مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ادامه سه طرح متداول برای تصفیه رواناب‌های حاوی نفت و مشتقات روغنی در پالایشگاه‌های نفت را معرفی می‌کنم. هر طرح را از نظر هزینه سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX)، فضای لازم و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) مقایسه شده و پس از آن اجزای هر طرح را با عملکرد و حذف‌کننده‌های اصلی توضیح می‌گردد.

طرح ۱: فرآیند فیزیکوشیمیایی ساده (سپراتور API + شناورسازی با هوای محلول + تصفیه بیولوژیک بارشده)

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  این طرح کمترین CAPEX را دارد و تجهیزات اصلی آن (سپراتور API، واحد DAF و حوض‌های بیولوژیک) نسبتا ارزان هستند. اما به فضای زیادی (حدود ۲۰۰۰–۲۵۰۰ متر مربع برای ظرفیت متوسط) نیاز دارد چون مخازن سپراتور و DAF باید ابعاد بزرگی داشته باشند. نرخ بازگشت سرمایه در کوتاه‌مدت متوسط است؛ هزینه عملیاتی پایین و نگهداری ساده است اما درآمد جانبی مستقیم (مثل بازیابی حلال یا روغن) در این طرح وجود ندارد.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. مخزن برابرسازی (Equalization): یکنواخت‌سازی جریان و غلظت روغن تا از شوک‌های هیدرولیکی و نوسان بار آلودگی جلوگیری شود.

  2. سپراتور API (Gravity Separator): بر پایه‌ی گرانش، قطرات بزرگ روغن و ذرات جامد سنگین جدا می‌شوند؛ حذف اولیه حدود 50–60% BOD و تقریباً تمام ذرات بزرگ روغن.

  3. شناورسازی با هوای محلول (DAF): بقیه روغن‌های ریز معلق و ذرات سبک با تزریق حباب‌های ریز هوا جدا می‌شوند؛ حذف اضافی 85–95% روغن و چربی.

  4. راکتور بیولوژیک بارشده (Attached‑Growth Bioreactor): نیتروفیل‌ها و باکتری‌های اختصاصی روی بستر (پلی‌پروپیلن یا رزین) چسبیده و مواد آلی قابل تجزیه (COD/BOD) را از بین می‌برند؛ حذف 80–90% COD باقیمانده.

  5. زلال‌سازی ثانویه (Secondary Clarifier): لجن بیولوژیک را از پساب جدا می‌کند و پساب برای تخلیه یا استفاده مجدد آماده می‌شود.

طرح ۲: فرایند ترکیبی پیشرفته (هیدروسیکلون + انعقاد–لخته‌سازی + MBBR + کربن فعال)

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  CAPEX متوسط رو به بالا و OPEX متوسط دارد. هیدروسیکلون‌ها و راکتورهای بیوفیلم متحرک از نظر فضا جمع‌وجورترند و حجم کل واحدها به حدود ۱۰۰۰ متر مربع کاهش می‌یابد. به‌دلیل بازیابی نسبی روغن در سیکلون و حذف قوی آلاینده‌ها با کربن فعال، امکان فروش مجدد روغن بازیافت‌شده و کاهش هزینه‌های جریمه زیست‌محیطی، ROI خوبی در میان‌مدت فراهم می‌شود.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. هیدروسیکلون (Hydrocyclone): با نیروی گریز از مرکز، قطرات روغن و ذرات سنگین‌تر از آب جدا می‌شوند؛ حذف اولیه 60–70% روغن و تسریع مراحل بعد.

  2. واحد انعقاد–لخته‌سازی (Coagulation–Flocculation): افزودن پلی‌الکترولیت‌ها باعث چسبیده شدن روغن‌های ریز به ذرات لخته‌شونده و تشکیل فلوک‌های قابل شناورسازی می‌شود؛ حذف بیشتر روغن ریز و برخی امولسیون‌های پایدار.

  3. واحد بیوفیلم متحرک (MBBR – Moving Bed Biofilm Reactor): صفحات پلاستیکی معلق در راکتور سطح تبادل‌بالای زیستی ایجاد می‌کنند که مواد آلی باقیمانده (COD/BOD) را تا 90% تجزیه می‌کند.

  4. ستون جذب کربن فعال (GAC): آلاینده‌های آلی باقیمانده، ترکیبات معطر نفتی (PAH) و مواد ایندکس شده BOD/COD روی سطح کربن نشسته و حذف می‌شوند؛ پاکسازی نهایی کیفیت پساب به استانداردهای سختگیرانه.

  5. واحد بازیابی روغن (Oil Recovery): روغن جمع‌آوری‌شده از سیکلون و شناورسازی به واحد ذخیره‌سازی یا فروش منتقل می‌شود و درآمد جانبی ایجاد می‌کند.

طرح ۳: راکتور غشایی بیولوژیک (MBR) + اکسیداسیون پیشرفته (AOP) + تقطیر غشایی

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  بیشترین CAPEX و OPEX را دارد، اما کوچک‌ترین فضای ممکن (حدود ۶۰۰–۸۰۰ مترمربع) را اشغال می‌کند چرا که MBR و واحدهای AOP فشرده‌اند. کیفیت پساب خروجی “صنعتی-خالص” است و می‌توان بخشی از آب را مجدداً در فرآیند خنک‌کاری یا شستشو به‌کار برد. با توجه به کاهش هزینه‌های مصرف آب و امکان فروش بخشی از ترکیبات خالص بازیافت‌شده، نرخ بازگشت سرمایه در بلندمدت بسیار بالا خواهد بود.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. راکتور غشایی بیولوژیک (MBR): ترکیب راکتور بیولوژیک و فیلتراسیون غشایی (UF/MF) در یک واحد، حذف 95–98% BOD/COD و تمام ذرات معلق؛ خروجی با SDI بسیار پایین و شفاف.

  2. اکسیداسیون پیشرفته (AOP – UV/H₂O₂ یا ازن): رادیکال •OH تولیدشده واکنش‌های معدنی‌سازی را تسریع می‌کند و ترکیبات مقاوم آلی (مانند PAHهای سنگین) را به CO₂ و آب تبدیل می‌کند؛ حذف بیشتر از 90% آلاینده‌های باقیمانده.

  3. تقطیر غشایی (Membrane Distillation): در دمای پایین و اختلاف بخار، آب خالص از غشا عبور می‌کند و جریان غلیظ شده حاوی باقی‌مانده روغن و چربی‌ها برای تصفیه مجدد یا دفع با حجم به‌مراتب کمتر آماده می‌شود. این واحد امکان بازیابی آب بیش از 80% و کنسانتره‌سازی آلاینده‌ها را می‌دهد.

مقایسه نهایی
طرح ۱ با کمترین هزینه اولیه و پیچیدگی عملیاتی؛ اما فضای زیاد و ROI متوسط دارد چون بازیابی روغن محدود است. طرح ۲ تعادلی میان هزینه و عملکرد ایجاد می‌کند: CAPEX متوسط، فضا و هزینه عملیاتی کمتر از طرح ۱، و امکان بازیابی روغن و حذف قوی‌تر آلاینده‌ها، ROI خوبی فراهم می‌آورد. طرح ۳ گران‌ترین و پیچیده‌ترین گزینه است ولی در فضا فشرده است و با تولید پساب با خلوص صنعتی و امکان بازچرخش آب و بازیابی ترکیبات، در درازمدت بالاترین نرخ بازگشت سرمایه را داراست.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ادامه سه طرح متداول برای تصفیه فاضلاب صنایع چرم‌سازی (حاوی کرومات‌ها و فلزات سنگین) ارائه می‌کنم. هر طرح را از نظر سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX)، فضای لازم و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) مقایسه شده و سپس اجزای هر طرح را با عملکرد و حذف‌کننده‌های اصلی توضیح می‌گردد.

طرح ۱: فرایند فیزیکوشیمیایی ساده (خنثی‌سازی–ته‌نشینی–فیلتر شنی)

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  این طرح پایین‌ترین هزینه سرمایه‌گذاری را دارد و تجهیزات آن (مخازن pH، حوضچه ته‌نشینی و بستر شنی) ساده و ارزان هستند، اما به‌ خاطر ابعاد بزرگ مخازن و حوض‌ها فضای زیادی را می‌طلبد. نرخ بازگشت سرمایه نسبتاً کند است زیرا با وجود حذف قابل قبول کرومات و فلزات (تا ۷۰–۸۰٪)، حجم بالای لجن تولیدی و هزینه دفع آن، هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. مخزن برابرسازی (Equalization): اصلاح نوسانات دبی و غلظت کرومات و فلزات در جریان ورودی؛ شرایط یکنواخت pH و دما را برای مراحل بعد فراهم می‌کند.

  2. واحد خنثی‌سازی با آهک (Lime Softening): افزودن آهک جهت افزایش pH به حدود 10–11، باعث رسوب هیدروکسیدهای کروم (Cr(OH)₃) و فلزات سنگین (Fe, Al, Zn) می‌شود.

  3. رسوب‌گذاری ثانویه (Secondary Sedimentation): لجن هیدروکسیدی تشکیل‌شده در حوضچه ته‌نشین و از جریان پساب جدا می‌شود.

  4. فیلتر شنی (Sand Filtration): حذف ذرات معلق باقیمانده و ارتقای شفافیت پساب تا حدود ۱۰–۲۰ NTU.

طرح ۲: ترکیب الکتروکوآگولاسیون + جذب زیستی (Biosorption) + اولترافیلتراسیون

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  CAPEX متوسط و OPEX کم‌متوسط دارد؛ سلول‌های الکتروکوآگولاسیون و بسترهای بیوسوربنت فضای کمتری از مخازن بزرگ می‌گیرند و هزینه برق و تعویض صفحات فلزی نسبتاً پایین است. با حذف بالای کرومات و فلزات (تا ۹۰–۹۵٪) و قابلیت احیای بسترهای زیستی، ROI در میان‌مدت مناسب می‌شود.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation): با عبور جریان مستقیم بین آندهای آهن یا آلومینیوم، یون‌های فلزی آزاد و به‌صورت هیدروکسید رسوب می‌کنند. این روش باعث حذف همزمان کرومات (تبدیل Cr⁶⁺ به Cr³⁺ و رسوب Cr(OH)₃) و فلزات سنگین تا حدود ۹۰٪ می‌شود.

  2. بستر بیوسوربنت (Biosorption Bed): پساب رسوب‌گذاری‌شده از بستر چوب پنبه یا پوسته نارگیل عبور می‌کند که باکتری‌ها/مواد آلی روی آن نشسته و یون‌های باقیمانده فلزی را جذب می‌کنند. این مرحله حذف نهایی فلزات تا ۹۵٪ را تضمین می‌کند.

  3. اولترافیلتراسیون (UF): ماژول‌های غشایی UF ذرات معلق کوچک و کلوییدها را جدا می‌کنند و کیفیت پساب را برای تخلیه یا استفاده مجدد به زیر ۵ NTU و SDI ≤ 3 می‌رسانند.

طرح ۳: MBR بیولوژیک + اکسیداسیون الکتروشیمیایی + تبادل یونی

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  بالاترین CAPEX و OPEX را دارد ولی به‌دلیل فشردگی راکتور MBR و سیستم الکتروشیمیایی، فضای کلی زیر ۵۰۰ مترمربع است. کیفیت پساب خروجی بسیار بالا (Cr⁶⁺ و فلزات زیر حد تشخیص، شفافیت کم‌تر از ۱ NTU) است و امکان بازیابی کروم و فلزات به‌صورت نمک خالص در واحد تبادل یونی، درآمد جانبی ایجاد می‌کند؛ در نتیجه ROI بلندمدت عالی است.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. راکتور غشایی بیولوژیک (MBR): تجزیه آلی و فیلتر شدن ذرات و تا ۸۰–۸۵٪ حذف اولیه فلزات سنگین در فاز بیولوژیک و غشایی. BOD تا ۹۵٪ کاهش می‌یابد.

  2. اکسیداسیون الکتروشیمیایی (Electrochemical Oxidation): استفاده از الکترود تیتانیوم با پوشش اکسید روده‌ای برای تولید رادیکال •OH و ClO⁻؛ تجزیه ترکیبات پایدار کرومات و بخش باقیمانده فلزات تا خالص‌سازی بیشتر.

  3. رزین‌های تبادل یونی (Ion‑Exchange): پساب الکتروشیمیایی‌شده از ستون‌های کاتیونی و آنیونی عبور می‌کند تا یون‌های Cr³⁺، Fe²⁺/³⁺ و سایر فلزات سنگین را به‌صورت نمک‌های خالص بازیابی کند و آب نهایتاً زیر ۱۰ µg/L فلز باشد.

مقایسه نهایی
طرح ۱ از نظر هزینه اولیه کم‌ترین مقدار را دارد اما به‌دلیل فضای زیاد و تولید لجن بالا، ROI محدودی ارائه می‌کند. طرح ۲ با سرمایه‌گذاری متوسط و تجهیزات جمع‌و‌جور، حذف بالای کرومات و فلزات تا ۹۵٪ و هزینه عملیاتی کنترل‌شده، ROI مطلوبی در میان‌مدت دارد. طرح ۳ هرچند گران‌ترین گزینه است، اما در فضای فشرده‌ای پیاده می‌شود، کیفیت پساب صادراتی می‌شود و با قابلیت بازیابی فلزات و درآمد جانبی، در بلندمدت بهترین نرخ بازگشت سرمایه را به همراه دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ادامه سه طرح پیشنهادی برای تصفیه فاضلاب صنایع نساجی و رنگرزی (حاوی رنگ‌های محلول و نمک‌های سنگین) آورده شده است. هر طرح از نظر سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX)، فضای مورد نیاز و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) مقایسه شده و پس از آن اجزای هر طرح به‌طور کامل و عملکرد حذف هر آلاینده تشریح می‌گردد.

طرح ۱: فرایند فیزیکوشیمیایی (رسوب‌گذاری و انعقاد–لخته‌سازی) همراه با تصفیه بیولوژیک ساده

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  این طرح کمترین سرمایه‌گذاری اولیه را نیاز دارد؛ تجهیزاتی مثل مخازن انعقاد و حوضچه ته‌نشینی ساده و پمپ‌های کم‌قدرت کافی است. به‌دلیل ابعاد وسیع مخازن و حوض‌ها، فضای زیادی (معمولاً بیش از ۱۵۰۰ مترمربع برای ظرفیت متوسط) می‌طلبد. نرخ بازگشت سرمایه متوسط رو به پایین است، چون حجم لجن تولیدی بالاست و بخش عمده نمک‌های محلول و رنگ‌های مقاوم حذف نمی‌شوند.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد حذف آلاینده‌ها

  1. مخزن برابرسازی (Equalization): دبی و رنگ‌دهی پساب یکنواخت می‌شود؛ از نوسانات شدت رنگ و شوری جلوگیری و شرایط pH برای مراحل بعد آماده می‌گردد.

  2. واحد انعقاد–لخته‌سازی (Coagulation–Flocculation): افزودن سولفات آلومینیوم یا کلرید فریک باعث خنثی‌سازی بار ذرات رنگ‌زا (مولکول‌های آنیونی) و تشکیل لخته‌های بزرگ می‌شود؛ بخش عمده رنگ‌های محلول و ذرات معلق با لخته‌ها همراه و در حوضچه ته‌نشین می‌گردد.

  3. ته‌نشینی (Sedimentation): لجن سنگین حاوی رنگ‌های جذب‌شده و ذرات معلق رسوب داده می‌شود؛ حذف تقریباً ۶۰–۷۰٪ از COD و ۵۰–۶۰٪ از رنگ (در واحد ADMI) در این مرحله حاصل می‌شود.

  4. فیلتراسیون شنی (Sand Filtration): با عبور از بستر شن، ذرات باقی‌مانده و بخش از لخته‌های ریز گرفته شده و شفافیت پساب افزایش می‌یابد.

  5. راکتور بیولوژیک ساده (Activated Sludge): مواد آلی قابل تجزیه (COD/BOD) تخریب می‌شوند؛ حذف BOD تا ۷۰–۸۰٪ و COD تا ۵۰–۶۰٪ در این مرحله انجام می‌شود. نمک‌های محلول از این بخش عبور می‌کنند و تغییری در شوری ایجاد نمی‌شود.

طرح ۲: جذب روی کربن فعال + اکسیداسیون پیشرفته (AOP) + غشاهای نانو/اولترا‌فیلتراسیون

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  هزینه سرمایه‌گذاری متوسط دارد و فضای لازم میانه است (حدود ۵۰۰–۷۰۰ مترمربع). تجهیزات ستون‌های کربن، راکتور UV/H₂O₂ و ماژول‌های غشایی هزینه‌برند ولی پاک‌کنندگی بالا و کاهش چشمگیر مصرف مواد شیمیایی، ROI نسبتاً خوبی برای پروژه‌های متوسط به بالا رقم می‌زند.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد حذف آلاینده‌ها

  1. مخزن برابرسازی و پیش‌فیلتراسیون: جریان و رنگ‌دهی یکنواخت و ذرات بزرگ‌تر گرفته می‌شوند تا از گرفتگی ستون‌های بعدی جلوگیری گردد.

  2. ستون جذب کربن فعال (GAC): مولکول‌های رنگی هیدروفوب و ترکیبات آلی متوسط وزن (آزوکربن‌ها، فنل‌ها) روی سطح کربن می‌نشینند؛ حذف ۷۰–۸۰٪ از رنگ و COD اولیه.

  3. واحد اکسیداسیون پیشرفته (UV/H₂O₂ یا O₃/H₂O₂): تولید رادیکال •OH منجر به شکستن حلقه‌های آروماتیک و مولکول‌های سخت تجزیه می‌شود؛ حذف بیش از ۸۰٪ از ترکیبات مقاوم رنگزا و کاهش نیتروژن آلی.

  4. غشاهای نانو‌فیلتراسیون (NF) یا اولترافیلتراسیون (UF): NF بخش بزرگی از نمک‌های سبک (مثلاً NaCl) و تقریباً تمام نمک‌های سنگین (نمک‌های مولیبدات، کرومات، سرب) را جدا می‌کند، همچنین ذرات ریز و کلوئیدها را حذف می‌نماید. UF برای حذف میکروارگانیسم‌ها و ذرات معلق بسیار ریز کاربرد دارد. شوری پساب تا ۳۰–۵۰٪ کاهش و رنگ به کمتر از ۱۰٪ مقدار اولیه می‌رسد.

طرح ۳: راکتور غشایی بیولوژیک (MBR) + الکتروکوآگولاسیون + تبخیر و کریستالیزاسیون نمک

• مقایسه اقتصادی، فضایی و ROI
  بیشترین CAPEX و OPEX را دارد، اما به‌واسطه فشردگی تجهیزات (راکتور MBR و سل‌های الکتروشیمیایی) فضای کلی زیر ۴۰۰ مترمربع است. کیفیت پساب خروجی به اندازه‌ای بالاست که حتی قابل استفاده مجدد در فرآیند رنگرزی می‌شود؛ بازیابی نمک‌ها از طریق تبخیر و کریستالیزاسیون، درآمد جانبی قابل توجهی ایجاد و ROI بلندمدت را بسیار بالا می‌برد.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد حذف آلاینده‌ها

  1. راکتور غشایی بیولوژیک (MBR): با ترکیب هوادهی و فیلتراسیون غشایی (UF/MF) در یک واحد، ذرات معلق، باکتری‌ها و بخش عمده COD/BOD حذف می‌شوند؛ حذف بیش از ۹۰–۹۵٪ آلودگی آلی و رنگ‌های محلول.

  2. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation): عبور جریان برق از سل‌های میله‌ای (آهن یا آلومینیوم) یون‌های فلزی در محلول آزاد می‌شوند؛ این یون‌ها با بار رنگ‌ها و ذرات معلق ترکیب شده و لخته‌های ریزتری نسبت به انعقاد شیمیایی شکل می‌دهند. حذف رنگ تا ۹۰–۹۸٪ و فلزات سنگین تا ۹۵٪ با مصرف برق نسبتاً پایین.

  3. واحد تبخیر تحت خلأ و کریستالیزاسیون: بخش آب نمک‌دار پس از NF یا MBR به داخل تبخیرکننده تحت فشار کم هدایت می‌شود؛ بخار آب بازیافت و تغلیظ نمک‌ها انجام می‌گیرد. در نهایت نمک‌های سنگین (Cr, Pb, Zn salts) به‌صورت کریستال خالص برداشت می‌شوند و آب مقطر بازیابی‌شده می‌تواند مجدداً وارد خط تولید گردد.

مقایسه نهایی
طرح ۱ از نظر هزینه اولیه کم‌ترین مقدار و از نظر فضای لازم بیشترین مساحت را می‌طلبد؛ ROI آن محدود است زیرا حذف رنگ مقاوم و نمک‌های محلول صورت نمی‌گیرد. طرح ۲ سرمایه‌گذاری و فضای متوسط دارد ولی با ترکیب جذب کربن، اکسیداسیون پیشرفته و غشاها، می‌تواند بخش بزرگی از رنگ‌ها و نمک‌های سنگین را حذف کند و ROI معقولی ارائه نماید. طرح ۳ گرچه گران‌ترین گزینه است، اما در فضا فشرده بوده و به واسطه کیفیت عالی پساب خروجی و امکان بازیابی مجدد آب و نمک‌ها، در بلندمدت بالاترین نرخ بازگشت سرمایه را خواهد داشت.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ادامه سه طرح متداول و کارا برای تصفیه فاضلاب کارخانه‌های داروسازی که حاوی ترکیبات فعال زیستی (API) و هلگرها (هالوکربن‌ها، هالیدها) هستند، ارائه شده است. هر طرح از نظر سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX)، فضای مورد نیاز و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) مقایسه و سپس اجزای هر طرح با جزئیات عملکرد و آلاینده‌های حذف‌شونده تشریح می‌شود.

طرح ۱: فرایند ترکیبی خنثی‌سازی – ته‌نشینی شیمیایی – زلال‌سازی – بیوفیلتر

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  این طرح کم‌هزینه‌ترین گزینه است و تجهیزات ساده‌ای نیاز دارد، اما به‌دلیل استفاده از مخازن و حوضچه‌های متعدد فضای نسبتاً زیادی می‌طلبد. نرخ بازگشت سرمایه متوسط است چون بخش عمده حذف مواد آلی باکتریایی و رسوب‌گذاری انجام می‌شود اما بازه بازیابی ترکیبات فعال زیستی پایین است. هزینه عملیاتی (مواد شیمیایی و لجن‌برداری) متوسط ارزیابی می‌شود.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. مخزن برابرسازی (Equalization): جریان نوسانی کارخانه را یکنواخت کرده و pH و دبی را برای مراحل بعدی تثبیت می‌کند.

  2. واحد خنثی‌سازی شیمیایی (Chemical Neutralization): هالیدها و ترکیبات هالوکربنی می‌توانند در pH معین با افزودن اسید یا باز خاص تا حدی هیدرولیز یا رسوب دهند. کنترل pH نزدیک ۶–۷ باعث ته‌نشینی برخی نمک‌های هالیدی می‌شود.

  3. لخته‌سازی و ته‌نشینی (Coagulation–Flocculation–Sedimentation): با افزودن پلی‌الکترولیت‌ها، ذرات معلق، کلوئیدها و ترکیبات مولکولی بزرگ (تیلوز، مواد معلق زیستی) در حوضچه ته‌نشین می‌شوند.

  4. زلال‌سازی (Clarification): لجن سنگین رسوب داده‌شده جدا و به فرآیند لجن‌پالایش منتقل می‌شود.

  5. بیوفیلتر (Packed-Bed Biofilter): جریان پس از زلال‌سازی از بستر پرشده (پلیمر یا شن گرانوله) عبور کرده و میکروارگانیسم‌های چسبیده ترکیبات آلی قابل تجزیه (COD/BOD) و برخی APIهای ساده را تجزیه می‌کنند. حذف BOD تا ۸۰–۹۰ درصد و کاهش قابل توجه فلزات و مواد کلاته‌شده در این مرحله رخ می‌دهد.

طرح ۲: راکتور کُندریز (SBR) + اکسیداسیون پیشرفته (AOP) + جذب کربن فعال

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  CAPEX و OPEX متوسط‌به‌بالا دارد (به‌دلیل تجهیزات UV/پراکسید و ستون‌های جذب) ولی فضای کمتر نسبت به طرح ۱ می‌برد، چون راکتورهای SBR به مخزن بزرگ زلال‌سازی نیاز ندارند. ROI مطلوب است زیرا با بازیابی بخشی از APIها و حذف کامل ترکیبات مقاوم، هزینه‌های جریمه زیست‌محیطی کاهش می‌یابد و کیفیت پساب به اندازه‌ای بالا می‌رود که قابلیت استفاده مجدد در فرایندهای کم‌خطر را دارد.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. راکتور ناپیوسته متوالی یا SBR (Sequencing Batch Reactor): فازهای خوراک‌دهی، هوا‌دهی و سکون متوالی، تجزیه بخش عمده BOD و TSS و مقداری از ترکیبات فعال زیستی را انجام می‌دهد. مزیت: کنترل دقیق زمان ماند و pH هر فاز برای بهینه‌سازی حذف مواد خاص.

  2. واحد اکسیداسیون پیشرفته (AOP): پساب خروجی SBR تحت تابش UV همراه H₂O₂ (یا ترکیب اوزون/پراکسی) قرار می‌گیرد تا رادیکال‌های •OH تولید و مولکول‌های پایدار API (مثل آنتی‌بیوتیک‌ها، هورمون‌ها) و هالوکربن‌ها به قطعات کوچک‌تر و قابل تجزیه تبدیل شوند.

  3. ستون جذب کربن فعال (GAC): پساب از ستون کربن عبور کرده و حلال‌های آلی باقی‌مانده، کلورفرم، تری‌هالومتان‌ها و مولکول‌های بزرگ تجزیه‌نشده روی سطح جذب می‌شوند. این مرحله تضمین حذف ۹۵–۹۹٪ ترکیبات هیدروفوب و هالوکربنی است.

طرح ۳: غشایی MBR (MBR) + اکسیداسیون الکتروشیمیایی + الکترودیالیز

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  بالاترین CAPEX و OPEX را دارد، اما در فضا بسیار فشرده است و کیفیت پساب خروجی بسیار بالا (قابل ورود به چرخه تولید یا تخلیه بدون محدودیت) می‌شود. ROI در بلندمدت عالی است، زیرا هزینه پساب صفر شده و می‌توان بخش قابل توجهی از آب و نمک‌های ارزشمند را بازیافت کرد.

• اجزای اصلی و عملکرد

  1. راکتور غشایی بیولوژیک (MBR – Membrane Bioreactor): ترکیبی از راکتور هوادهی و فیلتراسیون غشایی (UF یا MF) که تمام ذرات معلق، باکتری‌ها، و بخش عظیمی از ترکیبات آلی درون فازی را جدا می‌کند. حذف BOD، TSS نزدیک به ۹۹٪ اتفاق می‌افتد.

  2. اکسیداسیون الکتروشیمیایی (Electrochemical Oxidation): جریان الکتریکی در سل الکترولیتیک بین الکترودهای خاص (گرافیتی یا تیتانیوم با پوشش اکسید فلزی) تولید رادیکال‌های قوی و اکسیدان‌هایی مانند •OH و ClO⁻ می‌کند. این بخش ترکیبات API با پیوندهای پایدار و هالیدها را اکسید و معدنی‌سازی می‌کند.

  3. الکترودیالیز (Electrodialysis): پساب غلیظ غشاءشده حاوی یون‌های هالید و نمک‌ها است؛ در این مرحله با عبور جریان الکتریکی از غشاءهای تبادل یونی، یون‌های خاص (Cl⁻، Br⁻، و سایر کاتین‌ها/آنیون‌ها) جدا شده و می‌توان آن‌ها را به‌صورت نمک خالص بازیافت کرد.

مقایسه نهایی
طرح ۱ از لحاظ سرمایه‌گذاری اولیه کمترین هزینه را دارد و نگهداری ساده است اما به فضای بزرگ و هزینه عملیاتی متوسط نیاز دارد و ROI آن محدود است. طرح ۲ هزینه و فضای متوسط می‌طلبد ولی با حذف پیشرفته ترکیبات مقاوم و بازیابی حلال/API، ROI مناسبی دارد. طرح ۳ گران‌ترین و پیچیده‌ترین گزینه است اما به لطف انعطاف‌پذیری بالا و کیفیت آب خروجی ممتاز و امکان بازیابی نمک‌ها و آب، در درازمدت بیشترین بازگشت سرمایه را رقم می‌زند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ادامه سه طرح برای تصفیه فاضلاب صنایع شیمیایی و پتروشیمی ارائه شده، هر کدام را از نظر هزینه سرمایه‌گذاری (CAPEX)، حجم فضای مورد نیاز و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) مقایسه شده و سپس اجزای هر طرح را با شرح عملکردشان توضیح می‌گردد.

طرح ۱: واحد خنثی‌سازی و جداسازی روغن-آب + تصفیه بیولوژیکی

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  این طرح کمترین هزینه اولیه را دارد و از فضای نسبتاً زیادی (به‌خاطر مخازن خنثی‌سازی، شناورسازی و حوضچه بیولوژیک) بهره می‌برد. نرخ بازگشت سرمایه آن متوسط است؛ چرا که قابلیت بازیابی حلال‌های آلی کم و سرعت تصفیه محدود است، اما هزینه عملیاتی پایین است و اپراتوری ساده دارد.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد هر بخش

  1. مخزن برابرسازی (Equalization): جریان ورودی یکنواخت می‌شود تا نوسانات دبی و غلظت اسیدی/بازی تعدیل گردد.

  2. واحد خنثی‌سازی (Neutralization): اسید و باز با تزریق آهک یا اسید سولفوریک کنترل شده به pH حدود 7 رسانده می‌شود؛ بدین‌ترتیب فلزات سنگین و برخی کمپلکس‌ها به صورت هيدروکسید رسوب می‌کنند.

  3. شناورسازی با هوای محلول (DAF): روغن‌های آزاد و ذرات سبک معلق با ایجاد حباب‌های ریز جدا می‌شوند.

  4. راکتور بیولوژیک (Activated Sludge): آلاینده‌های قابل بیولوژیک (COD/BOD) تجزیه می‌شوند و بخش عمده مواد آلی باکتریایی‎زُدایی (بیش از ۸۰ – ۹۰%) حذف می‌گردد.

  5. رسوب‌گذاری ثانویه و لخته‌سازی (Secondary Clarifier): لجن فعال از پساب جدا و به چرخه برگشت می‌گردد؛ لجن اضافی به فرایند لجن‌پالایش منتقل می‌شود.

طرح ۲: فرایند ترکیبی شیمیایی پیشرفته + جذب کربن فعال + تصفیه غشایی

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  هزینه سرمایه‌گذاری متوسط رو به بالا دارد، ولی به‌دلیل کوچک‌تر شدن حجم مخازن و توان بالای بازیابی حلال (و در نتیجه فروش حلال بازیافت‌شده) نرخ بازگشت سرمایه مطلوب است. فضای مورد نیاز کمتر از طرح ۱ است، اما تجهیزات پیشرفته (پمپ‌ها، فیلترها و ستون‌های جذب) هزینه بر هستند.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد هر بخش

  1. مخزن برابرسازی و خنثی‌سازی: مشابه طرح ۱ اما با دقت pH پایین‌تر (مثلاً pH = 5–6) تا برخی ترکیبات آلی تثبیت‌شده قبل از جذب آماده شوند.

  2. پیش‌فیلتراسیون (Sand/Cartridge): ذرات درشت و کدری‌ها گرفته می‌شوند تا از گرفتگی ستون جذب و ممبران جلوگیری شود.

  3. ستون جذب کربن فعال (GAC): حلال‌های آلی (BTEX, هیدروکربن‌های فرار) و مولکول‌های بزرگ آلی روی سطح کربن نشسته و حذف می‌گردند.

  4. فیلتر ممبران اولترافیلتراسیون (UF): ذرات معلق کوچک، کلوئیدها و باکتری‌ها جدا می‌شوند و پساب برای مرحله بعد شفاف می‌شود.

  5. رزین تبادل یونی یا زیرفیلتراسیون معکوس (RO): یون‌های باقیمانده، فلزات سنگین و املاح محلول حذف می‌شوند و آب با کیفیت بسیار بالا (قابل بازچرخش صنعتی) تولید می‌شود.

  6. واحد بازیابی حلال (Solvent Recovery): خوراک متراکم RO یا بخشی از جریان غلیظ‌شده وارد برج تقطیر یا استخراج فازی می‌شود تا حلال‌های آلی بازیافت و بهای فروش آنها جبران هزینه تجهیزات گردد.

طرح ۳: اکسیداسیون پیشرفته (AOP) + تقطیر خلأ + تصفیه ثانویه

• مقایسه اقتصادی و فضایی و ROI
  بیشترین CAPEX را دارد و از نظر فضای لازم بسیار فشرده است (چون برج تقطیر و راکتور AOP ابعاد کوچکی دارند). با این حال، به‌واسطه‌ی امکان بازیابی کامل حلال و تبدیل آلاینده‌های مقاوم به ترکیبات ساده قابل بیولوژیک، ROI بالایی دارد. هزینه انرژی و نگهداری بالاست ولی درآمد جانبی از حلال‌های خالص بازیابی‌شده جبران‌کننده است.

• اجزای اصلی طرح و عملکرد هر بخش

  1. راکتور اکسیداسیون پیشرفته (Fenton/Ozone/UV): رادیکال‌های •OH تولید شده، ترکیبات مقاوم نظیر فنل‌ها، کلروفنولات‌ها و سایر هیدروکربن‌های معطر را به اسیدهای کوچک‌تر، دی‌اکسید کربن و آب تبدیل می‌کنند.

  2. برج تقطیر خلأ (Vacuum Distillation): حلال‌های آلی فرار (مثل استون، تولوئن و سایر هیدروکربن‌های سبک) در فشار پایین جدا و خالص‌سازی شده، بدون دمای بالا که باعث تجزیه حرارتی شود.

  3. واحد خنثی‌سازی و رسوب‌گذاری (Post‑Neutralization): پساب اسیدی یا بازی المنتج از AOP با خنثی‌سازی نهایی به pH مناسب برای ورود به بخش بیولوژیک یا پساب خروجی تنظیم می‌شود.

  4. بیوفیلتر یا راکتور بیولوژیک باریک (Packed‑Bed Bioreactor): اسیدها و COD باقی‌مانده پس از AOP، توسط میکروارگانیسم‌های چسبیده روی بستر (مثل رزین یا گرانول) حذف می‌شود و کیفیت پساب به استاندارد می‌رسد.

مقایسه نهایی
از منظر سرمایه‌گذاری اولیه، طرح ۱ کم‌هزینه و با پیچیدگی عملیاتی پایین است اما فضایی بزرگ می‌طلبد و بازیابی حلال ندارد؛ ROI آن به دلیل عدم درآمدزایی جانبی متوسط است. طرح ۲ تعادلی میان هزینه و پیچیدگی دارد: فضای متوسط، هزینه متوسط، ولی قابلیت بازیابی حلال و تولید آب صنعتی باکیفیت، ROI مناسبی فراهم می‌کند. طرح ۳ بالاترين هزينه سرمايه‌ای و بهره‌برداری را دارد ولی در فضا بسيار فشرده است و با بازیابی کامل حلال‌ها و حذف اکثر آلاینده‌ها، بالاترين ROI را در بلندمدت به‌دنبال دارد.

هر سه طرح می‌توانند بسته به مقیاس تولید، نوع دقیق پساب (غلظت اسیدی/بازی و نوع حلال) و قیمت انرژی/مصالح در منطقه، تنظیم و بهینه‌سازی شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

روش‌های سنتی و نوین حذف کلیفرم‌ها در تصفیه آب و فاضلاب

۱. کلیفرم‌ها و اهمیت حذف آنها

کلیفرم‌ها (شاخص آلودگی مدفوعی) شامل باکتری‌هایی مانند E. coli هستند که نشانگر آلودگی آب به پاتوژن‌های خطرناک (مانند وبا و حصبه) می‌باشند.

• استانداردهای مجاز:

  • آب شرب: صفر کلیفرم در ۱۰۰ میلی‌لیتر (WHO/EPA).

  • فاضلاب تصفیه‌شده: ≤ ۱۰۰۰ MPN/100 mL (بر اساس کاربرد مجدد).

۲. روش‌های سنتی حذف کلیفرم‌ها

الف. کلرزنی (Chlorination)

• مکانیسم: گندزدایی با واکنش کلر با دیواره سلولی باکتری.

• پارامترهای کلیدی:

  • CT Value: غلظت کلر (mg/L) × زمان تماس (دقیقه) → حداقل ۱۵ mg·min/L برای حذف ۹۹.۹% کلیفرم.

  • باقیمانده کلر آزاد: ۰.۲–۰.۵ mg/L (برای جلوگیری از آلودگی ثانویه).

• معایب: تشکیل ترکیبات جانبی سرطان‌زا (THMs، HAAs).

ب. جوشاندن (Boiling)

• کاربرد: سیستم‌های کوچک یا اضطراری.

• شرایط: جوشاندن آب به مدت ۱ دقیقه (در سطح دریا) تا ۳ دقیقه (ارتفاعات بالا).

ج. فیلتراسیون شن (Sand Filtration)

• مکانیسم: حذف فیزیکی باکتری‌ها همراه با ذرات معلق.

• راندمان: ۵۰–۹۰% (در صورت ترکیب با انعقاد).

۳. روش‌های نوین حذف کلیفرم‌ها

الف. پرتو فرابنفش (UV Disinfection)

• مکانیسم: تخریب DNA باکتری با طول موج ۲۵۴ نانومتر.

• پارامترهای طراحی:

  • دوز UV: حداقل ۴۰ mJ/cm² برای حذف ۹۹.۹۹% کلیفرم.

  • شفافیت آب: NTU < ۱ برای عبور مؤثر پرتو.

• مزایا: عدم تشکیل ترکیبات جانبی، مناسب برای آب‌های کم کدورت.

ب. فیلتراسیون غشایی (Membrane Filtration)

• انواع:

  • اولترافیلتراسیون (UF): حذف ذرات > ۰.۰۱ μm.

  • نانوفیلتراسیون (NF) و اسمز معکوس (RO): حذف کامل باکتری‌ها.

• شار غشایی: ۵۰–۱۵۰ LMH (لیتر بر متر مربع در ساعت).

ج. الکتروکوآگولاسیون (Electrocoagulation)

• مکانیسم: تولید یون‌های فلزی (Al³⁺/Fe³⁺) با جریان الکتریکی برای لخته‌سازی و حذف باکتری.

• ولتاژ: ۱۰–۵۰ ولت، زمان تماس: ۱۰–۳۰ دقیقه.

د. اکسیداسیون پیشرفته (AOPs)

• ترکیبات: ازون/پراکسید هیدروژن (O₃/H₂O₂)، UV/کلر.

• مکانیسم: تولید رادیکال‌های آزاد (مانند OH·) برای تخریب دیواره سلولی.

۴. محاسبات کلیدی

الف. محاسبه دوز کلر

• فرمول:

  دوز کلر (mg/L) = (CT مورد نیاز) / زمان تماس (دقیقه)  

  • مثال: CT = ۱۵ mg·min/L، زمان تماس = ۳۰ دقیقه → دوز = ۰.۵ mg/L.

ب. انرژی UV مورد نیاز

• فرمول:

  انرژی (mJ/cm²) = شدت تابش (μW/cm²) × زمان تماس (ثانیه)  

  • مثال: شدت ۴۰۰ μW/cm²، زمان ۱۰۰ ثانیه → انرژی = ۴۰ mJ/cm².

ج. مساحت غشا در فیلتراسیون

• فرمول:

  سطح غشا (m²) = دبی (m³/day) / (شار غشایی (LMH) × ۲۴)  

  • مثال: دبی ۱۰ m³/day، شار ۱۰۰ LMH → سطح ≈ ۴.۱۶ m².

۵. طراحی سیستم‌ها

الف. سیستم UV

• اجزا:

  • لامپ‌های UV-C در محفظه استیل ضدزنگ.

  • سیستم تمیزکننده خودکار (برای جلوگیری از رسوب).

• نکات: نصب پس از فیلتراسیون برای کاهش کدورت.

ب. سیستم کلرزنی

• تجهیزات:

  • مخزن ذخیره کلر (گاز/مایع).

  • مخزن تماس با زمان ماند ≥ ۳۰ دقیقه.

ج. سیستم الکتروکوآگولاسیون

• طراحی:

  • سلول الکترولیتی با الکترودهای آلومینیوم/آهن.

  • منبع تغذیه DC با کنترل جریان.

۶. مقایسه روش‌ها

روش مزایا معایب هزینه

کلرزنی ارزان ، باقیمانده محافظ تشکیل THMs کم

UV عدم ترکیبات جانبی وابسته به شفافیت آب متوسط

غشایی حذف کامل باکتری‌ها هزینه بالای نگهداری بالا

الکتروکوآگولاسیون حذف همزمان فلزات سنگین مصرف انرژی بالا متوسط-بالا

۷. اجرا و چالش‌ها

• کلرزنی: مدیریت THMs با استفاده از کربن فعال یا جایگزینی کلرامین.

• UV: پایش مداوم شدت لامپ‌ها و شفافیت آب.

• غشایی: شستشوی معکوس (Backwash) دوره‌ای برای جلوگیری از گرفتگی.

• الکتروکوآگولاسیون: جایگزینی الکترودها به دلیل خوردگی.

۸. مثال طراحی

شرایط:

• دبی فاضلاب: ۲۰۰ m³/day

• روش انتخابی: ترکیبی از UV + کلرزنی.

محاسبات:

• دوز UV: ۴۰ mJ/cm² → انتخاب دستگاه با توان ۸۰۰ W و زمان تماس ۶۰ ثانیه.

• دوز کلر: ۰.۵ mg/L (برای باقیمانده محافظ) → مصرف روزانه: ۰.۱ kg/day.

تجهیزات:

• محفظه UV با ۱۰ لامپ ۸۰ واتی.

• مخزن ۵۰۰ لیتری هیپوکلریت سدیم با پمپ دوزینگ.

۹. نتیجه‌گیری

انتخاب روش حذف کلیفرم‌ها به عواملی مانند هزینه، مقیاس سیستم، و ملاحظات محیط‌ زیستی بستگی دارد. روش‌های سنتی مانند کلرزنی برای سیستم‌های بزرگ مقرون‌به‌صرفه هستند، در حالی که فناوری‌های نوین مانند UV و غشایی برای آب‌های با کیفیت بالا و حساسیت بهداشتی مناسب‌اند. ترکیب روش‌ها (مثال: UV + کلر) می‌تواند ایمنی و راندمان را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

لاینینگ (Slip Lining): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای لاینینگ

این روش برای بازسازی لوله های فرسوده بدون حفاری گسترده با قراردادن لوله جدید در داخل لوله قدیمی استفاده میشود. انواع اصلی عبارتند از:

• لاینینگ پیوسته (Continuous Slip Lining):

  • استفاده از لوله های پلیاتیلن (HDPE) یا PVC که بهصورت پیوسته جوش داده شده و به داخل لوله قدیمی کشیده میشوند.

  • مناسب برای لوله های با طول زیاد و قطر متوسط (تا ۱۲۰۰ میلیمتر).

• لاینینگ قطعهای (Segmental Slip Lining):

  • استفاده از لوله های کوتاه (مانند GRP یا فولاد) که به صورت قطع های در داخل لوله قدیمی نصب میشوند.

  • مناسب برای لوله های با قطر بزرگ یا مسیرهای پیچیده.

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبه قطر لوله جدید:
  Dnew=Dold−2×tliner−فاصلۀ آزاد

  • tliner​=ضخامت لاینر.

  • کاهش قطر لوله باید بهگونهای باشد که حداقل ۸۵٪ ظرفیت هیدرولیکی لوله قدیمی حفظ شود.

• محاسبه افت فشار پس از نصب:

  • استفاده از معادلۀ منینگ یا هیزن-ویلیامز با در نظر گرفتن قطر کاهشیافته و زبری لاینر.

  • مثال:
    Q=n1​×A×R2/3×S1/2
    n=ضریب زبری منینگ، A=سطح مقطع، R=شعاع هیدرولیک

• نیروی کششی مورد نیاز:
  Fpull​=μ×W×L+Fbending​

  • μ=ضریب اصطکاک، W=وزن لوله جدید، L=طول مسیر

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• سیستم کششی:

  • وینچ هیدرولیک با ظرفیت ۲۰-۱۰۰ تُن (بسته به قطر و جنس لوله).

  • غلتک های هدایتگر برای جلوگیری از آسیب به لوله جدید در هنگام کشش.

• لوله جدید:

  • HDPE: مقاوم در برابر خوردگی و انعطافپذیر (برای مسیرهای منحنی).

  • GRP (فایبرگلاس): سبک و مقاوم در برابر فشارهای خارجی.

• دستگاه جوش HDPE:

  • برای اتصال لوله های پلیاتیلن با روش الکتروفیوژن یا بات فیوژن.

• پمپ تزریق دوغاب:

  • برای پرکردن فضای حلقوی بین لوله قدیمی و جدید با دوغاب سیمانی یا رزین.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه:

• بازرسی لوله قدیمی با دوربین CCTV برای شناسایی شکستگیها، رسوبات، یا انحرافات.

• اندازه گیری دقیق قطر و زبری سطح داخلی.

۲. پاکسازی لوله قدیمی:

• استفاده از دستگاه رودور (Rodder) یا جتهای آب پرفشار برای حذف رسوبات و زباله ها.

۳. آماده سازی لوله جدید:

• جوشکاری لوله های HDPE بهصورت پیوسته در محل پروژه.

• نصب سر هدایتگر (Leading Edge) برای کاهش اصطکاک در حین کشش.

۴. کشش لوله جدید:

• لوله جدید از طریق چالۀ ورودی (Launch Pit) به داخل لوله قدیمی کشیده میشود.

• نیروی کششی توسط وینچ هیدرولیک اعمال شده و همترازی لوله با سنسورهای نوری کنترل میشود.

۵. تزریق دوغاب:

• فضای خالی بین لوله قدیمی و جدید با دوغاب سیمانی یا رزین اپوکسی پر میشود تا از حرکت جانبی لاینر جلوگیری شود.

۶. تست نهایی:

• تست فشار آب یا هوا برای اطمینان از آببندی.

• بازرسی نهایی با CCTV.

۵. چالشها و راهکارها

• کاهش قطر لوله:

  • راهکار: استفاده از لاینرهای با سطح داخلی صیقلی (مانند HDPE) برای جبران افت فشار.

• انسداد در مسیر کشش:

  • راهکار: پیشپاکسازی دقیق لوله قدیمی و استفاده از سر هدایتگر با قابلیت عبور از موانع.

• ترک خوردگی لوله جدید در حین کشش:

  • راهکار: محدودکردن نیروی کششی و استفاده از لوله های با مقاومت کششی بالا (مثلاً HDPE با گرید PE100).

۶. مزایای لاینینگ

• کاهش هزینه ها: نیاز به حفاری محدود و عدم تخریب سطح معابر.

• سرعت اجرا: نصب تا ۱۰۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• افزایش عمر لوله: تا ۵۰ سال با استفاده از مواد مقاوم.

۷. کاربردهای اصلی

• بازسازی لوله های آب، فاضلاب، و گاز با قطر ۱۰۰-۱۲۰۰ میلیمتر.

• عبور از زیر جاده ها، رودخانه ها، یا مناطق تاریخی بدون آسیب به محیط.

با استفاده از لاینینگ، شبکه های فرسوده با کمترین اختلال در زیرساختهای شهری بازسازی میشوند. انتخاب بین لاینینگ پیوسته و قطعی به عواملی مانند قطر لوله، انعطاف پذیری ماده، و بودجه پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

لوله گردابی (Vortex Tube):

لوله گردابی (Vortex Tube) یک دستگاه ساده و بدون قطعه متحرک است که با استفاده از هوای فشرده، جریان هوا را به دو بخش سرد و گرم تقسیم میکند. این پدیده بر اساس اثر رانک-هیلش (Ranque-Hilsch Effect) کار میکند و در صنایع مختلف برای خنککاری موضعی یا گرمادهی استفاده میشود.

۱. مکانیزم کار لوله گردابی

• ورود هوای فشرده: هوای فشرده (معمولاً ۵ تا ۱۰ بار) از طریق نازل مماسی به داخل لوله تزریق میشود.

• تشکیل گردابه: هوای فشرده با سرعت بالا (~۱ میلیون دور در دقیقه) درون لوله میچرخد و یک جریان گردابی قوی ایجاد میکند.

• جداسازی دما:

  • لایه بیرونی: مولکولهای هوا در اثر اصطکاک و فشار بالا، انرژی جنبشی خود را به گرما تبدیل میکنند (تا +۱۲۷°C).

  • لایه درونی: مولکولهای مرکزی انرژی جنبشی خود را از دست داده و سرد میشوند (تا -۵۰°C).

• خروج جریانها: جریان گرم از انتهای یک طرف و جریان سرد از انتهای دیگر خارج میشود.

۲. طراحی لوله گردابی

الف) اجزای اصلی

• نازل ورودی: طراحی مماسی برای ایجاد جریان گردابی.

• محفظه گردابی: لوله استوانهای با قطر ۵ تا ۳۰ میلیمتر و طول ۱۰ تا ۳۰ سانتیمتر.

• شیر تنظیم (Valve Cone): کنترل نسبت جریان سرد به گرم (Cold Fraction).

• دیفیوزر خروجی: جداکننده جریان سرد و گرم.

ب) پارامترهای طراحی

• نسبت طول به قطر (L/D): معمولاً بین ۳۰ تا ۵۰ برای حداکثر کارایی.

• نازل ورودی: قطر نازل بر اساس دبی هوای فشرده (معمولاً ۱ تا ۵ میلیمتر).

• جنس لوله: فولاد ضدزنگ یا آلومینیوم برای تحمل فشار و دما.

۳. محاسبات کلیدی

الف) نسبت جریان سرد (Cold Fraction)

Fraction (CF)=(m˙cold​/m˙total​​)×100

• محدوده کاربردی: ۲۰٪ تا ۸۰٪.

• نکته: با کاهش CF، دمای جریان سرد کمتر و دمای جریان گرم بیشتر میشود.

ب) افت دما در جریان سرد

ΔTcold​=Tinlet​−Tcold​

• معمولاً تا ۵۰°C کاهش دما (بسته به فشار ورودی و طراحی).

ج) بازده سرمایشی

Pcooling​=(​(Q˙​cold)/(Pcompressed air)​​

• بازده معمول: ۱۰–۲۵٪ (پایینتر از سیستمهای تبرید معمولی).

۴. موارد مصرف لوله گردابی

• خنک کاری صنعتی:

  • ابزارهای برش در ماشینهای CNC.

  • خنک کاری قالب های تزریق پلاستیک.

• سیستم های کنترل دما:

  • خنک کردن سنسورهای الکترونیکی در محیطهای داغ.

  • خشک کردن سریع سطوح با جریان گرم.

• کاربردهای پزشکی:

  • بیحسی موضعی با هوای سرد در جراحیهای کوچک.

• صنایع غذایی:

  • انجماد سریع محصولات در خط تولید.

۵. مزایا و معایب

الف) مزایا

• سادگی ساخت: بدون قطعات متحرک یا نیاز به برق.

• قابلیت اطمینان بالا: عمر طولانی و نگهداری آسان.

• تنظیم سریع دما: با تغییر Cold Fraction.

ب) معایب

• بازده انرژی پایین: مصرف بالای هوای فشرده.

• نویز بالا: سرعت چرخش هوا باعث ایجاد صدای زیاد (~۱۰۰ دسیبل).

۶. مثال طراحی

• ورودی: هوای فشرده ۸ بار با دبی ۱۰۰ لیتر بر دقیقه.

• خروجی ها:

  • جریان سرد: ۳۰٪ دبی (۳۰ لیتر/دقیقه) با دمای -۲۰°C.

  • جریان گرم: ۷۰٪ دبی (۷۰ لیتر/دقیقه) با دمای +۸۰°C.

۷. جمع بندی

لوله گردابی به دلیل سادگی و عدم نیاز به انرژی الکتریکی، در کاربردهای صنعتی که دسترسی به هوای فشرده آسان است، گزینه مناسبی است. هرچند بازده انرژی پایینی دارد، اما در خنک کاری موضعی و شرایط اضطراری بسیار کاربردی است. طراحی آن مبتنی بر بهینه سازی نسبت طول به قطر و تنظیم دقیق Cold Fraction است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب