مرجع تخصصی آب و فاضلاب

انواع تصفیه بیولوژیک فاضلاب، واحدها، روش‌ها، محاسبات، ساخت و شیوه اجرا

۱. انواع روش‌های تصفیه بیولوژیکی

تصفیه بیولوژیکی از میکروارگانیسم‌ها برای تجزیه مواد آلی فاضلاب استفاده می‌کند. روش‌های اصلی عبارتند از:

• ۱.۱. سیستم لجن فعال (Activated Sludge Process):

  • مکانیسم: هوادهی فاضلاب همراه با مخلوط میکروارگانیسم‌ها (لجن فعال) برای تجزیه مواد آلی.

  • واحدها:

    • مخزن هوادهی (Aeration Tank): تزریق اکسیژن و مخلوط‌سازی.

    • حوضچه ته‌نشینی ثانویه (Secondary Clarifier): جداسازی لجن از آب تصفیه‌شده.

    • بازگردش لجن (Return Activated Sludge): بازگرداندن بخشی از لجن به مخزن هوادهی.

• ۱.۲. راکتور بیوفیلمی (Biofilm Reactors):

  • مکانیسم: رشد میکروارگانیسم‌ها بر روی سطح بستر (مثل سنگ، پلاستیک یا رسانه‌های مصنوعی).

  • انواع:

    • فیلترهای چکنده (Trickling Filters): پاشش فاضلاب بر روی بستر سنگی یا پلاستیکی.

    • راکتور بیولوژیکی با بستر متحرک (MBBR): استفاده از رسانه‌های شناور در مخزن هوادهی.

    • راکتور بیوفیلم غشایی (MBBR Hybrid): ترکیب بیوفیلم و لجن فعال.

• ۱.۳. لاگون‌های هوازی و بی‌هوازی (Aerobic & Anaerobic Lagoons):

  • هوازی: استفاده از اکسیژن طبیعی یا مکانیکی برای تجزیه مواد آلی.

  • بی‌هوازی: تجزیه مواد آلی در غیاب اکسیژن و تولید بیوگاز (متان).

• ۱.۴. سیستم‌های رشد چسبیده (Attached Growth Systems):

  • مثال: فیلترهای بیولوژیکی چرخان (RBC) یا بسترهای ثابت.

۲. محاسبات کلیدی

۲.۱. سیستم لجن فعال

• زمان ماند هیدرولیکی (HRT):
  HRT=V/Q​

  • V: حجم مخزن هوادهی (m³)، QQ: دبی فاضلاب (m³/day).

• زمان ماند سلولی (SRT):
  SRT=(V×X)/(Qw×Xw)​

  • X: غلظت لجن در مخزن هوادهی (mg/L)، QwQw​: دبی تخلیه لجن (m³/day).

• بارگذاری آلی (F/M Ratio):
  (F/M=(Q×S)/(V×X​​

  • S0​: BOD ورودی (mg/L).

• نیاز اکسیژن (OUR):
  OUR=Q×(S0−Se)×1.42  (kg O₂/day)

۲.۲. فیلتر چکنده

• بارگذاری هیدرولیکی (HLR):
  HLR=Q/A  (m³/m²/day)

  • A: سطح فیلتر (m²).

• بارگذاری آلی (OLR):
  OLR=(Q×S0)/A  (kg BOD/m²/day).

۲.۳. لاگون بی‌هوازی

• زمان ماند (HRT): ۲۰–۵۰ روز.

• بارگذاری آلی (OLR): ۱–۵ kg COD/m³/day.

۳. ساخت و تجهیزات

۳.۱. سیستم لجن فعال

• مخزن هوادهی:

  • جنس: بتن مسلح یا فولاد ضدزنگ.

  • هواده‌ها: دیفیوزرهای حباب ریز (Fine Bubble) یا هواده‌های سطحی.

• حوضچه ته‌نشینی:

  • اسکریپر لجن: سیستم مکانیکی برای جمع‌آوری لجن.

• پمپ‌ها: انتقال لجن بازگردشی و مازاد.

۳.۲. فیلتر چکنده

• بستر: سنگ آهک، پلاستیک یا رسانه‌های مصنوعی با سطح ویژه بالا.

• سیستم پاشش: نازل‌های چرخان یا ثابت.

• زیرسازی: لایه زهکشی برای جمع‌آوری آب تصفیه‌شده.

۳.۳. راکتور MBBR

• رسانه‌های شناور: پلیاتیلن با سطح ویژه ۵۰۰–۸۰۰ m²/m³.

• مخزن: فولاد یا بتن با سیستم هوادهی.

۴. شیوه اجرا

۴.۱. مراحل اجرای سیستم لجن فعال

۱. مطالعات اولیه: آنالیز فاضلاب (BOD، TSS، دما).
۲. طراحی: تعیین حجم مخزن هوادهی، زمان ماند و بارگذاری.
۳. ساخت:

• بتن‌ریزی مخزن هوادهی و نصب دیفیوزرها.

• نصب سیستم کنترل هوادهی (DO ≥ 2 mg/L).
  ۴. راه‌اندازی:

• تلقیح لجن فعال از یک سیستم موجود.

• تنظیم دبی بازگردش لجن (معمولاً ۳۰–۵۰٪ دبی ورودی).
  ۵. نگهداری:

• مانیتورینگ مداوم DO، MLSS و SVI.

• تخلیه لجن مازاد برای حفظ SRT.

۴.۲. مراحل اجرای فیلتر چکنده

۱. آماده‌سازی بستر: نصب لایه زهکشی و رسانه بیولوژیکی.
۲. نصب سیستم پاشش: تنظیم فشار و الگوی پاشش.
۳. راه‌اندازی: رشد بیوفیلم بر روی رسانه (۲–۴ هفته).
۴. نگهداری: شستشوی دوره‌ی بستر برای جلوگیری از گرفتگی.

۵. چالش‌ها و راهکارها

• کف کردن (Foaming):

  • راهکار: افزودن مواد ضدکف یا تنظیم SRT.

• شناورشدن لجن (Bulking):

  • راهکار: افزایش اکسیژن یا افزودن مواد منعقدکننده.

• بوی نامطبوع:

  • راهکار: استفاده از سیستم‌های پوشش یا بیوفیلترهای بو.

۶. مثال کاربردی

• پارامترهای طراحی برای یک سیستم لجن فعال:

  • دبی فاضلاب: ۱۰۰۰ m³/day.

  • BOD ورودی: ۳۰۰ mg/L.

  • حجم مخزن هوادهی: V=(Q×SRT)/X=(۱۰۰۰×۱۰)/۳۰۰۰=۳.۳ مترمکعب

  • نیاز اکسیژن: ۱۰۰۰×(۳۰۰−۳۰)×1.42=۳۸۳ kg O₂/day.

۷. ملاحظات زیست‌محیطی

• تولید بیوگاز: در سیستم‌های بی‌هوازی، جمع‌آوری متان برای تولید انرژی.

• مدیریت لجن: خشک‌کردن، کمپوست یا سوزاندن با رعایت استانداردهای EPA.

تصفیه بیولوژیکی هسته اصلی سیستم‌های تصفیه فاضلاب است و انتخاب روش مناسب به عواملی مانند دبی، کیفیت فاضلاب، فضای موجود و هزینه‌های عملیاتی بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

ته‌نشینی فاضلاب: روش‌ها، محاسبات، ساخت و شیوه اجرا

۱. هدف ته‌نشینی

ته‌نشینی (Sedimentation) فرآیندی برای جداسازی ذرات معلق (جامدات، چربی‌ها و مواد آلی) از فاضلاب با استفاده از نیروی گرانش است. این فرآیند در حوضچه‌های ته‌نشینی (Clarifiers) انجام می‌شود و دو هدف اصلی دارد:

• کاهش بار آلودگی (BOD و TSS) قبل از ورود به مراحل بیولوژیکی.

• جمع‌آوری لجن اولیه (Primary Sludge) یا لجن ثانویه (Secondary Sludge).

۲. انواع حوضچه‌های ته‌نشینی

۱. ته‌نشینی اولیه (Primary Sedimentation):

• قبل از فرآیندهای بیولوژیکی برای حذف ذرات درشت.

• زمان ماند: ۱.۵–۲.۵ ساعت.

• راندمان: کاهش ۵۰–۷۰٪ TSS و ۲۵–۴۰٪ BOD.

۲. ته‌نشینی ثانویه (Secondary Sedimentation):

• پس از فرآیندهای بیولوژیکی (مانند لجن فعال) برای جداسازی بیومس.

• زمان ماند: ۲–۴ ساعت.

• راندمان: کاهش ۸۵–۹۵٪ TSS.

۳. ته‌نشینی شیمیایی (Chemical Sedimentation):

• افزودن مواد منعقدکننده (مانند آلوم یا پلیمر) برای بهبود ته‌نشینی.

۳. روش‌های طراحی و محاسبات

محاسبات کلیدی

۱. سرعت ته‌نشینی (Stokes Law):

vs=(g(ρp−ρw)d²)/18μ

• vs​: سرعت ته‌نشینی (m/s).

• ρp​: چگالی ذره (kg/m³).

• ρf​: چگالی فاضلاب (≈۱۰۰۰ kg/m³).

• d: قطر ذره (m).

• μ: ویسکوزیته دینامیکی آب (≈۰.۰۰۱ Pa.s).

۲. سطح بارگذاری (Surface Loading Rate):
SLR=Q/A​

• Q: دبی فاضلاب (m³/day).

• A: سطح مقطع حوضچه (m²).

• مقادیر استاندارد:

  • ته‌نشینی اولیه: ۳۰–۵۰ m³/m²/day.

  • ته‌نشینی ثانویه: ۱۵–۳۰ m³/m²/day.

۳. زمان ماند هیدرولیکی (Detention Time):
t=V/Q​

• VV: حجم حوضچه (m³).

۴. مقدار لجن تولیدی:

• ته‌نشینی اولیه: ۰.۱–۰.۳ kg TSS/kg فاضلاب.

• ته‌نشینی ثانویه: ۰.۳–۰.۶ kg TSS/kg فاضلاب.

۴. ساخت و تجهیزات

اجزای اصلی حوضچه ته‌نشینی

• ورودی (Inlet Zone):

  • بافل (Baffle): توزیع یکنواخت جریان.

• ناحیه ته‌نشینی (Settling Zone):

  • سطح صاف با شیب ۱:۱۰۰ به سمت تله لجن.

• خروجی (Outlet Zone):

  • سرریزهای دندانه‌ای (Weirs) برای جمع‌آوری آب تصفیه‌شده.

• سیستم جمع‌آوری لجن:

  • اسکریپر (Scraper): جمع‌آوری لجن از کف.

  • پمپ لجن (Sludge Pump): انتقال لجن به مخزن.

مواد اولیه:

• بدنه: بتن مسلح یا فولاد ضدزنگ.

• تجهیزات مکانیکی: اسکریپرهای زنجیری یا پنوماتیک.

۵. شیوه اجرا

۱. مطالعات اولیه:

• آنالیز فاضلاب (TSS، دبی، دمای فاضلاب).

• طراحی ابعاد حوضچه بر اساس استانداردهای ASCE یا EPA.

۲. ساخت حوضچه:

• حفاری زمین، قالب‌بندی بتن و نصب سرریزها.

• نصب سیستم اسکریپر و پمپ لجن.

۳. نصب سیستم ورودی و خروجی:

• تنظیم زاویه بافل برای جلوگیری از جریان کوتاه (Short-Circuiting).

۴. تست عملکرد:

• بررسی توزیع جریان و راندمان ته‌نشینی.

• تنظیم سرعت اسکریپر بر اساس مقدار لجن.

۵. نگهداری:

• بازرسی ماهانه اسکریپر و پمپ.

• شستشوی سرریزها برای جلوگیری از گرفتگی.

۶. چالش‌ها و راهکارها

• جریان کوتاه (Short-Circuiting):

  • راهکار: نصب بافل‌های اضافی یا اصلاح هندسه ورودی.

• شناورشدن لجن (Sludge Bulking):

  • راهکار: افزودن مواد منعقدکننده یا تنظیم pH.

• تجمع چربی (Scum Accumulation):

  • راهکار: نصب اسکیمر (Scum Skimmer) برای جمع‌آوری چربی.

۷. مثال کاربردی

• پارامترهای طراحی برای حوضچه اولیه:

  • دبی فاضلاب: ۱۰۰۰ m³/day.

  • سطح بارگذاری مجاز: ۴۰ m³/m²/day.

  • سطح مورد نیاز: A=۴۰*۱۰۰۰​=۲۵m².

  • ابعاد: قطر ۶ متر، عمق ۳ متر.

۸. ملاحظات زیست‌محیطی

• مدیریت لجن:

  • هضم بی هوازی (Anaerobic Digestion) برای کاهش حجم و تولید بیوگاز.

  • خشک‌کردن لجن و استفاده در کشاورزی (در صورت عدم وجود فلزات سنگین).

• کاهش مصرف انرژی:

  • استفاده از اسکریپرهای با موتورهای IE4 یا سیستم‌های خورشیدی.

ته‌نشینی یکی از پایه‌ای‌ترین مراحل تصفیه فاضلاب است که راندمان آن به طراحی دقیق و نگهداری منظم بستگی دارد. انتخاب نوع حوضچه (مستطیلی، دایره‌ای یا لاملا) به عوامل فنی و اقتصادی پروژه مرتبط است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

دانه‌گیری فاضلاب: روش‌ها، محاسبات، ساخت و شیوه اجرا

۱. هدف دانه‌گیری

حذف ذرات معدنی و سنگین (مانند شن، ماسه، سنگ‌ریزه، و خرده‌شیشه) از فاضلاب برای:

• جلوگیری از سایش پمپ‌ها و تجهیزات.

• کاهش حجم لجن در مراحل بعدی تصفیه.

• افزایش راندمان فرآیندهای بیولوژیکی.

۲. انواع سیستم‌های دانه‌گیری

۱. حوضچه‌های دانه‌گیری با جریان افقی (Horizontal Flow Grit Chambers):

• مکانیسم: کاهش سرعت جریان برای ته‌نشینی ذرات سنگین.

• سرعت بهینه: ۰.۲–۰.۳ m/s (برای ته‌نشینی ذرات با چگالی ≥۲.۶۵ g/cm³).

• زمان ماند: ۱–۳ دقیقه.

۲. حوضچه‌های هوادهی (Aerated Grit Chambers):

• مکانیسم: تزریق هوا برای ایجاد جریان مارپیچی و جداسازی ذرات.

• مزایا: جداسازی بهتر مواد آلی از معدنی.

• نرخ هوادهی: ۰.۱۵–۰.۳ m³ هوا به ازای هر مترمکعب فاضلاب.

۳. حوضچه‌های گردابی (Vortex Grit Chambers):

• مکانیسم: ایجاد گردابه با استفاده از جریان مماسی.

• سرعت چرخش: ۱–۱.۵ m/s.

• قطر مخزن: ۳–۶ متر.

۴. دانه‌گیرهای مکانیکی (Mechanical Grit Separators):

• مکانیسم: استفاده از صفحات چرخان یا نوار نقاله برای جمع‌آوری دانه.

• سرعت چرخش: ۵–۲۰ دور در دقیقه.

۳. محاسبات کلیدی

۱. محاسبه سرعت ته‌نشینی (Stokes Law):

vs=(g(ρp−ρw)d²)/18μ

• vs​: سرعت ته‌نشینی (m/s).

• ρp​: چگالی ذره (kg/m³).

• ρw​: چگالی آب (≈۱۰۰۰ kg/m³).

• d: قطر ذره (m).

• μ: ویسکوزیته دینامیکی آب (≈۰.۰۰۱ Pa.s).

۲. تعیین ابعاد حوضچه (Camp’s Equation):
(L=(Q×H)/(vs×W​

• L: طول حوضچه (m).

• Q: دبی فاضلاب (m³/s).

• H: عمق آب (m).

• W: عرض حوضچه (m).

۳. مقدار دانه تولیدی:

• بر اساس جمعیت: ۰.۰۰۵–۰.۰۲ m³/روز به ازای هر ۱۰۰۰ نفر.

• بر اساس دبی: ۱–۴.۵ m³ دانه به ازای هر میلیون مترمکعب فاضلاب.

۴. ساخت و تجهیزات

۱. مواد اولیه:

• بدنه: بتن مسلح یا فولاد ضدزنگ.

• سیستم هوادهی: دیفیوزرهای لاستیکی یا استیل.

• سیستم جمع‌آوری دانه: اسکریپر (Scraper)، پمپ یا نوار نقاله.

۲. اجزای اصلی:

• ورودی و خروجی: دریچه‌های کنترل سرعت.

• تله دانه (Grit Hopper): مخزن ذخیره دانه در کف حوضچه.

• واحد شستشو (Grit Washer): جداسازی مواد آلی از دانه.

۵. شیوه اجرا

۱. مطالعات اولیه:

• اندازه‌گیری دبی فاضلاب و آنالیز ذرات.

• انتخاب نوع دانه‌گیر بر اساس شرایط سایت.

۲. ساخت حوضچه:

• حفر زمین و قالب‌بندی بتن با شیب کف ۱:۱۰۰ تا ۱:۵۰.

• نصب سیستم هوادهی یا گردابی.

۳. نصب تجهیزات:

• مونتاژ سیستم جمع‌آوری دانه (اسکریپر یا پمپ).

• اتصال سیستم کنترل سرعت جریان (سرریزها یا دریچه‌ها).

۴. تست عملکرد:

• بررسی سرعت جریان و راندمان جداسازی.

• تنظیم نرخ هوادهی یا زاویه ورودی در حوضچه‌های گردابی.

۵. نگهداری:

• تخلیه دوره‌ای تله دانه (روزانه یا هفتگی).

• تمیزکردن صفحات یا نوار نقاله از رسوبات.

۶. چالش‌ها و راهکارها

• جمع‌آوری ناقص دانه:

  • راهکار: افزایش زمان ماند یا تنظیم سرعت جریان.

• اختلاط مواد آلی با دانه:

  • راهکار: افزودن واحد شستشوی دانه با آب تمیز.

• خوردگی تجهیزات:

  • راهکار: استفاده از فولاد ضدزنگ یا پوشش اپوکسی.

۷. مثال کاربردی

• پارامترهای طراحی برای حوضچه هوادهی:

  • دبی فاضلاب: ۰.۵ m³/s.

  • زمان ماند: ۲ دقیقه.

  • حجم حوضچه:۰.۵×۱۲۰=۶۰m³.

  • ابعاد: طول ۱۰ متر، عرض ۳ متر، عمق ۲ متر.

۸. ملاحظات زیست‌محیطی

• مدیریت دانه:

  • شستشو و دفن بهداشتی یا استفاده در پروژه‌های عمرانی.

• کاهش مصرف انرژی:

  • استفاده از موتورهای با راندمان بالا (IE3/IE4).

دانه‌گیری یک مرحله حیاتی در تصفیه فاضلاب است که از آسیب به تجهیزات و کاهش راندمان فرآیندها جلوگیری می‌کند. انتخاب روش مناسب به عواملی مانند دبی فاضلاب، فضای موجود، و هزینه‌های عملیاتی بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

انواع آشغالگیر در تصفیه خانه آب و فاضلاب: روشها، محاسبات، ساخت و شیوه اجرا

۱. انواع آشغالگیرها

آشغالگیرها برای حذف مواد جامد درشت و ریز از فاضلاب یا آب خام استفاده میشوند. انواع اصلی عبارتند از:

• آشغالگیرهای درشت (Coarse Screens):

  • میله‌ای (Bar Screens): میله‌های فلزی با فاصله ۲۰–۱۰۰ میلیمتر.

  • دستی (Manual): تمیزکردن دستی با شنکش.

  • مکانیکی (Mechanical): تمیزکردن خودکار با دستگاههای رنده یا تسمه.

• آشغالگیرهای ریز (Fine Screens):

  • تور سیمی (Wire Mesh Screens): فاصله چشمه ۱–۱۰ میلیمتر.

  • درام چرخان (Rotary Drum Screens): غربالگری با چرخش درام.

  • استپ اسکرین (Step Screens): صفحات متحرک برای جداسازی ذرات ریز.

• آشغالگیرهای میکرو (Micro Screens):

  • غشایی (Membrane Screens): فیلتراسیون ذرات تا ۱ میکرون.

  • تیغه‌ای (Band Screens): برای حذف الیاف و مواد معلق.

۲. روشهای طراحی و انتخاب

• انتخاب بر اساس اندازه ذرات:

  • Coarse Screens: حذف شاخه، زباله، و مواد درشت.

  • Fine Screens: حذف شن، ماسه، و مواد آلی ریز.

• مکانیسم تمیزکاری:

  • خودکار (Auto-Cleaning): استفاده از برس، آب پرفشار، یا ویبره.

  • دستی (Manual): در تصفیه خانه‌های کوچک.

• جهت نصب:

  • شیبدار (Inclined): افزایش راندمان جداسازی.

  • عمودی (Vertical): صرفه‌جویی در فضا.

۳. محاسبات کلیدی

• محاسبه سطح بازشو (Opening Area):
  A=Q/(V×ϵ)​

  • Q=دبی فاضلاب (m³/s)

  • V=سرعت جریان در آشغالگیر (۰.۳–۰.۶ m/s)

  • ϵ=ضریب باز بودن (۰.۵–۰.۷)

افت فشار (Head Loss):

• hL=β×(V2/2g)×(w/b)4/3×sin⁡θ

• β=ضریب تجربی (۱.۷–۲.۹)

• w=ضخامت میله، b=فاصله میله‌ها، θ=زاویه شیب

• راندمان جداسازی:
  η=(Ci−Co)/Ci×100

  • Ci=غلظت ذرات ورودی، Co=غلظت خروجی

۴. ساخت و تجهیزات

• مواد اولیه:

  • فولاد ضدزنگ (Stainless Steel): برای مقاومت در برابر خوردگی.

  • پلیمرهای مقاوم (HDPE, PVC): برای محیط‌های شیمیایی.

• اجزای اصلی:

  • قاب (Frame): سازه نگهدارنده میله‌ها یا تور.

  • سیستم انتقال زباله (Conveyor): نوار نقاله برای جمع‌آوری آشغال.

  • موتور و گیربکس: برای سیستم‌های مکانیکی.

• کنترلرهای هوشمند:

  • تنظیم سرعت چرخش بر اساس میزان بارگذاری.

۵. شیوه اجرا

۱. مطالعات اولیه:

• اندازه‌گیری دبی، آنالیز ذرات، و تعیین نوع آشغالگیر.

• طراحی ابعاد و شیب بر اساس استانداردهای ASCE یا EPA.

۲. ساخت و نصب:

• جوشکاری قاب و نصب میله‌ها/تور با دقت میلیمتری.

• نصب سیستم انتقال زباله و موتورهای محرک.

۳. اتصال به سیستم هیدرولیک:

• تنظیم سرعت جریان و فشار آب شستشو.

۴. تست عملکرد:

• بررسی افت فشار، راندمان جداسازی، و سیستم تمیزکاری.

• اصلاح زاویه شیب یا فاصله میله‌ها در صورت نیاز.

۵. نگهداری:

• روغن‌کاری دوره‌ای موتورها.

• بازرسی ماهانه برای جلوگیری از گرفتگی.

۶. چالش‌ها و راهکارها

• گرفتگی (Clogging):

  • راهکار: افزایش فرکانس تمیزکاری یا استفاده از آب پرفشار.

• سایش میله‌ها (Abrasion):

  • راهکار: استفاده از پوشش‌های سخت (مثل کاربید تنگستن).

• بوگیری (Odor Control):

  • راهکار: نصب سیستم‌های تهویه یا اسپری مواد خنثی‌کننده.

۷. مثال کاربردی

• آشغالگیر میله‌ای مکانیکی در تصفیه خانه فاضلاب:

  • قطر میله: ۱۰ میلیمتر، فاصله میله‌ها: ۲۵ میلیمتر.

  • سرعت جریان: ۰.۴۵ m/s.

  • افت فشار مجاز: کمتر از ۱۵۰ میلیمتر.

۸. ملاحظات زیست‌محیطی

• مدیریت پسماند:

  • خردکن (Shredder): کاهش حجم زباله‌های جمع‌آوریشده.

  • کمپوست یا دفن بهداشتی: برای مواد آلی.

• کاهش مصرف انرژی:

  • استفاده از موتورهای IE3 یا IE4 با راندمان بالا.

آشغالگیرها اولین خط دفاعی در تصفیه خانه‌ها هستند و طراحی دقیق آنها برای جلوگیری از آسیب به پمپ‌ها و تجهیزات بعدی ضروری است. انتخاب نوع آشغالگیر به پارامترهایی مانند دبی، نوع آلاینده‌ها، و هزینه نگهداری بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری باز (Open-Cut): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای حفاری باز

حفاری باز یک روش سنتی برای نصب یا تعمیر لوله ها و کابل ها با ایجاد یک ترانشه در سطح زمین است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم میشود:

• حفاری دستی:

  • استفاده از ابزارهای ساده مانند بیل و کلنگ.

  • مناسب برای مناطق کوچک یا دسترسی محدود به ماشین‌آلات.

• حفاری مکانیزه:

  • استفاده از ماشین‌آلات سنگین مانند بیل مکانیکی (Excavator) یا بکهو لودر.

  • ایده‌آل برای پروژه‌های بزرگ و مسیرهای طولانی.

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبۀ حجم خاکبرداری:
  V=L×W×D
  L=طول ترانشه، W=عرض ترانشه، D=عمق ترانشه

• پایداری دیواره‌های ترانشه:

  • زاویۀ شیب ایمن (Slope Angle):
    θ=tan⁡−1(H/B)
    H=عمق، B=عرض پایه

  • استفاده از سیستم‌های مهاربندی (Shoring): در صورت نیاز به دیواره‌های قائم.

• محاسبۀ زمان اجرا:
  T=V/R​
  R=نرخ خاکبرداری (مترمکعب در ساعت)

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• بیل مکانیکی (Excavator):

  • ظرفیت: ۱–۱۰ مترمکعب در هر چرخه.

  • انواع: چرخ‌زنجیری (برای زمین‌های نرم) یا چرخ‌لاستیکی (برای آسفالت).

• لودر (Loader):

  • برای بارگیری خاک روی کامیون.

• سیستم‌های مهاربندی:

  • صفحه و ستون (Sheet Piling): برای دیواره‌های قائم.

  • هیدرولیک شورینگ (Hydraulic Shoring): برای ترانشه‌های عمیق.

• کمپکتور (Compactor):

  • برای متراکم‌کردن خاک پس از نصب لوله.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک و سطح آب زیرزمینی.

• طراحی عرض و عمق ترانشه با توجه به قطر لوله و نیازهای پروژه.

۲. آماده‌سازی محل:

• علامت‌گذاری مسیر ترانشه و تعیین محل انبار خاک.

• نصب علائم هشداردهنده و مسیرهای جایگزین برای ترافیک.

۳. خاکبرداری:

• شروع حفاری با بیل مکانیکی یا دستی.

• حمل خاک به خارج از محل با کامیون یا لودر.

۴. نصب لوله یا کابل:

• قراردادن لوله در ترانشه و اتصال قطعات (در صورت نیاز).

• استفاده از بالشتک ماسه‌ای برای پشتیبانی از لوله.

۵. پرکردن ترانشه:

• ریختن خاک بهصورت لایه‌لایه و متراکم‌کردن هر لایه با کمپکتور.

• بازگرداندن سطح زمین به حالت اولیه (در صورت نیاز).

۶. تست و بازرسی:

• تست فشار لوله (برای خطوط آب یا گاز).

• بازرسی بصری برای اطمینان از کیفیت اجرا.

۵. چالشها و راهکارها

• ریزش دیواره‌های ترانشه:

  • راهکار: استفاده از سیستم‌های مهاربندی یا کاهش شیب دیواره.

• تداخل با ترافیک شهری:

  • راهکار: اجرای پروژه در ساعات کم‌ترافیک یا ایجاد مسیرهای جایگزین.

• برخورد با موانع زیرزمینی (لوله‌ها یا کابل‌های قدیمی):

  • راهکار: بررسی دقیق نقشه‌های زیرزمینی قبل از شروع کار.

۶. مزایای حفاری باز

• سادگی اجرا: نیاز به فناوری‌های پیچیده ندارد.

• هزینۀ پایین: برای پروژه‌های کوچک و متوسط مقرون‌به‌صرفه است.

• انعطاف‌پذیری: امکان نصب انواع لوله و کابل با قطرهای مختلف.

۷. معایب حفاری باز

• تخریب سطح زمین: اختلال در ترافیک و محیط زیست.

• زمان اجرای طولانی: نسبت به روش‌های بدون حفاری.

• محدودیت در مناطق شهری: به‌دلیل تراکم زیرساخت‌ها.

۸. کاربردهای اصلی

• نصب خطوط آب، فاضلاب، گاز، و کابل‌های برق.

• تعمیر یا تعویض لوله‌های فرسوده در مناطق کم‌تراکم.

حفاری باز به‌عنوان یک روش ساده و قابل اعتماد، برای پروژه‌هایی که محدودیت‌های فنی یا مالی دارند، مناسب است. با این حال، در مناطق شهری یا پروژه‌های بزرگ، روش‌های بدون حفاری (مانند HDD یا میکروتونلینگ) ترجیح داده می‌شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

میکروتونلینگ (Microtunneling): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای میکروتونلینگ

میکروتونلینگ یک فناوری بدون حفاری باز برای نصب لوله ها با قطر کوچک تا متوسط (معمولاً ۶۰۰–۳۵۰۰ میلیمتر) است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم میشود:

• روش هدایتشونده (Guided Microtunneling):

  • استفاده از سیستمهای هدایت لیزری یا ژیروسکوپی برای کنترل دقیق مسیر.

  • مناسب برای مسیرهای مستقیم یا منحنی با شعاع زیاد.

• روش غیرهدایتشونده (Unmanned Microtunneling):

  • بدون نیاز به اپراتور در داخل دستگاه.

  • ایدهآل برای مسیرهای کوتاه و مستقیم.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر:

  • شعاع خمش (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق حفاریL=طول مسیر،D=عمق حفاری.

  • حداکثر زاویۀ انحراف: ۱-۲ درجه (برای دقت بالا).

• محاسبۀ نیروی رانش (Thrust Force):
  F=μ×W×L+Fسیال+Fخاک

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

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

  • Fخاک=مقاومت خاک

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع چاه

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه میکروتونلینگ (MTBM):

  • سر مته (Cutterhead): مجهز به تیغههای فولادی یا الماسه برای خاکهای سخت.

  • سیستم هدایت: لیزر، ژیروسکوپ، یا سیستم های اینرشیال.

  • سیستم رانش: جکهای هیدرولیک با ظرفیت ۱۰۰-۱۰۰۰ تُن.

• لوله های پیشساخته:

  • جنس: بتن مسلح، فولاد، یا GRP (فایبرگلاس).

  • اتصالات: آببند با گسکتهای لاستیکی.

• سیستم سیال حفاری:

  • دوغاب بنتونیت: برای روانکاری، خنک‌سازی، و حمل خاک.

  • پمپ و مخزن: تزریق مداوم سیال.

• سیستم جداسازی خاک:

  • هیدروسیکلون و فیلتر: جداسازی خاک از سیال حفاری.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک و سطح آب زیرزمینی.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند Plaxis یا FLAC).

۲. حفر چاله های ورودی و خروجی:

• چالۀ ورودی (Launch Shaft): برای نصب دستگاه.

• چالۀ خروجی (Receiving Shaft): برای جمع‌آوری دستگاه پس از اتمام کار.

۳. نصب دستگاه میکروتونلینگ:

• مونتاژ دستگاه در چالۀ ورودی و اتصال به سیستم رانش.

• کالیبراسیون سیستم هدایت.

۴. فرآیند حفاری:

• شروع حفاری با سر مته و تزریق سیال حفاری.

• حمل خاک به سطح با سیستم پمپاژ.

• نصب لوله ها بهصورت مرحله ای با جک های هیدرولیک.

۵. هدایت و کنترل مسیر:

• نظارت بر مسیر با سیستم های لیزری یا ژیروسکوپی.

• اصلاح انحرافات با تنظیم جک های هیدرولیک.

۶. پایان کار و تست نهایی:

• خارج‌کردن دستگاه از چالۀ خروجی.

• تست فشار و آببندی لوله ها.

۵. چالش ها و راهکارها

• ریزش خاک:

  • راهکار: افزایش فشار سیال حفاری یا استفاده از افزودنی های پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ یا لوله های قدیمی):

  • راهکار: تغییر مسیر یا استفاده از متههای الماسه.

• انحراف از مسیر:

  • راهکار: کالیبراسیون دقیق سیستم هدایت و نظارت مداوم.

۶. مزایای میکروتونلینگ

• دقت بالا: انحراف کمتر از ۲۵ میلیمتر در مسیرهای طولانی.

• حداقل تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌ های حساس.

• سرعت اجرا: پیشروی ۱۰-۳۰ متر در روز (بسته به شرایط).

• امنیت: عدم نیاز به حضور اپراتور در داخل تونل.

۷. کاربردهای اصلی

• نصب خطوط فاضلاب، آب، و گاز.

• عبور از زیر رودخانه ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، و مناطق تاریخی.

میکروتونلینگ بهعنوان یک روش پیشرفته و دقیق، برای پروژه‌های زیرزمینی با نیاز به دقت بالا و حداقل اختلال در سطح زمین ایده‌آل است. انتخاب تجهیزات و روش اجرا به شرایط خاک، عمق، و طول مسیر بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

حفاری افقی هدایت شده (HDD): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای HDD

HDD یک فناوری بدون حفاری باز برای نصب لوله ها و کابل ها در زیر زمین با عبور از موانعی مانند رودخانه ها، جاده ها یا سازه هاست. مراحل اصلی عبارتند از:

• حفاری مرحلۀ اولیه (پایلوت هول):

  • ایجاد یک چاه کوچک (قطر ۱۰۰-۲۰۰ میلیمتر) با استفاده از مته هدایت شونده و سیال حفاری.

  • مسیر با دستگاههای مکان‌یابی الکترونیکی (مانند سیستمهای Walkover یا Wireline) ردیابی میشود.

• گشادسازی (Reaming):

  • افزایش قطر چاه با استفاده از ریمر (Reamer) به اندازۀ ۱.۵ برابر قطر لوله نهایی.

• کشش لوله (Pullback):

  • لوله (مانند HDPE یا فولاد) از انتهای مسیر به داخل چاه کشیده میشود.

۲. محاسبات کلیدی

• طراحی مسیر حفاری:

  • شعاع خمش مجاز (R):
    R=(L2)/(8×D)+D/2​
    L=طول مسیر، D=عمق حفاریL=طول مسیر،D=عمق حفاری.

  • حداکثر زاویۀ خمش: ۸-۱۵ درجه (برای جلوگیری از شکست لوله).

• محاسبۀ نیروی کشش (Pull Force):
  F=μ×W×L+Fسیال​

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

  • Fسیال=مقاومت ناشی از سیال حفاری

• فشار سیال حفاری:
  P=(Q×ρ)/A​
  Q=دبی سیال، ρ=چگالی، A=سطح مقطع چاه

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه HDD:

  • رانش و گشتاور: قابلیت رانش ۱۰۰-۱۰۰۰ تُن و گشتاور بالا برای خاکهای سخت.

  • سیستم کنترل: مانیتورینگ زاویۀ مته، فشار سیال، و موقعیت در لحظه.

• مته و ریمر:

  • مته پایلوت: مجهز به فرستندۀ موقعیت (Beacon).

  • ریمرهای مخروطی یا بالونی: برای گشادسازی چاه.

• سیستم سیال حفاری (Bentonite Slurry):

  • مخزن و پمپ: تزریق دوغاب بنتونیت برای روانکاری، خنک‌سازی، و جلوگیری از ریزش خاک.

• لوله های HDPE:

  • مقاوم در برابر خوردگی و انعطاف پذیر (با درجۀ DR مناسب).

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه و طراحی:

• مطالعات ژئوتکنیک برای تعیین نوع خاک، سطح آب زیرزمینی، و موانع.

• طراحی مسیر با نرم‌افزارهای تخصصی (مانند BoreAid یا DrillPath).

۲. حفاری پایلوت هول:

• شروع حفاری از چالۀ ورودی با زاویۀ ۸-۱۵ درجه.

• ردیابی مسیر با دستگاه Walkover یا Gyro-Based.

۳. گشادسازی چاه:

• جایگزینی مته با ریمر و افزایش تدریجی قطر چاه.

• تزریق مداوم سیال حفاری برای پایداری دیواره.

۴. کشش لوله:

• اتصال لوله به ریمر و کشش آن از چالۀ خروجی به ورودی.

• نظارت بر فشار کشش و همترازی لوله.

۵. تست و بازرسی:

• تست فشار لوله (برای خطوط آب یا گاز).

• پرکردن فضای خالی با دوغاب سیمانی (در صورت نیاز).

۵. چالشها و راهکارها

• ریزش خاک:

  • راهکار: افزایش چگالی سیال حفاری یا استفاده از افزودنیهای پلیمری.

• برخورد با موانع (سنگ یا لولههای قدیمی):

  • راهکار: تغییر مسیر با سیستم هدایت دقیق یا استفاده از متههای الماسه.

• خمش بیش از حد لوله:

  • راهکار: کاهش سرعت کشش و انتخاب لوله با قابلیت انعطاف بالا (مانند HDPE).

۶. مزایای HDD

• حداقل تخریب سطح: مناسب برای مناطق شهری و محیط‌های حساس.

• عبور از عمق زیاد: تا ۵۰ متر عمق و ۲ کیلومتر طول.

• سرعت اجرا: نصب ۵۰۰-۱۰۰۰ متر در روز (بسته به شرایط).

۷. کاربردهای اصلی

• نصب خطوط آب، گاز، فاضلاب، و کابل های فیبر نوری.

• عبور از زیر رودخانه ها، بزرگراه ها، فرودگاه ها، و مناطق تاریخی.

HDD به عنوان یک روش پیشرفته و پایدار، جایگزین مناسبی برای حفاری باز است. موفقیت پروژه به دقت در طراحی مسیر، انتخاب تجهیزات، و مدیریت سیال حفاری وابسته است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

اسپیرال وایندینگ (Spiral Winding): روشها، محاسبات، ساخت دستگاه، و شیوه اجرا

۱. روشهای اجرای اسپیرال وایندینگ

اسپیرال وایندینگ یک روش بدون حفاری برای بازسازی لوله های فرسوده با نصب یک لاینر مارپیچی در داخل لوله موجود است. این روش به دو دسته اصلی تقسیم میشود:

• روش مکانیکی:

  • استفاده از دستگاه خودکار برای پیچاندن نوارهای پلیمری (مانند PVC یا HDPE) به صورت مارپیچ.

  • مناسب برای لوله های با قطر ۲۰۰–۳۰۰۰ میلیمتر.

• روش دستی:

  • نصب دستی نوارها در لوله های کوتاه یا با دسترسی محدود.

• انواع لاینر:

  • نوارهای توخالی (Hollow Strip): برای انتقال سیالات با فشار کم.

  • نوارهای توپر (Solid Strip): برای تحمل فشارهای خارجی (مانند خاک و ترافیک).

۲. محاسبات کلیدی

• محاسبه تعداد دورهای مارپیچ (N):
  N=(L)/(W×cos(θ))​
  L=طول لوله، W=عرض نوار، θ=زاویۀ مارپیچ

• مقاومت سازهای لاینر:

  • تحمل فشار خارجی (خاک):
    Pcr​=(2E​/(1−ν2))(t/D​)3
    E=مدول الاستیسیته لاینر، ν=نسبت پواسون، t=ضخامت نوار، D=قطر لوله

  • تحمل بار ترافیکی: با استفاده از معادلۀ آمریکن آسوشیتد استیت هایوی (AASHTO).

• کاهش قطر مؤثر:
  Dnew​=Dold​−2t (در صورت عدم استفاده از فیلر).

۳. ساخت دستگاه و تجهیزات

• دستگاه وایندینگ:

  • موتور الکتریکی: برای چرخش نوار با سرعت کنترل شده.

  • سیستم هدایت نوار: غلتکهای فولادی برای جلوگیری از پیچش ناخواسته.

  • حسگرهای فشار و کشش: برای تنظیم نیروی وایندینگ.

• نوارهای پلیمری:

  • جنس: PVC، HDPE، یا کامپوزیتهای فایبرگلاس (GRP).

  • ویژگیها: مقاوم در برابر خوردگی، انعطافپذیر، و دارای اتصال قفل شونده (Interlocking).

• فیلرهای آببندی:

  • رزین اپوکسی یا پلیاورتان برای پرکردن فضای بین مارپیچ و لوله قدیمی.

۴. شیوه اجرا

۱. بررسی اولیه:

• بازرسی لوله با دوربین CCTV برای شناسایی شکستگیها و رسوبات.

• اندازهگیری دقیق قطر و زبری سطح داخلی.

۲. پاکسازی لوله:

• استفاده از جتهای آب پرفشار یا دستگاههای مکانیکی (مثل روتاری رودر) برای حذف رسوبات.

۳. نصب دستگاه وایندینگ:

• قراردادن دستگاه در چالۀ ورودی (Launch Pit) و اتصال نوار پلیمری به سر مارپیچ.

۴. فرآیند وایندینگ:

• چرخش نوار بهصورت مارپیچ در داخل لوله قدیمی با زاویۀ ۳۰–۶۰ درجه.

• قفل شدن خودکار نوارها با سیستم Interlocking.

۵. تزریق فیلر (در صورت نیاز):

• پرکردن فضای خالی بین لوله قدیمی و لاینر با رزین یا دوغاب سیمانی.

۶. اتصال انتهاها:

• برش لاینر اضافی و نصب فلنج یا اتصالات آببند.

۷. تست نهایی:

• بازرسی با CCTV و تست آببندی با هوا یا آب.

۵. چالشها و راهکارها

• ناهمترازی مارپیچ:

  • راهکار: استفاده از غلتکهای هدایتگر و تنظیم زاویۀ وایندینگ.

• کاهش ظرفیت هیدرولیکی:

  • راهکار: انتخاب نوارهای با سطح صیقلی یا افزایش قطر لاینر.

• شکست اتصالات Interlocking:

  • راهکار: استفاده از نوارهای با ضخامت بالاتر و تست کششی نمونه ها.

۶. مزایای اسپیرال وایندینگ

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

• انعطاف پذیری: اجرا در لوله های با مسیرهای منحنی یا قطر متغیر.

• سرعت اجرا: نصب تا ۵۰ متر در ساعت.

• عمر طولانی: تا ۵۰ سال با مواد پلیمری باکیفیت.

۷. کاربردهای اصلی

• بازسازی لوله های فاضلاب، آب باران، و انتقال سیالات غیرفشار.

• عبور از زیر جادهها، ساختمانها، یا مناطق حساس زیست محیطی.

اسپیرال وایندینگ به عنوان یک روش مقرون بهصرفه و پایدار، برای بازسازی لوله های فرسوده بدون اختلال در ترافیک شهری ایده آل است. انتخاب نوارها (توخالی/توپر) و فیلرها به شرایط لوله موجود و نیازهای پروژه بستگی دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب