مدیریت هدررفت آب، اتلاف زمان و افزایش بهره‌وری صافی‌ها، توسط ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای
محورهای موضوعی : مدیریت بهره برداری از سامانه های آبی
محسن معمارزاده
1
,
مژگان احمدی ندوشن
2
,
پیام نجفی
3
,
مهران هودجی
4
1 - دانشجوی دکتری تخصصی آلودگی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
2 - گروه محیط‌زیست، مرکز تحقیقات پسماند و پساب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
3 - گروه مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
4 - گروه خاکشناسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
کلید واژه: اتلاف زمان, تجهیزات الکترو مکانیکال, ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای, شستشوی معکوس, هدررفت آب,
چکیده مقاله :
تصفیه‌خانه آب اصفهان با ظرفیت نهایی 5/12 متر مکعب در ثانیه، یکی از بزرگترین تصفیه‌خانه‌های آب خاور میانه است؛ که دارای 10 حوض ته‌نشيني با زمان ماند 91/1 تا 75/2 ساعت که حجم هر كدام 9172 متر مكعب و بار سطحي 14/2 تا 85/2 متر مكعب بر متر مربع در ساعت هستند. این تحقیق با هدف بررسی میدانی کارائی استفاده ترکیبی از حوض‌های ته‌نشینی اکسیلاتور مجهز به ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای در مقیاس کامل و میدانی با هدف دست‌یابی به کارائی بیشتر در افزایش کیفیت آب خروجی و مدیریت کاهش هدررفت آب، اتلاف زمان شستشوی معکوس و کاهش تعمیرات و نگهداری تجهیزات تصفیه‌خانه انجام گردید. در این مطالعه، حوض‌های ته‌نشینی اکسیلاتور مربوط به دو زلال ساز استریم 1 از فاز اول تصفیه‌خانه، به ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای از جنس پلی‌پروپیلن با درجه خوراکی و شکل شش‌گوشه با قطر هیدرولیکی50 تا 80 میلی‌متر با زاویه 60 درجه نسبت به سطح و طول 90 سانتی‌متر نصب گردیدند. استریم 2 بدون استفاده از همزمان از ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای در مدار بهره‌برداری بود. تعداد شستشوی معکوس صافی‌ها، تعداد دفعات در مدار قرارگرفتن هواده‌ها و پمپ‌های شستشوی معکوس و میزان هدررفت آب و زمان مورد نیاز هر شستشو در دو استریم 1 و 2 با یکدیگر مقایسه گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که تعداد دفعات شستشوی معکوس فیلترها نسبت به استریم 2، به‌طور میانگین %25 کاهش یافت. این عمل همچنین باعث کاهش مقدار آب مصرفی شستشوی معکوس فیلترها و همچنین کاهش در تعداد ساعت کاری تجهیزات الکتریکی و مکانیکی تصفیه‌خانه آب گردید.
The Isfahan water treatment plant, with a final capacity of 12.5 cubic meters per second, is one of the largest water treatment plants in the Middle East. It has 10 sedimentation basins with a retention time ranging from 1.91 to 2.75 hours; each basin has a volume of 9172 cubic meters and a surface load of 14.2 to 2.85 cubic meters per square meter per hour. This research was conducted to investigate the efficiency of the combined use of accelerator sedimentation basins equipped with tube settlers on a full and field scale. The goal was to achieve greater efficiency in improving the quality of output water and managing the reduction of water wastage, backwashing time wastage, as well as reducing the need for repairs and maintenance of treatment plant equipment. In this study, the accelerator sedimentation ponds related to two stream 1 clarifiers from the first phase of the treatment plant were equipped with rapid tubular settlers made of food-grade polypropylene. These settlers are hexagonal in shape with a hydraulic diameter of 50 to 80 mm; placed at a 60-degree angle to the surface, and have a length of 90 cm. Stream 2 was operated without the simultaneous use of rapid tube settlers in the circuit. The amount of backwashing’s of filters, the number of times the aerators and backwashing pumps are engaged in the circuit, the amount of water wastage, and the time required for each wash in streams 1 and 2 were compared with each other. The results of this study showed that the number of times of reverse washing of filters was reduced by an average of 25% compared to stream 2. This action also reduced the amount of water used for backwashing the filters and consequently reduced the number of working hours of the electrical and mechanical equipment of the water treatment plant.
Baruth, E. E. (2004). Water treatment plant design. ASCE.
BRENTWOOD industries www.brentwood.com (August 2011) comparison between the tube settler and conventional settling
Bukhary, S., Batista, J., & Ahmad, S. (2020). Design aspects, energy consumption evaluation, and offset for drinking water treatment operation. Water, 12(6), 1772.
Bukhary, S., Batista, J., & Ahmad, S. (2019). An analysis of energy consumption and the use of renewables for a small drinking water treatment plant. Water, 12(1), 28.
Cornwell, D. A., & Roth, D. K. (2011). Water treatment plant residuals management. Water Quality & Treatment. A Handbook on Drinking Water.
Gurjar, A., Bhorkar, M., Bhole, A. G., & Baitule, P. (2017). Performance study of tube settler’s module. International Journal of Engineering Research and Application, 7(3), 52-55.
Juraev, S., Akramov, A., Abdurazzokov, A., & Pathidinova, U. (2022, August). Increasing the efficiency of sedimentation tanks for drinking water treatment. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1076, No. 1, p. 012049). IOP Publishing.
Kang, C. H., Ryu, J. O., & Lee, H. D. (2001). The improvement of flocculation basin in water treatment process. Journal of Korea Water Resources Association, 34.
Kim, Y. H., Eom, J. Y., Kim, K. Y., Lee, Y. S., Kim, H. S., & Hwang, S. J. (2010). Applicability study of backwash water treatment using tubular membrane system with dead-end filtration operation mode. Desalination, 261(1-2), 104-110.
Lekhak, B., & Amatya, I. M. (2021). Suspended Solids Removal Mechanism Comparison in Tube Settler.
Letterman, R. D. (1999). Water quality and treatment: a handbook of community water supplies, (AWWA).
Molinos-Senante, M., & Guzmán, C. (2018). Benchmarking energy efficiency in drinking water treatment plants: Quantification of potential savings. Journal of cleaner production, 176, 417-425.
Pizzi, N. G. (2011). Water Treatment Plant Residuals Pocket Field Guide. American Water Works Association.
Price, J. I., & Heberling, M. T. (2018). The effects of source water quality on drinking water treatment costs: A review and synthesis of empirical literature. Ecological Economics, 151, 195-209.
Reißmann, F. G., Schulze, E., & Albrecht, V. (2005). Application of a combined UF/RO system for the reuse of filter backwash water from treated swimming pool water. Desalination, 178(1-3), 41-49.
Reyes, C., Apaz, F., Niño, Y., Barraza, B., Arratia, C., & Ihle, C. F. (2022). A review on steeply inclined settlers for water clarification. Minerals Engineering, 184, 107639.
Syed, R. Q., Edward, M. M. G. Z., & Zhu, G. (2000). Water works engineering planning, design and operation. PHI edition, New Delhi.
Tam, L. S., Tang, T. W., Lau, G. N., Sharma, K. R., & Chen, G. H. (2007). A pilot study for wastewater reclamation and reuse with MBR/RO and MF/RO systems. Desalination, 202(1-3), 106-113.
Walsh, M. E., Gagnon, G. A., Alam, Z., & Andrews, R. C. (2008). Biostability and disinfectant by-product formation in drinking water blended with UF-treated filter backwash water. Water research, 42(8-9), 2135-2145.
Wolska, M., & Urbańska-Kozłowska, H. (2023). Assessing the Possibilities of Backwash Water Reuse Filters in the Water Treatment System—Case Analysis. Water, 15(13), 2452.
Zielina, M., & Dabrowski, W. (2021). Energy and Water Savings during Backwashing of Rapid Filter Plants. Energies 2021, 14, 3782.
Technical Strategies in Water Systems https://sanad.iau.ir/journal/tsws ISSN (Online): 2981-1449 Summer 2023: Vol 1, Issue 1, 15-26 |
|
Research Article |
|
|
Managing water wastage, wasting time and increasing the efficiency of the filters using tube settlers
Mohsen Memarzadeh1, Mozhgan Ahmadi Nadoushan2*, Payam Najafi3, Mehran Hoodaji4
1 Ph.D. Student of Environmental Pollution, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
2 Department of Environment, Waste and Wastewater Research Center, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
3 Department of Water Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
4 Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
*Corresponding Author email: m.ahmadi1984@gmail.com
© The Author)s( 2023
Received: 09 July 2023 | Accepted: 30 Aug 2023 | Published: 04 Sept 2023
|
Abstract
The Isfahan water treatment plant, with a final capacity of 12.5 cubic meters per second, is one of the largest water treatment plants in the Middle East. It has 10 sedimentation basins with a retention time ranging from 1.91 to 2.75 hours; each basin has a volume of 9172 cubic meters and a surface load of 14.2 to 2.85 cubic meters per square meter per hour. This research was conducted to investigate the efficiency of the combined use of accelerator sedimentation basins equipped with tube settlers on a full and field scale. The goal was to achieve greater efficiency in improving the quality of output water and managing the reduction of water wastage, backwashing time wastage, as well as reducing the need for repairs and maintenance of treatment plant equipment. In this study, the accelerator sedimentation ponds related to two stream 1 clarifiers from the first phase of the treatment plant were equipped with rapid tubular settlers made of food-grade polypropylene. These settlers are hexagonal in shape with a hydraulic diameter of 50 to 80 mm; placed at a 60-degree angle to the surface, and have a length of 90 cm. Stream 2 was operated without the simultaneous use of rapid tube settlers in the circuit. The amount of backwashing’s of filters, the number of times the aerators and backwashing pumps are engaged in the circuit, the amount of water wastage, and the time required for each wash in streams 1 and 2 were compared with each other. The results of this study showed that the number of times of reverse washing of filters was reduced by an average of 25% compared to stream 2. This action also reduced the amount of water used for backwashing the filters and consequently reduced the number of working hours of the electrical and mechanical equipment of the water treatment plant.
Keywords: Backwashing, Electromechanical equipment, Time wastage, Tube settlers, Water wastage
|
| مقاله پژوهشی
|
مدیریت هدررفت آب، اتلاف زمان و افزایش بهره‌وری صافی‌ها، توسط ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای
محسن معمارزاده1، مژگان احمدی ندوشن2*، پیام نجفی3، مهران هودجی4
1. دانشجوی دکتری تخصصی آلودگی محیط زیست، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران.
2. گروه محیط‌زیست، مرکز تحقیقات پسماند و پساب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران.
3. گروه مهندسی آب، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران.
4. گروه خاکشناسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران.
*ایمیل نویسنده مسئول: m.ahmadi@khuisf.ac.ir
© The Author)s( 2023
چاپ: 13/06/1402 | پذیرش: 08/06/1402 | دریافت: 18/04/1402 |
چکیده
تصفیه‌خانه آب اصفهان با ظرفیت نهایی 5/12 متر مکعب در ثانیه، یکی از بزرگترین تصفیه‌خانه‌های آب خاور میانه است؛ که دارای 10 حوض ته‌نشيني با زمان ماند 91/1 تا 75/2 ساعت که حجم هر كدام 9172 متر مكعب و بار سطحي 14/2 تا 85/2 متر مكعب بر متر مربع در ساعت هستند. این تحقیق با هدف بررسی میدانی کارائی استفاده ترکیبی از حوض‌های ته‌نشینی اکسیلاتور مجهز به ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای در مقیاس کامل و میدانی با هدف دست‌یابی به کارائی بیشتر در افزایش کیفیت آب خروجی و مدیریت کاهش هدررفت آب، اتلاف زمان شستشوی معکوس و کاهش تعمیرات و نگهداری تجهیزات تصفیه‌خانه انجام گردید. در این مطالعه، حوض‌های ته‌نشینی اکسیلاتور مربوط به دو زلال ساز استریم 1 از فاز اول تصفیه‌خانه، به ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای از جنس پلی‌پروپیلن با درجه خوراکی و شکل شش‌گوشه با قطر هیدرولیکی50 تا 80 میلی‌متر با زاویه 60 درجه نسبت به سطح و طول 90 سانتی‌متر نصب گردیدند. استریم 2 بدون استفاده از همزمان از ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای در مدار بهره‌برداری بود. تعداد شستشوی معکوس صافی‌ها، تعداد دفعات در مدار قرارگرفتن هواده‌ها و پمپ‌های شستشوی معکوس و میزان هدررفت آب و زمان مورد نیاز هر شستشو در دو استریم 1 و 2 با یکدیگر مقایسه گردید. نتایج این مطالعه نشان داد که تعداد دفعات شستشوی معکوس فیلترها نسبت به استریم 2، به‌طور میانگین %25 کاهش یافت. این عمل همچنین باعث کاهش مقدار آب مصرفی شستشوی معکوس فیلترها و همچنین کاهش در تعداد ساعت کاری تجهیزات الکتریکی و مکانیکی تصفیه‌خانه آب گردید.
واژه‌های کلیدی: اتلاف زمان، تجهیزات الکترو مکانیکال، ته‌نشین کننده‌های لوله‌ای، شستشوی معکوس، هدررفت آب
1- مقدمه
هنگامی که میزان آلودگی آب خام ورودی به‌طور منظم از آستانه طراحی واحدهای تصفیه‌خانه فراتر می رود، مدیران تصفیه‌خانه‌های آب، به‌منظور جلوگیری از کاهش کیفیت آب خروجی از تصفیه‌خانه بایستی منابع آبی جدیدی را جایگزین و یا تجهیزات جدیدی نصب و استفاده نمایند (Price & Heberling, 2018). فرآیندهای تصفیه آب معمولا باعث تولید لجن در فرایندهای ته‌نشینی در حوض‌های ته‌نشینی1 و شستشوی معکوس صافی‌های شنی می‌شوند (Kim et al., 2010). علیرغم اینکه حجم و خصوصیات آب شستشوی معکوس ارتباط تنگاتنگی با فرآیند تصفیه آب دارد، تأسیسات تصفیه مورد نیاز به نوعی به عنوان موضوعی متفاوت با فرآیند تصفیه آب در نظر گرفته می شود (Cornwell, 1999). بااین‌حال، طی سال‌های اخیر، تصفیه آب شستشوی معکوس به تدریج به عنوان بخش مهمی از فرآیند تصفیه آب مورد نظر قرار گرفته است؛ زیرا با توجه به حجم بالای آن، هزینه‌های بسیار سنگینی را به تصفیه‌خانه آب وارد می نماید (Kim et al., 2010). در برخی از کشورها، اکثر تصفیه‌خانه‌های آب دارای حوض متعادل‌سازی برای بازگشت آب شستشوی معکوس و ترکیب آن با آب خام هستند (Cho et al., 2001). برای جلوگیری از رسوب زیستی صافی‌های ماسه‌ای، بر اساس یک برنامه از پیش تعریف شده یا زمانی که افت فشار عملیاتی موجود (8/1 تا 3 متر) بیشتر شود، عملیات شستشوی معکوس باید انجام شود آب شستشوی معکوس حاوی آلاینده‌های کلوئیدی، ارگانیسم‌های زنده، مواد آلی طبیعی(NOM)2، فلزات (خصوصاً آهن و آلومینیوم) است (Bukhary et al., 2019). نسبت حجم آب مصرفی در شستشوی معکوس به آب تولید شده توسط صافی‌ها تحت شرایط نرمال زیر 3% است. اگر این نسبت به 2% کاهش پیدا نماید، بسیار خوب و اگر به بیش از 5% برسد، عملکرد بد یا ضعیف صافی‌ها را نشان میدهد (Reißmann et al., 2005). نگرانی‌هایی که در رابطه با کیفیت آب بازیافت شده وجود دارد شامل وجود مواد آلی طبیعی به عنوان پیش ساز برای محصولات جانبی گندزدایی و میکروارگانیسم هستند (Baruth & Edward, 2005)؛ لذا آب شستشوی معکوس عمدتاً برای آبیاری یا برای تخلیه به منابع آب سطحی و زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، چرخش مجدد آن در ابتدای سیستم تصفیه آب منطقی و قابل توجیه است؛ زیرا می تواند منجر به کاهش هزینه آب مصرفی شود (Wolska & Urbańska-Kozłowska, 2023). معمولاً بستر صافی‌ها در طول یک دوره بهره‌برداری، دچارگرفتگی با مواد آلی، ذرات معلق و کلوئیدی و باکتری و میکروارگانیسم‌ها خواهند شد؛ لذا برای نگه داشتن عملکرد مناسب آنها لازم است هر از گاهی شستشوی معکوس انجام گردد. فيلتراسيون يكي از قديمي‌ترين سيستم‌هاي تصفيه آب بوده كه در حقيقت يك سيستم تصفيه طبيعي آب به شمار مي رود در طي عمل فيلتراسيون آب از بين خلل و فرج بستر فيلتر (بستر دانه‌ای مثل شن آنتراسيت، كربن فعال و ...) ذرات معلق آن به دام افتاده و عمل تصفيه بر روي آن انجام مي‌شود (AWWA, 1999). تفاوت بين اين دو گروه مربوط به فشار لازم براي عبور آب از بين بستر فيلتر و نوع و ساختمان فيلتر مي‌شود. صافي‌هاي تحت فشار به صورت سيستم‌هاي سربسته و تحت فشار ساخته مي‌شوند. به دليل بالا بودن هزينه سرمايه‌گذاري و بهره‌برداري، فيلترهاي تحت فشار در مقياس خيلي بزرگ، محدود به تصفيه‌خانه‌هاي كوچك هستند. اما سيستم‌هاي ثقلي براي هر دو نوع تصفيه‌خانه‌هاي كوچك و بزرگ استفاده مي‌شوند (Walsh et al., 2008). درحال حاضر مطالعات متعددی در خصوص تصفیه و باز‌چرخانی آب شستشوی معکوس در حال انجام است. در تصفیه‌خانه‌هایی که از فرآیندهای فیلتراسیون غشایی استفاده می‌کنند، نسبت بازیافت را در تصفیه‌خانه آب افزایش می دهد و لجن غلیظ را با چگالی ثابت تر تخلیه می‌کنند(Denver, 1996). معمولا فيلترها را بر اساس نيروهاي فيلتركننده به دو دسته فيلترهاي ثقلي و فيلترهاي تحت فشار تقسيم‌بندي می‌کنند (Kim et al., 2010). تکنیک‌ها و پیشرفت‌های خاصی برای کاهش هزینه و اندازه واحدهای ته‌نشینی و فشار بار کمتر به صافی‌های تصفیه‌خانه آب توسعه یافته است. یک تکنیک پیشرفته جدید ته‌نشینی با سرعت بالا است که با کاهش فاصله ذرات لخته، زمان ته‌نشینی را کاهش میدهد (BRENTWOOD, 2011). ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای سریع از کانال‌های لوله‌ای متعدد با زاویه شیب مشخص و مرتبط با یکدیگر استفاده باعث ترکیب و افزایش سطح ته‌نشینی مؤثر می‌شوند (Gurjar et al., 2017). شکل (1)، نمای این نوع ته‌نشین‌کننده‌ها را بر روی کلاریفایرهای تصفیه‌خانه نشان میدهد. ظرفيت تصفيه‌خانه آب اصفهان 5/12 متر مكعب در ثانيه است و از دو فاز مجزا تشكيل شده كه فاز اول با ظرفيت 5 متر مكعب در سال 1368 به بهره‌برداري رسيد. فاز دوم نیز با ظرفيت 5/7 متر مكعب در سال 1386 به ظرفيت نهائي رسيد و مورد بهره‌برداري قرار گرفت. شکل (2)، نمای کلی تصفیه‌خانه را نشان میدهد. پس از ورود آب از سد چم‌آسمان كه در فاصله 8 كيلومتري تصفيه‌خانه آب قرار دارد، عملیات آشغالگيري توسط دستگاه آشغالگير اتوماتيك در ابتداي ورود آب به تأسيسات تصفيه‌خانه انجام شده و اجسام شناور شاخ و برگ درختان و ساير مواد معلق از آب خام خارج مي شود؛ سپس در واحدهای تقسيم‌كننده آب ماده منعقدكننده پلي آلومينيم كلرايد (PAC) به آب اضافه و ازن‌زنی اولیه شده و توسط ميكسرهاي موجود به‌طور كامل مخلوط و وارد حوض‌هاي ته‌نشيني مي‌شوند (BRENTWOOD, 2011). تعداد حوض‌هاي ته‌نشيني 10 عدد با زمان ماند 91/1 تا 75/2 ساعت، حجم هر كدام 9172 متر مكعب و بار سطحي 14/2 تا 85/2 متر مكعب بر متر مربع در ساعت است. بعد از خروج آب از صافی‌های فاز اول ازن‌زنی نهایی صورت و سپس آب وارد صافی‌ها و در نهایت کلرزنی شده و وارد مخزن آب خروجی و به شبکه آبرسانی اصفهان بزرگ وارد می‌شود. مشخصات صافی‌های تصفیه‌خانه نیز در جدول (1) نشان داده شده است.
شکل 1. محل نصب ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای بر روی کلاریفایر |
|
Fig 1. Location of installation of pipe settlers on clarifiers |
شکل 2. نمای واحدهای تصفیه‌خانه آب اصفهان |
|
Fig 2. Views of water treatment plant units in Isfahan |
جدول1. مشخصات صافی‌های شني فاز اول تصفیه‌خانه آب اصفهان
Table 1. Specifications of sand filters in the first phase of Isfahan water treatment plant
پارامتر | اندازه | مقیاس | پارامتر | اندازه | مقیاس |
تعداد | 48 | عدد | ضخامت لايه كوارتز | 60 | سانتي‌متر |
ظرفيت | 900 ـ 720 | متر مكعب در ساعت | دانه‌بندي كوارتز | 2/1 ـ 7/0 | ميلي‌متر |
سطح كل | 5592 | متر مربع | ضخامت لايه آنتراسيت | 50 | سانتي‌متر |
سرعت آب | 73/7 ـ 18/6 | متر بر ساعت | دانه‌بندي آنتراسيت | 5/2 ـ 4/1 | ميلي‌متر |
ابعاد | 7 × 64/16 | متر مربع | ضخامت لایه گارنت | 5/7 | سانتی‌متر |
سطح | 5/116 | متر مربع | دانه‌بندی گارنت | 7/0ـ 2/0 | میلی‌متر |
2- مواد و روش‌ها
این مطالعه به‌صورت تجربی و در مقیاس کامل بر روی فاز 1 تصفیه‌خانه اصفهان که یکی از بزرگترین تصفیه‌خانه در ایران است، انجام شده است. دو زلال‌کننده دایره‌ای استریم 1 (هر کدام 5/2 متر مکعب بر ثانیه) از فاز 1 تصفیه‌خانه به دسته‌های ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای مجهز شدند. مشخصات کلاریفایر- آکسیلاتورهای مورد مطالعه در جدول 2 آورده شده است.
جدول 2. ویژگی‌های کلاریفایر- آکسیلاتورهای تصفیه‌خانه اصفهان
Table 2. Characteristics of clarifiers and accelerators in Isfahan water treatment plant
نوع ویژگی | اندازه | واحد |
سطح | 1683 | متر مربع |
حجم | 9172 | متر مکعب |
بار سطحی3 | 4/2-85/2 | منر مکعب بر متر مربع در ساعت |
زمان ماند | 75/91-2/1 | ساعت |
متوسط ارتفاع | 45/5 | متر |
ارتفاع جانبی | 75/4 | متر |
ارتفاع مرکز | 15/6 | متر |
قطر اسمی | 48 | متر |
3: Surface Overload Rate
برای بهره‌برداری ایمن از صافی‌ها، در ابتدا کلکتورهای خروجی آب شستشو مربوط به استریم‌های هر فاز از طریق یک شیر پروانه‌ای به یکدیگر متصل گردیدند؛ به نحوی که در صورت خارج از سرویس بودن پمپ‌های آب شستشو یکی از استریم‌ها، قابلیت انجام شستشوی معکوس با پمپ‌های استریم مجاور امکان‌پذیر گرید. بر روی حلزونی این پمپ‌ها یک فشارسنج و یک شیر هواگیری نصب شده است. از آنجایی که کانال انتقال آب تصفیه شده از صافی‌ها بالاتر از حلزونی پمپ‌های آب شستشو قرار دارد، هواگیری این پمپ‌ها از طریق باز کردن شیر تخلیه هوای نصب شده بر روی حلزونی این پمپ‌ها به طور خود به خودی انجام می‌گردید. برای اطمینان از آماده به‌کار بودن بلوئرها، به صورت روزانه باید از نظر ارتفاع روغن، ظرفیت، گرید روغن، برنامه تعمیر و نگهداری، آچارکشی اتصالات مکانیکی و الکتریکی و چک کردن تسمه‌های انتفال قدرت و ارتعاش‌سنجی کنترل می‌شدند. مراحل انجام شستشوی معکوس در جدول (3) نشان داده شده است.
جدول 3. مراحل انجام شستشوی معکوس در تصفیه‌خانه آب اصفهان
Table 3. Steps of backwashing process in Isfahan water treatment plant
مراحل | اقدام | انرژی مصرفی (کیلووات ساعت) | زمان (دقیقه) |
مرحله اول | روشن کردن بلوئر | 200 | 2 |
روشن کردن پمپ اول | 75 | 2 | |
روشن کردن پمپ دوم | 75 | 1 | |
مرحله دوم | روشن کردن پمپ اول | 75 | 1 |
روشن کردن پمپ دوم | 75 | 1 | |
روشن کردن پمپ دوم | 75 | 1 | |
مرحله سوم | روشن کردن پمپ اول | 75 | 1 |
روشن کردن پمپ دوم | 75 | 1 | |
روشن کردن پمپ دوم | 75 | 1 |
با توجه به استفاده از نصب ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای در استریم اول از فاز اول تصفیه‌خانه و مقایسه پارامترهای هدررفت آب، تعداد عملیات شستشوی معکوس و تجهیزات الکتریکی و مکانیکی مورد استفاده در دو استریم فاز اول تصفیه‌خانه آب اصفهان با یکدیگر مقایسه شده‌اند.
3- نتایج
با در نظر گرفتن تعداد 48 صافی و دبی 5/12 متر مکعب در ثانیه، مقدار پساب تولیدی ناشی از هر بار شستشوی معکوس حجم آب مصرفی برای شستشوی هر بار یک صافی 72/630 مترمکعب محاسبه گردید.
مساحت صافی‌ها (متر مربع) با توجه به ابعاد آن:
(1) | 48/116= 64/16×7 |
با توجه به ارتفاع آب بر روی سطح صافی از سرریز که 8/1 متر است. حجم صافی‌ها (متر مکعب) برابر است با:
(2) | 7/209= 48/116×8/1 |
برای هر شستشوی معکوس سه‌بار صافی پر و خالی می شود بنابراین:
(3) | 72/630= 3×7/209 |
مقدار کل آب تصفیه شده مصرفی برای حداقل یک شستشوی معکوس در شبانه روز برای مجموع 48 صافی:
(4) | 6/3027= 48×72/630 |
میزان هدررفت آب مصرفی برای شستشوی یک فیلتر در طول یکسال (متر مکعب):
(5) | 11050214= 365×6/3027 |
این عدد با این فرض است که هر صافی در طول سال تنها یک‌بار در روز شستشوی معکوس گردد. همانطور که در جدول (4) نشان داده شده است، مقدار آب هدر رفته و تعداد شستشوی معکوس در صافی‌های بعد از کلاریفایر مجهز به ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای (S1) و صافی‌های بعد از کلاریفایر بدون ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای (S2) باهم مقایسه گردیدند. میزان هدررفت آب به‌ترتیب 166082 و 220185 متر مکعب در شش‌ماه محاسبه گردیده است.
به ازای هر شستشوی معکوس برای یک صافی در طول عملیات از سه پمپ 75 کیلو وات ساعتی و جمعاً 8 بار پمپ و برای 48 صافی جمعاً 384 بار برای هر شستشو درگیر بوده است. جدول (5)، تعداد موارد استفاده از پمپ و بلوئر در طول شستشوی معکوس را نشان میدهد. همچنین به‌ازای هر شستشوی معکوس برای یک صافی در طول عملیات از یک بلوئر 200 کیلووات ساعتی وجمعاً 48 بار برای هر شستشو مورد استفاده قرار گرفته است. شکل (3) میزان هدررفت آب و شکل (4) تعداد شستشوی معکوس در دو فیلتر S1 و S2 نشان میدهد.
جدول 4. حداقل، میانگین و حداکثر هدررفت آب و تعداد موارد شستشوی معکوس صافی‌ها
Table 4. Minimum, mean, and maximum water loss and the number of backwashing cases for filters
صافی شنی | هدررفت آب (متر مکعب) | شستشوی معکوس (تعداد در شش‌ماه) | شستشوی معکوس (تعداد در روز) | ||||
| حداقل | متوسط | حداکثر | حداقل | متوسط | حداکثر | متوسط |
S1 | 136515 | 166082 | 197537 | 217 | 264 | 314 | 42/1 |
S2 | 203199 | 220185 | 237171 | 323 | 350 | 377 | 88/1 |
راندمان نهایی ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای | 6/24 | 6/24 | 5/24 | ||||
شکل 3. مقایسه میزان حداقل و متوسط و حداکثر هدررفت در عملیات شستوی معکوس در صافی‌های S1 و S2 |
|
Fig 3. Comparison of minimum, average, and maximum effluent loss in backwashing operation for S1 and S2 filters |
شکل 4. تعداد شستشوی معکوس صافی‌های S1 و S2 |
|
Fig 4. Number of backwashing cycles for S1 and S2 filters |
جدول 5. تعداد موارد استفاده از پمپ و بلوئر در طول شستشوی معکوس
Table 5. Number of pump and blower utilizations during backwashing process
نوع صافی شنی | متوسط تعداد شستشوی معکوس در سال | تعداد موارد استفاده از پمپ در سال | تعداد موارد استفاده از بلوئر در سال |
S1 | 686 | 263424 | 35328 |
S2 | 736 | 504896 | 41664 |
طبق برنامه نظیم شده و اتوماسیون انجام شده زمان شستشوی معکوس هر صافی 21 دقیقه است. با توجه به 840 ساعت هدررفت زمان شستشوی معکوس در طول سال برابر 35 ساعت بر روز است. با توجه به اینکه هر شیفت کاری در تصفیه‌خانه 12 ساعت است، 75 شیفت کاری یک نفر از بهره‌برداران تصفیه‌خانه بدون هیچ‌گونه توقفی بایستی صرفاً مشغول عملیات شستشوی معکوس باشد که عملاً امکان‌پذیر هم نیست.
4- بحث
ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای، جداکننده‌های جامدات از جریان آب هستند که دارای عناصر محصورکننده نزدیک و شیب‌دار هستند که در مقایسه با مخازن عمودی امکان افزایش ته‌نشینی قابل توجهی را فراهم می‌کنند (BRENTWOOD, 2011). تجزیه و تحلیل‌های مختلف نشان داده است که برای افزایش راندمان صافی‌ها و حداکثر ناخالصی‌ها کابرد تیوب ستلرها بسیار کمک‌کننده است (Gurjar et al., 2017). داده‌های محدودی در مورد مصرف انرژی و متغیرهایی که بر مصرف انرژی تأسیسات تصفیه آب تأثیر می‌گذارند، در دسترس است (Tam et al., 2007). این مطالعه مقطعی با ترکیب داده‌های موجود و تجربیات کسب شده در تصفیه‌خانه آب اصفهان با هدف تأثیر استفاده از تیوب ستلرها در کلاریفایرهای تصفیه‌خانه بر عملکرد صافی‌های شنی و تعداد موارد شستشوی معکوس آنها و همچنین انرژی مصرفی جهت عملیات شستشوی معکوس صافی‌ها انجام گردید. برای هر عملیات بک‌واش صافی‌ها در شبانه روز که سه‌بار صافی پر و خالی می‌شود حدود 30275 متر مکعب آب مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حجم آب مصرفی برای یکسال صافی‌ها حدود 11 میلیون متر مکعب است. با دست‌یابی به راندمان 24 درصدی کاهش هدررفت آب، 7266 متر مکعب آب در شبانه روز و 2640000 متر مکعب در سال از هدررفت آب جلوگیری به عمل آمد. متوسط تعداد دفعات شستشوی معکوس صافی‌ها در سال از 736 به 686 بار کاهش پیدا کرد. تعداد موارد استفاده از پمپ در سال از 504896 به 263424 و تعداد موارد استفاده از بلوئر در سال از 41664 به 35328 کاهش پیدا کرد. در دنیا نیز تغییرات زیادی در مخزن ته‌نشینی برای کاهش هزینه و زمان ماند انجام گرفته است. Lekhak et al. (2021) در مطالعه‌ای با عنوان "مقایسه مکانیسم حذف جامدات معلق در ته‌نشین کننده لوله‌ای" دریافتند که استفاده از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای سریع در مخازن ته‌نشینی آب مطابق یک مدل ریاضی باعث کاهش کدورت آب و رودی به فیلترها می‌گردد. Zielina et al. (2021) در مطالعه‌ای که با عنوان "صرفه‌جویی در انرژی و آب در هنگام شستشوی معکوس کارخانه‌های صافی سریع" در یک تصفیه‌خانه آب با اندازه متوسط واقع در قسمت شمالی اروپا انجام دادند، تقریباً 10٪ صرفه‌جویی در آب را در سال برای شستشوی معکوس صافی‌های سریع و همچنین صافی‌های کربنی گرانول یا دانه‌ای (GAC)3 از طریق استفاده از کنترل شدت شستشو نشان به‌دست آوردند. میزان آب صرفه‌جویی شده در این روش با استفاده از صافی‌های سریع 836310 مترمکعب در سال و بسته به نوع GAC از 4570 تا 7511 متر مکعب بوده است. Bukhary et al. (2020) درمطالعه‌ای با عنوان "جنبه‌های طراحی، ارزیابی مصرف انرژی برای عملیات تصفیه آب آشامیدنی"، کل مصرف انرژی عملیاتی برای تصفیه‌خانه آب از جمله پمپ‌های توزیع آب 3/56 مگاوات‌ساعت در روز برآورد شد، در حالی که مصرف انرژی برای تصفیه‌خانه آب به استثنای پمپ های توزیع آب 2661 کیلووات‌ساعت در روز بود. نتایج مطالعه آنها نشان داد که بزرگترین مصرف‌کننده انرژی بعد از پمپ‌های توزیع آب (158) فرآیندهای انعقاد (95/1) و لخته‌سازی (93/1) کیلووات‌ساعت بودند.Molinos-Senante & Guzmán (2018) طی مطالعه‌ای با عنوان "معیار سنجش بهره‌وری انرژی در تصفیه‌خانه‌های آب آشامیدنی، کمی‌سازی صرفه‌جویی‌های بالقوه" نشان دادند که برخی از متغیرهای ساختاری و مدیریتی موثر بر کارایی انرژی مورد بررسی قرار می‌گیرند. نتایج نشان داد که اکثر تصفیه‌خانه‌های آب مورد تجزیه و تحلیل اندازه مناسبی دارند؛ اما می‌توانند از نظر صرفه‌جویی در انرژی بهبود زیادی داشته باشند. مشخص شد که سن تصفیه‌خانه به‌طور قابل توجهی بر مصرف انرژی آنها تأثیر می‌گذارد. Gurjar et al. (2017) در مطالعه‌ای با عنوان بررسی عملکرد ماژول‌های ته‌نشین‌کننده لوله‌ای دریافتند که استفاده از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای زمان ماند آب در حوض ته‌نشینی را 15-10 دقیقه کاهش میدهد که در مقایسه با مخزن ته‌نشینی معمولی بسیار کمتر است. همچنین متوسط راندمان حذف کدورت در حوض مجهز به ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای در مقایسه با واحد ته‌نشینی معمولی 70 تا 80 درصد بیشتر است. نتایج مطالعات بالا نشان می‌دهند که استفاده از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای و سایر ته‌نشین‌کننده‌ها در حوض ته‌نشینی تصفیه‌خانه‌های آب، باعث کاهش کدورت، مواد معلق و سایر عوامل آلاینده در آب خام ورودی به تصفیه‌خانه می‌گردد و به تبع آن آب ورودی به فیلترها دارای کدورت و مواد جامد معلق کمتری است. این عمل باعث کاهش تعداد دفعات شستشوی معکوس و نهایتا کاهش در کلیه اقدامات وابسته به شستشوی معکوس فیلترها می‌گردد که نتایج آنها با نتایج مطالعه حاضر هم‌خوانی دارد.
5- نتیجه‌گیری
یکی از مهم‌ترین فرآیندهای مهم در طراحی و بهره‌برداری از تصفیه‌خانه‌های آب، استفاده از حوض‌های ته‌نشینی است. متداول‌ترین این حوض‌ها پولساتورها، اکسیلاتورها و استفاده از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای و یا صفحات شیب‌دار لاملا است. طراحی اولیه حوض‌های ته‌نشین‌کننده از نوع اکسیلاتورها بوده که با توجه به هدف طرح استفاده همزمان و ترکیبی از حوض‌های ته‌نشین‌کننده‌ی اکسیلاتور و سریع لوله‌ای و مقایسه پارامترهای مورد نظر با ته‌نشین‌کننده اکسیلاتور به‌کار گرفته شده در طراحی اولیه است. در این مطالعه، استفاده از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای در استریم اول از فاز اول تصفیه‌خانه و مقایسه پارامترهای هدررفت آب، اتلاف زمان مورد نیاز و تعداد عملیات شستشوی معکوس و کاهش در سرویس قرارگرفتن تجهیزات الکتریکی و مکانیکی مورد استفاده در دو استریم فاز اول تصفیه‌خانه آب اصفهان با یکدیگر مقایسه شدند. نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده همزمان و ترکیبی از ته‌نشین‌کننده‌های لوله‌ای در حوض ته‌نشینی اکسیلاتور تصفیه‌خانه آب اصفهان، باعث کاهش آلاینده‌ها و در نتیجه افزایش کیفیت آب ورودی به صافی‌ها و در نتیجه باعث کاهش تعداد دفعات شستشوی معکوس به میزان حدود 25 درصد و نهایتا کاهش در کلیه مراحل فنی مهندسی و کیفی وابسته به شستشوی معکوس صافی‌ها گردیده است. با توجه به نتایج به‌دست آمده طراحی ، اجرا و بهره‌برداری ترکیبی و همزمان از دو مدول اکسیلاتور و ته‌نشین‌کننده‌های با نرخ بالا (لوله‌ای) به کلیه شرکت‌های مهندسین مشاور، آب و فاضلاب، بهره‌برداران و سایر صنایع مرتبط پیشنهاد می‌گردد.
6- تضاد منافع نویسندگان
نویسندگان این مقاله اعلام می‌دارند که هیچ تضاد منافعی در رابطه با نویسندگی و یا انتشار این مقاله ندارند.
7- مراجع
Baruth, E. E. (2004). Water treatment plant design. ASCE.
BRENTWOOD industries www.brentwood.com (August 2011) comparison between the tube settler and conventional settling
Bukhary, S., Batista, J., & Ahmad, S. (2020). Design aspects, energy consumption evaluation, and offset for drinking water treatment operation. Water, 12(6), 1772.
Bukhary, S., Batista, J., & Ahmad, S. (2019). An analysis of energy consumption and the use of renewables for a small drinking water treatment plant. Water, 12(1), 28.
Cornwell, D. A., & Roth, D. K. (2011). Water treatment plant residuals management. Water Quality & Treatment. A Handbook on Drinking Water.
Gurjar, A., Bhorkar, M., Bhole, A. G., & Baitule, P. (2017). Performance study of tube settler’s module. International Journal of Engineering Research and Application, 7(3), 52-55.
Kang, C. H., Ryu, J. O., & Lee, H. D. (2001). The improvement of flocculation basin in water treatment process. Journal of Korea Water Resources Association, 34.
Kim, Y. H., Eom, J. Y., Kim, K. Y., Lee, Y. S., Kim, H. S., & Hwang, S. J. (2010). Applicability study of backwash water treatment using tubular membrane system with dead-end filtration operation mode. Desalination, 261(1-2), 104-110.
Lekhak, B., & Amatya, I. M. (2021). Suspended Solids Removal Mechanism Comparison in Tube Settler. Proceedings of 10th IOE Graduate Conference, 10, 220-224.
Letterman, R. D. (1999). Water quality and treatment: a handbook of community water supplies, (AWWA).
Molinos-Senante, M., & Guzmán, C. (2018). Benchmarking energy efficiency in drinking water treatment plants: Quantification of potential savings. Journal of cleaner production, 176, 417-425.
Pizzi, N. G. (2011). Water Treatment Plant Residuals Pocket Field Guide. American Water Works Association.
Price, J. I., & Heberling, M. T. (2018). The effects of source water quality on drinking water treatment costs: A review and synthesis of empirical literature. Ecological Economics, 151, 195-209.
Reißmann, F. G., Schulze, E., & Albrecht, V. (2005). Application of a combined UF/RO system for the reuse of filter backwash water from treated swimming pool water. Desalination, 178(1-3), 41-49.
Syed, R. Q., Edward, M. M. G. Z., & Zhu, G. (2000). Water works engineering planning, design and operation. PHI edition, New Delhi.
Tam, L. S., Tang, T. W., Lau, G. N., Sharma, K. R., & Chen, G. H. (2007). A pilot study for wastewater reclamation and reuse with MBR/RO and MF/RO systems. Desalination, 202(1-3), 106-113.
Walsh, M. E., Gagnon, G. A., Alam, Z., & Andrews, R. C. (2008). Biostability and disinfectant by-product formation in drinking water blended with UF-treated filter backwash water. Water Research, 42(8-9), 2135-2145.
Wolska, M., & Urbańska-Kozłowska, H. (2023). Assessing the Possibilities of Backwash Water Reuse Filters in the Water Treatment System—Case Analysis. Water, 15(13), 2452.
Zielina, M., & Dabrowski, W. (2021). Energy and Water Savings during Backwashing of Rapid Filter Plants. Energies 2021, 14, 3782.
[1] Clarifiers
[2] Natural Organic Materials
[3] Granola Activated Carbon