بخشی از مقاله
ارزیابی کارایی تصفیه خانه فاضلاب تبریز با استفاده از سیستم های مختلف فازی
چکیده:
با توجه به محدود بودن منابع آب در جهان، استفاده از آبهای تصفیهشده به خصوص در مناطق خشک و نیمهخشکی مانند ایران ضرروی به نظر می رسد. از این رو تصفیه صحیح، مدیریت و کنترل فرآیند تصفیه نیازمند بررسی دقیق پارامترهای مـؤثر در این فرآیند است. لذا به دلیل دارا بودن ویژگی عدم قطعیت بین پارامترهای کیفی فرآیند تصفیه، در این مطالعه از مدلهای فازی (FL)¹ برای مدلسازی رفتار تصفیهخانه فاضلاب تبریز استفاده شده است. بدین منظور با مبنا قرار دادن مشخصههای کیفی اندازه گیریشده در ورودی تصفیهخانه، مقدار متناظر مشخصههای فوق در خروجی تصفیهخانه پیشبینی شد. برای این منظور از دو مدل فازی ممدانی و ساجنو استفاده شد. دادههای ورودی مدلهای فازی استفاده شده شامل پارامترهای دما (T)²، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی (BOD)³، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD)، کل جامدات معلق (TSS)⁵ و pH فاضلاب و دادههای خروجی شامل مشخصه BOD، COD و TSS می باشد. نتایج مدلهای فازی به کار برده شده برای پارامترهای مذکور، بدست آمده و با مقادیر مشاهداتی مقایسه شدند. بر اساس نتایج به دست آمده، هر دو مدل مذکور نتایج قابل قبولی را ارائه دادند. مدل فازی ممدانی با 17 قانون با ضریب همبستگی 0/91 و مدل فازی ساجنو با شعاع بهینه 0/7 و 5 قانون با ضریب همبستگی 0/94 اجرا شدند. با وجود اینکه هر دو روش فازی نتایج قابل قبولی را ارائه دادند، اما با بررسی میزان ضریب همبستگی و RMSE هر کدام از پارامترها در این دو روش به نظر می رسد مدل فازی ساجنو نسبت به مدل فازی ممدانی برتری دارد. همچنین با محاسبه درصد بازده حذف آلایندهها در خروجی تصفیهخانه مشخص شد، حداکثر بهرهوری حذف در تصفیه خانه مربوط به آلاینده TSS بوده و معادل 93 درصد می باشد. سایر آلایندهها نیز مقادیری بسیار
1
نزدیک به TSS داشتند. به همین ترتیب بازده حذف این آلایندهها از طریق مقادیر برآوردی با مدلهای فازی نیز به همین منوال است، که به واسطه نزدیکی با مقادیر مشاهداتی مبین کارایی خوب مدلهای به کار برده شده می باشد.
واژه های کلیدی: فاضلاب، مدل فازی ساجنو و ممدانی، بازده حذف، تصفیه خانه تبریز
-1مقدمه:
با توجه به اینکه کشور ایران در اقلیم خشک و نیمهخشک واقع است و بر اساس گزارش بانک جهانی پیشبینی گردیده که تا سال 2025 میلادی حتی در صورت وجود شرایط جوی معمول، ایران جزو کشورهایی است که فشار آبی در آن افزایش یافته و حتی به دو برابر می رسد )توکلی و همکاران، )1390، لذا استفاده از آبهای تصفیهشده در کشور از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از پساب به عنوان یک منبع تأمینکننده نیازهای آبی جهت مصارف خاصی مانند کشاورزی به علت نیاز روزافزون به آب و قابل اطمینان بودن پساب به عنوان منبع آب مهم در دسترس و به دلیل بالا بودن مواد مغذی همچون ازت، فسفر و پتاسیم برای رشد گیاهان، روز بهروز مورد توجه بیشتر است (مرادمند و بیگی هرچگانی، 1388؛ ترابیان و مطلبی، .(1382 از طرف دیگر آمار و ارقام نشان میدهد، حجم آب های نامتعارف از جمله پسابهای شهری و صنعتی ایران در سال 1375 در حدود 3/4 میلیارد متر مکعب بوده که 2/5 میلیارد متر مکعب آن مربوط به پساب شهری است (رنگ زن و همکاران، .(1385 با توجه به رشد و توسعه شهرنشینی مقدار این پسابها در سال 1380 برابر 4/5 میلیارد مترمکعب و پیش بینی آن برای سال 1392 در حدود 7 میلیارد مترمکعب است (رنگ زن و همکاران، .(1385 لذا راهبری صحیح تصفیهخانه های فاضلاب یکی از مهمترین عوامل مدیریتی در بخش آب و فاضلاب کشور به شمار می آید (رفعت متولی و همکاران، .(1391 عملکرد تصفیهخانه های فاضلاب تابعی از عوامل مختلف کیفی فاضلاب، شرایط مدیریتی تصفیهخانه و مسائل زیستمحیطی است. دفع فاضلاب با مشخصههای کیفی قابل قبول، به انواع منابع پذیرنده، یکی از مشکلات زیستمحیطی است که جوامع امروزی با آن مواجهاند (زارع ابیانه و همکاران، .(1391 بنابراین استفاده از روشهایی که بتواند عملکرد و کارایی تصفیهخانه های فاضلاب را به خصوص، بر اساس تغییرات کمی و کیفی فاضلاب ورودی پیشبینی کند از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
مدلهای عددی به لحاظ نیاز به دادههای فراوان و وقتگیر بودن فرایند کالیبراسیون مدل علاوه بر وقتگیر بودن، نیاز به صرف هزینه زیادی نیز دارد .)McGrail, 2001; Nadiri et al., 2013) علاوه بر این به اعتقاد صفوی (1389)، در مدلهای عددی، محدودیتهایی به لحاظ کالیبراسیون ضرایب واکنشها و صحت سنجی آن ها وجود دارد که با افزایش تعداد مشخصه-
2
ها و تأثیرات متقابل آنها بر یکدیگر، دقت پیشبینی رفتار کیفی فاضلاب کاهش مییابد (صفوی، .(1389 در حالی که در مدلهای فازی بدون در نظر گرفتن معادلات پیچیده، میتوان دینامیک حاکم بر سیستم را استخراج نموده و از این طریق، خروجیهای مدل را پیشبینی نمود (خلیلی و همکاران، 1385، .)Hong and Rosen, 2003; Hamed and et al, 2004 تصفیه فاضلاب شامل عملیات عمده و پیچیده فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی است. بیشتر این فرایندها، رفتار غیرخطی دارند که با مدلهای خطی ریاضی به سختی قابل تشریح هستند (رفعت متولی و همکاران، .(1391 لذا در سالهای اخیر مطالعات فراوانی بر روی بررسی رفتاری تصفیهخانه ها براساس معیارهای کیفی پساب با استفاده از مدلهای هوش مصنوعی مانند منطق فازی،
نروفازی و شبکههای عصبی صورت گرفته است
al., 2002; McGrail, 2001; Murnleitner et al., 2002; Perendeci et al., 2009; Erdirencelebi and Yalpir, 2011; Sahoo .et al., 2005; Hamed and et al., 2004; Wen and Vassiliadis, 1998; Choi and Park, 2001; Mingzhi and et al., 2009)
به طوریکه (Chan and Huang, 2003)، استفاده از این روشها را در مباحث آلودگی محیطزیست به واسطه پیچیدگی سیستم، اعتبار و قابل اعتماد بودن توصیه کردند. Chan و همکارانش (2001)، فرایندهای تصفیه یک فاضلاب صنعتی را به کمک یک مدل تحلیلی سه مرحله ای تلفیقی شامل منطق فازی، الگوریتم ژنتیک و شبکههای عصبی مدلسازی نمودند. مدل مذکور برای یک نمونه مطالعاتی در تایوان با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت. Esra yel و همکاران (2010)، با استفاده از سیستم استنتاج فازی ممدانی موفق به پیشبینی عوامل کیفی پساب خروجی از تصفیهخانه های شهری در ترکیه شدند. آنان از مشخصههای BOD، COD، pH، T و SS⁶ فاضلاب در ورودی سیستم فازی ممدانی برای پیشبینی BOD، COD، pH و SS پساب بهره گرفتند. نتایج آنان مبین کارایی مناسب سیستمهای فازی استفاده شده با حداقل درصد خطاهای مطلق 4 (MAPEs)⁷، 7، 11، 9 درصد به ترتیب برای pH، COD، BOD و SS بود .[Esra and Sukran, 2010] همچنین توانایی شبکه عصبی مصنوعی و منطق فازی در مدل سازی مشخصههای کیفی تصفیهخانه فاضلاب کارخانه کاغذ در چین توسط Wan و همکاران (2011) مورد بررسی گرفت. یافتههای آنان نشان داد مقدار مجذور مربعات خطا (RMSEs)⁸ برای پیشبینی COD و SS به ترتیب 1/135 و 0/184 درصد بود که مؤید توانایی بالای مدلهای استفاده شده در مسائل مربوط به تصفیه-خانه هاست. این کاربردها نشان دهندهی توانمندی بالای مدلهای هوشمند عصبی و فازی در مدیریت مسائل زیستمحیطی است. اجرای هر چه بهتر مدل به تعداد مناسب مشخصههای ورودی نیز بستگی دارد. به عنوان مثال در مطالعهای که Singh و همکاران در سال 2009 برای پیشبینی مشخصه BOD انجام دادند، از 11 مشخصه کیفی به عنوان ورودی شبکه استفاده کردند که در نهایت ضریب همبستگی برای ساختار بهینه شبکه (0/87) به دست آمد. در حالیکه در مطالعهای که زارعابیانه و همکاران در سال 1390 جهت ارزیابی کارایی تصفیهخانه اکباتان انجام دادند با استفاده از این 5 پارامتر به اضافه SS به نتیجه مطلوب تری (0/92) دست یافتند. اخیرا مطالعاتی بر روی مدلسازی پارامترهای خروجی تصفیهخانه های فاضلاب شهری انجام شده است .[Esra and Sukran, 2010] با عنایت به توانایی بالای سیستم های فازی در مدلسازی، برآورد فرایندهای پیچیده و بهینه سازی مسائل مختلف مهندسی، این فرضیه مطرح می شود که این سیستم می تواند با دقت مناسبی مقادیر عوامل کیفی
3
پساب تصفیهخانه را به کمک عوامل کیفی فاضلاب ورودی برآورد کند. همچنین اینکه تا بحال چنین مطالعه ای در رابطه با تصفیهخانه تبریز صورت نگرفته است. از این رو تحقیق حاضر با هدف توسعه و ارزیابی کارایی مدلهای فازی ساجنو و ممدانی و سیستم شبکه عصبی در بررسی عملکرد تصفیهخانه بزرگ تبریز و برآورد عوامل کیفی پساب خروجی از آن انجام شده است.
-2 مواد و روش ها:
-1-2 تصفیه خانه مورد مطالعه:
فاضلاب شهر تبریز به صورت ثقلی جمعآوری شده و وارد تصفیهخانه فاضلاب تبریز می گردد که در چهار کیلومتری غرب تبریز (محله قراملک) در ضلع جنوبی رودخانه آجیچای و در پایینترین نقطه شهر در رقوم 1334 واقع گردیده است(شکل .(1 فاز اول تصفیهخانه فاضلاب تبریز با ظرفیت 612 هزار نفر، در تیر ماه 1380 مورد بهرهبرداری قرار گرفته است. در حال حاضر به دلیل کامل نبودن شبکه فاضلاب شهر تبریز، فاز اول تصفیهخانه با ظرفیت حدود 30 درصد بهره برداری می شود. فاز های دوم و سوم تصفیهخانه توسط شرکت آب و فاضلاب استان آذربایجان شرقی در دست مطالعه می باشد. تصفیهخانه فاضلاب تبریز با متوسط دبی سالیانه 1/5 متر مکعب بر ثانیه و حداکثر دبی در روزهای بارانی و غیر بارانی به ترتیب 3/8 و 2/5 متر مکعب بر ثانیه شامل دو مرحله اولیه و ثانویه تصفیه میباشد که در مرحله اول، تصفیه فیزیکی و در مرحله بعدی تصفیه بیولوژیکی و در نهایت گند زدایی انجام میپذیرد. فرآیند تصفیه بیولوژیکی فاضلاب از نوع لجن فعال⁹ با هوادهی انتشاری تجهیزات هضم بی هوازی¹⁰جهت تصفیه و تثبیت لجن تولیدی است (مشاور یکم، 1391؛ مشاور یکم، .(1384
4
شکل -1 تصفیه خانه فاضلاب شهر تبریز
-2-2 داده های مورد استفاده:
تحقیق حاضر با هدف توسعه و ارزیابی کارایی مدل های مختلف فازی در بررسی عملکرد تصفیهخانه بزرگ تبریز و برآورد عوامل کیفی پساب خروجی از آن انجام شده است. در سنجش کیفیت پساب و ارزیابی تصفیه خانهای فاضلاب معمولاً از سنجش و ثبت فراسنجهای دما )T(، اکسیژن مورد نیاز بیوشیمیایی )BOD(، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی )COD(، کل جامدات معلق )TSS( و pH در خروجی تصفیه خانه و مقایسه آنها با مقادیر ورودی استفاده میشود (میران زاده و بابامیر، .(1382 در این راستا مقادیر ماهانه مشخصههای BOD، COD، کل جامدات معلق (TSS)، جامدات معلق (SS)، به عنوان مشخصههای کیفی و دما (T) و pH به عنوان عوامل محیطی فاضلاب خام، طی سال های 1381 تا 1391 به عنوان بردار اطلاعات ورودی مد نظر قرار گرفت (جدول .(1 به همین ترتیب از مقدار متناظر 3 مشخصه BOD، COD و TSS در پساب خروجی تصفیهخانه به
5
عنوان بردار اطلاعات خروجی استفاده شد. اهمیت مشخصه pH به دلیل ارتباط با فعالیتهای بیولوژیکی و مشخصه دما به دلیل تأثیرگذاری بر سرعت نیتریفیکاسیون است (ذوقی و همکاران، .(1389 مشخصه های BOD و COD به عنوان ترکیبات آلی قابل تجزیه بیولوژیکی پیش ساز اسیدهای چرب فرار توصیف شده، که در افزایش بازده حذف آلاینده های ازت و فسفر فاضلاب نقش دارند (بینا و همکاران، .(1384 کاربرد مشخصه های فوق به عنوان اطلاعات ورودی با کمترین خطا و بهترین جواب در برآورد، از سوی محققان مختلف گزارش شده است (محوی و همکاران،.( Pai et al., 2007; 1388
جدول .1 خصوصیات آماری داده های ورودی و خروجی
مقادیر میانگین ماهانه متغیرهای BOD، COD، TSS، T و pH اندازهگیری شده در ورودی و خروجی تصفیه خانه برای سالهای 1381 تا 1391، در شکل 2ارائه شده است. اصولاً مشخصه های فاضلاب باید در ماهها و فصلهای مختلف سال متفاوت بوده و روند گوناگونی را نشان دهد. به عنوان مثال کاهش دمای فاضلاب در ماههای اول فصل زمستان که نتیجه تغییرات چشمگیر عوامل جوی می باشد، به صورت مستقیم بر میزان فعل و انفعالات شیمیایی تأثیر گذاشته و روند آن ها را تغییر می دهد. از آنجا که شبکه جمعآوری فاضلاب تبریز شامل فاضلاب خام شهری و پساب برخی صنایع به صورت پیش تصفیه می باشد، بنابراین ترکیب آن به هنگام ورود به تصفیه خانه تبریز تقریبا به صورت یکنواخت میباشد. تصفیهخانه فاضلاب تبریز نیز در بخش کانال ورودی فاضلاب خام دریچه های کشویی کار گذاشته اند که در صورت تغییر این ترکیب عمل کرده و فاضلاب از طریق کانال انحرافی وارد رودخانه آجی چای می شود (شکل .(2 به این ترتیب فاضلاب ورودی به تصفیه-خانه برای تصفیه شرایط یکسانی در تمام سال دارد.
شکل -2 نمودار تغییرات متوسط ماهانه متغیرهای اندازه گیری شده در ورودی و خروجی تصفیه خانه
(الف) (ب) (پ)
شکل -3 الف- دریچه های کشویی ورود فاضلاب به کانال اصلی. ب- کانال انحرافی. پ- تخلیه فاضلاب به آجی چای
-3-2 همبستگی:
ضریب همبستگی پیرسون، یکی از معیارهای مورد استفاده در تعیین همبستگی دو متغیر است. ضریب همبستگی (r) بالا (نزدیک +1 یا (-1، به معنی همبستگی خوب و مقادیر نزدیک به صفر بیانگر عدم ارتباط بین دو متغیر می باشد. جدول 2 نشانگر چگونگی همبستگی بین پارامترهای خروجی و ورودی با همدیگر است که به صورت ماتریس همبستگی ارائه شده است. طبق جدول 2، بیشترین همبستگی به مقدار 0/935 به دمای فاضلاب ورودی و دمای پساب خروجی و کمترین مقدار همبستگی به مقدار 0/0008 به مشخصه های TSS خروجی با BOD خروجی تعلق دارد.
