بهينه‌يابي اقتصادي سيستم لجن فعال

چكيده:
در سال‌هاي گذشته آلودگي‌هاي ناشي از دفع انواع فاضلاب اعم از خانگي، صنعتي، كشاورزي و … د ر كشورمان موجب شده است تا تصفيه و كنترل اين آلاينده‌ها از اولويت‌هاي مهم حفاظت، مديريت و برنامه‌ريزي محيط زيست باسد. در همين راستا مسوولان امر مبادرات به وارد كردن تكنولوژي روش‌هاي مختلف تصفيه فاضلاب و از جمله سيستم لجن فعال به كشور نموده‌اند. هرچند كه امروزه در خصوص طراحي اين سيستم‌ها با توجه به در دسترس بودن منابع مختلف

پيشرفت‌هاي خابي حاصل شده است، اما كمبود تجربه و عدم آشنايي كافي به مسائل اجرايي،‌ راهبري و نگهداري سيستم‌هاي تصفيه و هزينه‌هاي گزاف مورد نياز معضلي است كه انتخاب آنها را عمدتاً با دشواري همراه ساخته است. بنابراين براي جلوگيري از به هدر رفتن وقت و سرمايه بهينه‌يابي اقتصادي سيستم‌هاي رايج تصفيه فاضلاب در ايران و علي‌الخصوص لجن فعال موضوعي ضروري و اجتناب‌ناپذير است.

در اين مقاله بهينه‌يابي اقتصادي سيستم لجن فعال با استفاده از يك برنامه كامپيوتري ديناميكي انجام گرفته است تا بتوان چند مرحله‌اي بودن سيستم و ساختار خاص ارتباطب بين اين مراحل را مدل نمود. در اين برنامه كامپيوتري هزينه‌هاي اجرايي، بهره‌برداري و تعمير واحدهاي مختلف يك تضفيه‌خانه فاضلاب با سيستم لجن فعال با توجه به نقشه‌هاي اجرايي آن و همچنين با استفاده از نمودارها، آمار و ارقام بين‌المللي موجود ارزيابي گرديده است. سپس بهينه‌يابي اقتصادي با درنظر

گرفتن تركيب‌هاي گوناگوني از واحدهاي مختلف اين سيستم صورت پذيرفته است. در انتها با توجه به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان كشور در امر تصفيه فاضلاب و لزوم صرفه‌جويي اقتصادي صورت پذيرفته است. در انتها با توجه به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان كشور در امر تصفيه فاضلاب و لزوم صرفه‌جويي اقتصادي در اين زمينه، پس از بررسي مشكلات، راه‌كارها و پيشنهاداتي مطرح شده است.
مقدمه
بشر در طي قرون متمادي فضولات ناشي از فعاليت‌هاي مختلف خود را (اعم از مسكوني، تجاري، صنعتي و …) چه به صورت جامد و چه به صورت مايع به محيط زيست اطرافش دفع كرده است. اين امر را بايد ناشي از در دسترس بودن سطوح وسيع و كافي براي دفع زميني فاضلاب تصفيه نشده و يا وفور آب‌هاي پذيرنده دانست كه با توجه به ميزان كم فاضلاب، اين سطوح و آب‌هاي پذيرنده قادر

به پالايش طبيعي فاضلاب (خودپالايي) بوده‌اند، اما اين روند به دليل رشد سريع جمعيت، توسعه شهرنشيني، صنعتي شدن، مكانيزه شدن كشاورزي و افزايش مقدار فاضلاب از لحاظ كمني و بالا بودن ميزان آلودگي از لحاظ كيفي باعث تخريب محيط زيست و به مخاطره افتادن منابع طبيعي گرديد. اين موضوع سبب شد كه تقاضا براي اعمال روش‌هاي كارآمدتر در كنترل و تصفيه فاضلاب رشد فزاينده‌اي پيدا كند. اين امر محققان را بر آن داشت كه سيستم‌هايي را در جهت به حداقل رساندن آلودگي‌هاي محيط زيستي طراحي نمايند كه از پيامدهاي آن بوجود آمدن انواع

سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب بوده است.
سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب بر حسب نوع عملكرد و راندمان تصفيه به انواع گوناگوني تقسيم‌بندي مي‌شوند. طبيعتاً بكارگيري هر كدام از سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب تابع مقررات كشوري و محلي، قابليت اجرا (با توجه به خصوصيات فن‌آوري، اجتماعي، فرهنگي و … محل)، نيروي انساني متخصص و ميزان تصفيه مورد نياز، نحوه استفاده از پساب حاصل از تصفيه و … مي‌باشد. سيستم تصفيه فاضلاب مناسب براي استفاده در يك موقعيت معين آن است كه اين تنگناها را مورد توجه قرار داده و تصفيه‌خانه‌اي ارائه كند كه هزينه كلي آن حداقل بوده و قابليت رسيدن به راندمان موردنظر را در بيشتر روش‌هاي وابسته داشته باشد. سيستم تصفيه فاضلاب بررسي شده در اين مقاله لجن فعال مي‌باشد كه به علت مقبوليت و عموميت بكارگيري براي تصفيه فاضلاب در ايران با جزئيات واحدهاي مربوطه‌اش مورد بررسي قرار گرفته است.
فرآيند لجن فعال در سال ۱۹۱۴ و در انگلستان توسط آردن و لاكت ارائه

گرديد. علت نامگذاري آن به اين اسم، استفاده از يك توده فعال از ميكروارگانيسم‌هايي است كه قادرند فاضلاب را به صورت هوازي تثبيت كنند. براي انجان اين فرآيند، واحدها، تاسيسات و تجهيزات مختلفي مورد نياز است كه به عنوان مثال مي‌توان از واحدهاي آشغال‌گيري، دانه‌گيري، ته‌نشيني اوليه، حوض هوادهي، ته‌نشيني ثانويه، تانك تغليظ لجن و هاضم‌ها نام برد. اين واحدها، به همراه تجيهيزات و تاسيسات مربوط، هزينه‌هاي قابل توجهي از لحاظ سرمايه‌گذاري اوليه جهت ساخت، نصب و راه‌اندازي و در ادامه هزينه‌هاي ساليانه بالايي جهت راهبري و نگهداري سيستم را مي‌طلبند.

از پارامترهاي مهم در انتخاب نوع سيستم تصفيه، پارامترهاي اقتصادي مي‌باشند. پارامترهاي اقتصادي مهمي كه چگونگي انتخاب و بكارگيري سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب را تحت‌الشعاع خود قرار مي‌دهند، شامل هزينه سرمايه‌گذاري اوليه سازه‌اي، تجهيزات و تاسيسات مختلف برقي، شيميايي و مكانيكي و … (اعم از ريالي و ارزي)، هزينه ساليانه بهره‌برداري و نگهداري و هزينه تامين مواد مصرفي مي‌باشند. در كشورهاي در حال توسعه (و از جمله در كشور ما)‌ با توجه به نياز سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب به تجهيزات و فناوري خارجي و تغييرات و نوسانات نرخ ارز لازم است طراحي اين سيستم‌ها به گونه‌اي انجام پذيرد كه در عين برآورده ساختن كيفيت موردنظر پساب

خروجي، حداقل هزينه را نيز به همراه داشته باشد. با توجه به تنوع واحدها و هزينه‌هاي مربوطه در سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب، محققان درصدد تهيه و تنظيم برنامه‌هاي كامپيوتري برآمدند كه با الهام از مدل‌هاي رياضي بتوانند ضمن بهينه‌يابي اقتصادي پروژه، به اصول طراحي بهينه سيستم‌هاي تصفيه دست يابند. اين برنامه‌ها به دلايل مختلف در عمل زياد موفق نبودند و به همين علت نياز به طراحي مدلي كه قادر باشد با بكارگيري فرآيندي سيستماتيك، تركيبي از تصميمات متوالي را تعيين كرده و به حداكثر شدن كارايي كلي سيستم منتهي گردد،‌ احساس گرديد كه اين امر منجر به ارائه برنامه‌ريزي پويا شد.

از آنجا كه روابط حاكم بر سيستم تصفيه فاضلاب به طور منظقي و تجربي غيرخطي مي‌باشند، استفاده از برنامه‌ريزي پويا به دليل ساختار آن مورد توجه قرار گرفت و كارآمد بودن آن توسط ايونسون و همكاران (۱۹۶۹) چيا و دفيليپي (۱۹۷۰) به اثبات رسيد. برنامه‌ريزي پويا يك فن محاسباتي است كه بر اساس اصل بهينه‌گي بلمن پايه‌ريزي شده است.
بر اساس اصل بهينه‌گي بلمن، خط مشي بهينه كه شامل مجموعه‌اي از تصميم‌گيري‌هاست، اين ويژگي را دارد كه وضعيت و تصميم‌گيري‌هاي ابتدايي هر چه باشند، تصميم‌گيري‌هاي باقيمانده بايد خط مشي بهينه را، با توجه به وضعيت حاصل از تصميمات قبلي تشكيل دهند. برنامه‌ريزي پويا بر اين اصل استوار است. در بسياري از مسائلي كه در آنها رشته‌اي از تصميم‌هاي مرتبط با يكديگر مطرح مي‌باشد، غالباً از برنامه‌ريزي پويا كه ماهيتاً روشي رياضي است، استفاده مي‌شود. دليل آن، اين است كه براي هر سيستم، شبكه‌اي بر اساس نوع ارتباط بين مراحل آن تعريف مي‌شود كه با حل اين شبكه از طريق برنامه‌ريزي پويا مي‌توان مقدار بهينه را در طي مراحل گوناگون تعيين نمود.
كارهاي قابل ملاحظه‌اي به منظور حداقل ساختن هزينه سيستم‌هاي تصفيه فاضلاب به روش كامپيوتري برنامه‌ريزي پويا در دنيا صورت گرفته است.

در اين تحقيق به بررسي يكي از سيستم‌هاي رايج تصفيه فاضلاب در ايران (لجن فعال)، ارائه تابع هزينه براي انواع مختلفي از هر يك از واحدهاي آن و بهينه‌يابي كامپيوتري اين سيستم (با تاكيد بر جنبه‌هاي اقتصادي) پرداخته شده است. در تعيين توابع هزينه سرمايه‌گذاري اوليه سازه‌اي، تجهيزات و تاسيسات مختلف و هزينه ساليانه بهره‌برداري و نگهداري از جداول و منحني‌هاي موجود در مراجع معتبر و همچنين برآورد هزينه تصفيه‌خانه‌هاي طراحي شده در كشور استفاده شده است. اين توابع بر حسب پارامترهاي طراحي براي واحدهاي كليدي تصفيه‌خانه به صورت

نمودارهايي ارائه گرديده‌اند. بهينه‌يابي اقتصادي يك سيستم فاضلاب مي‌تواند به كمك يك مدل كامپيوتري به روش برنامه‌ريزي پويا و با استفاده از اين توابع و نمودارها انجام گردد. به عنوان يك مثال حل شده هزينه‌هاي مختلف تصفيه‌خانه فاضلاب شهر شيراز ارائه گرديده و بهينه‌يابي اقتصادي در اين تصفيه‌خانه خاص بحث و بررسي شده است. در انتها با توجه به سرمايه‌گذاري‌هاي كلان كشور در امر تصفيه فاضلاب و لزوم صرفه‌جويي اقتصادي در اين زمينه، راه‌ك

ارها و پيشنهاداتي مطرح شده است.
روش تعيين توابع هزينه واحدها
همانطور كه بيان گرديد، جهت بهينه‌يابي يك سيستم تصفيه فاضلاب با گزينه‌هاي مختلف، لازم است ابتدا هزينه هر يك از واحدها اعم از ساختماني، تاسيساتي، راهبردي، نگهداري و … محاسبه گردد. در اين ارتباط، شكل كلي توابع هزينه با استفاده از جداول و روابط موجود در مراحل معتبر به صورت يك تابع نهايي (Y=nXb) با دو ضريب ثابت كاليبراسيون (b, a) درنظر گرفته شد. در اين توابع هزينه سرمايه‌گذاري اوليه بر حسب دبي طراحي تصفيه‌خانه و ساير پارامترهاي طراحي هر واحد و هزينه ساليانه بهره‌برداري و نگهداري در حدود ۲ الي ۴ درصد هزينه سرمايه‌گذاري اوليه داده شده است. براي تطابق اين توابع با شرايط ايران، علاوه بر هزينه‌ها و پارامترهاي طراحي مختلف نسبت ضرايب ثابت اين توابع نيز بررسي گرديد.
جهت كاليبراسيون توابع هزينه با توجه به شرايط ايران، اطلاعات هزينه‌اي مربوط به تصفيه‌خانه‌هاي طراحي شده فاضلاب شهرهاي مخلتف از جمله شيراز، رشت، لاهيجان، قزوين و گيلان غرب جمع‌آوري گرديد. پس از بررسي اسناد و مدارك برآورد هزينه اين تصفيه‌خانه‌ها مشخص گرديد كه يك ارتباط منطقي بين دبي‌هاي طراحي و برآوردهاي هزينه انجام شده برقرار نبوده است. به عنوان

نمونه، تصفه‌خانه شيراز با دبي طراحي بيشتر (۹۴۰ ليتر بر ثانيه) و برآورد انجام شده بر اساس فهرست بهاي ۷۹، هزينه كمتري را نسبت به برآورد انجام شده براي دو تصفيه‌خانه رشت و لاهيجان با دبي طراحي كمتر (به ترتيب ۷۳٫ و ۳۰۰ ليتر بر ثانيه)‌ بر اساس فهرست بهاي ۷۷، داشته است.
از يك ديدگاه مديريتي، يكي از علت‌هاي عدم وجود هماهنگي در برآورد هزينه تصفيه‌خانه‌هاي مختلف كشور با دبي‌هاي طراحي آنها را مي‌توان در عمر كوتاهي دانست كه از تشكيل مديريت واحد و نظارت هماهنگ و همه جانبه بر صنعت آب و فاضلاب كشور (در قالب شركت‌هاي آبفا) مي‌گذرد. تجربه اندك تصفيه‌خانه‌هاي اجرا شده، عدم وجود بانك اطلاعاتي منسجم در اين زمينه و بالاخره وجود مشاورهاي مختلف در طراحي اين تصفيه‌خانه‌ها از عوامل ديگر اين عدم هماهنگي است. در اين تحقيق، توابع هزينه سرمايه‌گذاري اوليه بر اساس برآورد هزينه، توابع هزينه سرمايه‌گذاري اوليه بر اساس برآورد هزينه تصفيه‌خانه شيراز با لحاظ نمودن يك سري فرضيات

منطقي بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط مهندسين مشاور طرح‌ها و تجربيات دست‌اندركاران صنعت آب و فاضلاب كشور براي شرايط ايران كاليبره گرديدند.
نتايج
ابتدا بايستي درنظر داشت كه يك سيستم تصفيه‌ فاضلاب واحدهاي متعددي دارد كه اين واحدها به نوبه خود مي‌توانند انواع مختلفي داشته باشند. به عنوان مثال يك سيستم تصفيه فاضلاب به روش لجن فعال به طور معمول داراي واحدهاي تصفيه مقدماتي (آشغال‌گير، دانه‌گير و اندازه‌گير جريان)، ته‌نشيني اوليه، هوادهي، ته‌نشيني ثانويه، تغليظ كننده لجن، هاضم، خشك كننده لجن و كلرزني مي‌باشند. از بين واحدهاي ذكر شده، واحدهايي كه از نظر فرآيندي داراي بيشترين تنوع هستند، شامل حوض هوادهي، تانك تغليظ كننده لجن و هاضم‌ها مي‌باشند.

توابع هزينه براي واحدهاي مختلف يك سيستم تصفيه فاضلاب به روي لجن فعال در ايران در جدول زير ارائه شده است. اين هزينه‌ها به تفكيك هزينه سرمايه‌گذاري اوليه (CC)‌ و هزينه ساليانه راهبري، تعمير و نگهداري (O&M)‌ مي‌باشند و با درنظر گرفتن برآورد هزينه بر اساس فهرست بهاي سال ۱۳۷۹، ارائه شده‌اند. لذا استفاده از آنها در سال‌هاي غير از ۱۳۷۹ با اعمال ضرايب مربوطه از جمله ضريب شاخص تعديل قيمت‌ها ميسر است.

جدول ۱: توابع هزينه سرمايه‌گذاري اوليه (CC) و راهبري و نگهداري (O&M)

از نظر مديريت اقتصادي يك سيستم لجن فعال عمده سرمايه‌گذاري و هزينه تصفيه‌خانه در حوضه هوادهي و واحدهي تصفيه لجن (تغليظ كننده‌ها، هاضم‌ها و بسترهاي خشك كننده لجن) صورت مي‌پذيرد. بر همين اساس در جدول فوق، تابع هزينه براي چهار نوع حوض هوادهي، سه نوع تانك تغليظ‌ كننده لجن و دو نوع هاضم كه در يك سيستم لجن فعال بيشتر استفاده مي‌شوند، داده شده است. بر اساس توابع ارائه شده در جدول فوق مي‌توان پس از جايگذاري مقادير پارامترهاي طراحي مربوط به هر واحد(A, B, C, D) هزينه سرمايه‌گذاري و راهبري و نگهداري آن واحد را محاسبه نمود.
بايستي گفت كه تعيين اين توابع بر اساس برآورد هزينه تصفيه خانه فاضلاب شيراز با دبي طراحي شده ۹۴۰ ليتر بر ثانيه بوده است. اين توابع توانايي بهينه‌يابي سيستم تصفيه لجن فعال با تركيب‌هاي متعددي از اين واحدها را ارائه مي‌دهند. در اين جدول كيفيت فاضلاب ورودي به

تصفيه‌خانه، ثابت و برابر با كيفيت معمول فاضلاب‌هاي شهري (در حدود BODO=250mg/lit) درنظر گرفته شده است. ليكن كميت فاضلاب ورودي به تصفيه‌خانه در محدوده دبي‌هاي كمتر از ۱۰۰۰ ليتر بر ثانيه متغير بوده و در اين محدوده جواب‌هاي قابل قبولي ارائه مي‌دهد. لازم به ذكر است توابع نماي ارائه شده براي واحدهاي مختلف تصفيه‌خانه در محدوده‌هايي از دبي و كيفيت فاضلاب ورودي به همان واحد قابل اعمال است كه در استانداردهاي مربوطه ارائه شده است.

بايستي درنظر داشت كه در بهينه‌يابي سيستم لجن فعال انتخاب هر واحد مي‌تواند نوع، ظرفيت و مشخصات واحدهاي قبل و بعد از خود را نيز تحت تاثير قرار دهد. به عنوان مثال انتخاب حوض هوادهي به روش هوادهي گسترده معمولاً مستلزم هزينه سرمايه‌گذاري اوليه بيشتري نسبت به ساير انواع حوض‌هاي هوادهي مي‌باشد، ليكن اين واحد به علت شرايط فرآيندي خاص خود منجر به توليد لجن كمتري خواهد شد كه اين امر در ظرفيت و هزينه واحدهاي تصفيه لجن (كه خود در حدود ۵۰ درصد هزينه كل تصفيه‌خانه را شامل مي‌شوند) تاثير مي‌گذارد. همچنين انتخاب هاضم به روش هوازي، معمولاً به معناي عدم نياز به واحد تغليظ كننده لجن مي‌باشد كه اين امر نيز هزينه

سرمايه‌گذاري تصفيه‌خانه را تحت تاثير قرار مي‌دهد. به همين علت چند مرحله‌اي بودن سيستم‌هاي تصفيه و ساختار خاص ارتباطي بين آنهاست كه بايستي جهت بهينه‌يابي از يك برنامه كامپيوتري استفاده نمود.