 9

2-3 اهمیت جمع‌آوری فاضلاب 10

2-4 شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 10

2-4-1 تاریخچه احداث 10

2-5 انواع فاضلاب 12

2-5-1 فاضلاب خانگی 12

2-5-2 فاضلاب صنعتی 12

2-5-3 فاضلاب‌های سطحی 13

2-6 شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب و انواع آن 13

2-6-1 شبکه‌های بهداشتی فاضلاب 14

2-6-2 شبکه‌های جمع‌آوری آب‌های سطحی 15

2-6-3 شبکه‌های جمع‌آوری مرکب 15

2-6-4 شبکه‌های جمع‌آوری جایگزین 16

2-6-4-1 شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی با قطر کوچک 16

2-6-5 انواع روش‌های مورد استفاده جهت بررسی فرآیندهای شبکه جمع‌آوری فاضلاب 17

2-6-5-1 آنالیزهای آزمایشگاهی در رآکتورهای کوچک 17

2-6-5-2 طرح‌های پایلوتی آزمایشگاهی 19

2-6-5-3 مطالعات میدانی 19

2-7 تغییرات کیفی فاضلاب هنگام انتقال 20

2-7-1 تصفیه فاضلاب در مجاورت باکتری‌های هوازی 21

2-7-1-2 انواع واکنش‌های شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی تحت شرایط هوازی 21

2-7-2 تجزیه مواد آلی فاضلاب تحت شرایط بی‌هوازی 22

2-7-2-1 نحوه تشکیل گاز H2S در فاضلاب 22

2-7-2-2 عوامل موثر در تولید گاز هیدروژن سولفید 23

2-7-3 جلوگیری از انتشار شرایط بی‌هوازی در شبکه‌های متعارف جمع‌آوری فاضلاب 25

2-7-4 تاثیر اکسیژن در کنترل شرایط بی‌هوازی 25

2-8 تاثیر نیترات در کنترل شرایط بی‌هوازی 26

2-9 ویژگی‌های شبکه جمع‌آوری موثر بر تبديلات بيولوژيکی 27

2-10 عوامل موثر بر نرخ تصفیه فاضلاب در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 30

2-10-1 نسبت F/M 30

2-10-2 زمان ماند هیدرولیکی 31

2-10-3 قطر شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 31

2-11 استفاده از شبکه‌های جمع‌آوری به عنوان تاسیسات پیش تصفیه 31

2-12 روش‌های ارزیابی تغییرات کیفیت فاضلاب هنگام انتقال در شبکه‌های جمع‌آوری 33

2-12-1 حذف COD،   BODوDOC  در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 34

2-12-2 حذف ذرات معلق و مواد آلی محلول در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 38

2-12-3 حذف اکسیژن محلول در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 40

2-12-4 حذف نیترات در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 40

2-13 الحاق بایوفیلم به جداره‌ی داخلی فاضلاب‌روها 42

2-14 مدل‌های حذف در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 44

2-14-2 انتقال هوا 44

2-14-3 رشد بایومس هتروتروفیک 45

2-14-3-1 رشد بایومس معلق 45

2-14-3-2 انرژی مورد نیاز جهت نگهداری بایومس معلق 45

2-14-3-3 رشد بایوفیلم 46

2-14-4 هیدرولیز 46

2-14-4-2 ماتریس واکنش‌ها 47

2-15 نتيجه‌گيري مطالعات انجام شده 49

فصل 3: روش تحقيق 50

3-1 مقدمه 51

3-2 مطالعات شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 51

3-3 جزییات ساخت پایلوت 51

3-3-1 انتخاب روش مناسب جهت ساخت پایلوت 51

3-3-2 انتخاب شرایط حاکم بر فرآیندهای حذف در شبکه جمع‌آوری 52

3-4 روابط هیدرولیکی مورد استفاده 52

3-4-1 رابطه پیوستگی 52

3-4-2 رابطه جریان 53

3-4-2-1 رابطه تجربی مانینگ-استریکلر 53

3-5 شبیه ‌سازی شبکه‌های متعارف جمع‌آوری فاضلاب و  قطر کوچک 54

3-5-1 چگونگی افزایش MLSS درپایلوت 54

3-6 ساخت پایلوت آزمایشگاهی 55

3-6-2 انتخاب مصالح 56

3-6-2-1 قطر و نوع لوله‌ها 56

3-6-2-2 پمپ‌ها 58

3-6-2-3 دیفیوزر 60

3-6-2-4 مخازن نگهداری 61

3-6-2-5 سطح شیبدار 61

3-6-2-6 توری‌ها 62

3-6-2-7 فاضلاب مصنوعی 63

3-6-2-8 لجن فعال 64

3-7 ساخت پایلوت آزمایشگاهی 64

3-8 راه‌اندازی پایلوت آزمایشگاهی 65

3-8-1 محاسبه دبی جریان 66

3-8-2 اندازه‌گیری رشد بایوفیلم 66

3-8-3 میزان فعالیت بایوفیلم 67

3-9 آزمایش‌ها 67

3-9-1 مواد معلق 67

3-9-1-1 تعیین کل جامدات معلق خشک شده در 103 تا  105 درجه سانتی‌گراد 68

3-9-2 تعیین کل جامدات محلول خشک شده در  180 درجه سانتی‌گراد 69

3-9-2-1 دستگاه‌ها و وسایل 70

3-9-2-2 روش انجام آزمایش 70

3-9-3 تعیین جامدات ثابت و فرار سوزانده شده در دمای 550 درجه سانتی‌گراد 71

3-9-3-1 دستگاه‌ها 71

3-9-3-2 روش انجام آزمایش 71

3-9-4 آزمایش‌های مربوط به حذف مواد آلی فاضلاب 72

3-9-4-1 آزمایش BOD5 72

3-9-4-2 آزمایش COD 72

3-9-4-3 اندازه‌گیری COD به روش تیتراسیون 73

3-9-4-4 اندازه‌گیری COD به روش اسپکتوفتومتری 74

3-9-4-5 آزمایش ‌‌‌‌اندازه‌گیری اکسیژن محلول 75

3-9-4-6 اندازه گيري نيتروژن آمونياكي 75

3-9-4-7 اندازه گيري نيتروژن نيترات 75

3-9-4-8 اندازه‌گیری دمای فاضلاب 76

3-9-4-9 اندازه گیری PH 76

فصل 4: نتايج و تفسير آنها 77

4-1 مقدمه 78

4-2 عملکرد توری‌ها جهت رشد الحاقی 78

4-3 بررسی تاثیر بالا بردن زبری در سرعت جریان 79

4-3-1 زبری جریان در حالت اولیه(قبل از الحاق توری) 79

4-3-2 زبری لوله‌ها پس از الحاق توری 80

4-4 تشکیل بایوفیلم بر روی پلاستیک مشبک 80

4-4-1 اندازه‌گیری ضخامت بایوفیلم تشکیل شده 80

4-4-2 ساختار بایوفیلم تشکیل شده 82

4-5 نرخ مصرف اکسیژن 83

4-6 حذف مواد آلی 84

4-6-1تغییرات غلظت COD 84

4-6-1-1 آزمایش COD پس از گذشت ‌‌یک هفته از زمان شروع 84

4-6-1-2 آزمایش COD پس از گذشت دو هفته از زمان شروع 85

4-6-1-3 آزمایش COD پس از گذشت سه هفته از زمان شروع 85

4-6-2 تغییرات غلظت BOD5 طی دوره ‌بهره‌برداری از پایلوت 87

4-6-2-1 تغییرات BOD5 در سرعت 15/0 و 25/0 متر بر ثانیه 87

4-6-3 آزمایش BOD5 و COD در سرعت 75/0 بر ثانیه 88

4-6-4 حذف‌‌‌ترکیبات نیتروژنی 89

4-6-4-2 نیتروژن کل 91

4-6-4-3 غلظت N-NH3 و N-NO3 91

4-6-4-4 مواد معلق 92

فصل 5 94

جمع‌بندي و پيشنهادها 94

فصل 5: 95

5-1 نتیجه‌گیری 95

5-1-1 پيشنهادات 96

مراجع 97

فهرست شکل‌ها

شکل (2-1) خصوصیات انواع مختلف شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 16

شکل (2-2) یک نمونه از رآکتورهای آزمایشگاهی مورد استفاده در مطالعات شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 18

شکل (2-3) نمونه‌‌یک پایلوت آزمایشگاهی مورد استفاده در مطالعات شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 19

شکل (2-4) فرآیندهای غالب در شبکه‌های جمع‌آوری تحت شرایط هوازی 21

شکل (2-5) روند تشکیل گاز H2S در شبکه جمع‌آوری فاضلاب 23

شکل (2-6) تاثیر PH بر گونه‌های مختلف سولفید 24

شکل (2-7) جریان فاضلاب و زیر سیستم‌های مربوط به شبکه جمع‌آوری فاضلاب 28

شکل (2-8) خطوط سیر کلی مواد آلی فاضلاب در شبکه‌های جمع‌آوری 34

شکل (2-9) انواع الکترون پذیرنده خارجی تعیین کننده شرایط واکنش 35

شکل (2-10) واکنش‌های معمول در مسیر انتقال فاضلاب در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 39

شکل (3-1) شماتیک طرح نهایی پایلوت 56

شکل (3-2) لوله‌های مورد استفاده در پایلوت 57

شکل (3-3) پمپ لجن کش مورد استفاده جهت بازچرخانی جریان 58

شکل (3-4) پمپ هواده مورد استفاده 59

شکل (3-5) دیفیوزر مورد استفاده در مخزن بالا دست 60

شکل (3-6) توری‌های مورد استفاده 62

شکل (3-7) حوض هوادهی تصفیه‌خانه لجن فعال شهرک ‌‌یثرب 64

شکل (3-8) نمای پایلوت 65

شکل (3-9) نمودار استاندارد دستگاه اسپکتوفتومتر 74

شکل (4-1) بایوفیلم تشکیل شده بر روی توری 81

شکل (4-2) بایوفیلم تشکیل شده بر روی جداره داخلی لوله 81

شکل (4-3) تغییرات ضخامت بایوفیلم نسبت به زمان 82

شکل (4-4) تغییرات غلظت اکسیژن نسبت به زمان 83

شکل (4-5) تغییرات غلظت COD پس از گذشت ‌‌یک هفته از زمان شروع 85

شکل (4-6) تغییرات غلظت COD پس از گذشت دو هفته از زمان شروع 86

شکل (4-7) آزمایش COD در سرعت 15/0 متر بر ثانیه 86

شکل (4-8) آزمایش COD در سرعت 25/0 متر بر ثانیه 87

شکل (4-9) تغییرات BOD5 در سرعت 15/0 متر بر ثانیه 88

شکل (4-10) تغییرات غلظت BOD5 نسبت به زمان در سرعت 25/0 متر بر ثانیه 89

شکل (4-11) تغییرات COD در سرعت 75/0 متر بر ثانیه 90

شکل (4-12) تغییرات غلظت BOD5 در سرعت 75/0 متر بر ثانیه 90

شکل (4-13) تغییرات غلظت نیتروژن کل 91

شکل (4-14) تغییرات غلظت نیتروژن آمونیاکی و نیتراتی 92

شکل (4-15) تغییرات غلظت مواد معلق 93

فهرست جدول‌ها

جدول (2-1) خصوصیات شبکه‌های جمع‌آوری در ارتباط با شرایط فرآیندی 36

جدول (2-2) غلظت بایومس و سوبسترا در شبکه‌های جمع‌آوری فاضلاب 44

جدول (2-3) خصوصیات تبدیلات مواد آلی فاضلاب در شبکه‌های جمع‌آوری ثقلی 47

جدول (3-1) ترکیبات فاضلاب مصنوعی(نوع اول) 63

جدول (3-2)ترکیبات فاضلاب مصنوعی(نوع دوم) 63