بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي روش هاي تخمين ميزان شيرابه توليدي در مدفن
چکيده
يکي از ارکان اصلي مديريت شيرابه در محل مدفن ، بر آورد ميزان شيرابه توليدي در اين مکان است . اين اهميت از آنجا ناشي مي شود که طراحي بسياري از تاسيسات لازم براي يک مدفن ( لندفيل ) مانند سيستم زهکشـي و جمع آوري و تصفيه شيرابه و ... به نوعي به ميزان شيرابه توليدي وابسته مي باشند .
ابتدا براي بر آورد ميزان شيرابه توليدي بايد جريانات آب در داخل مدفن را بشناسيم لازم بـه ذکـر اسـت کـه بـه دليل پيچيدگي اين مکانيزم و ناشناخته بودن توده زباله قادر به محاسبه مقدار دقيقي از شيرابه توليدي نيستيم و هدف تخمين اين کميت است . در ايـن تحقيـق ابتـدا چنـدين روش تخمـين شـيرابه نظيـر دو روش WBM و HELP مورد بررسي قرار ميگيرد و سپس براي تخمين ميزان شيرابه روش SWB معرفي شـده و بـه شـرح و بررسي اين روش ها ميپردازيم .
کلمات کليدي:
تخمين شيرابه ،WBM ،HELP ، محاسبه شيرابه به کمک Excel ،SWB
١. مقدمه
به مايعي که از داخل زباله عبور کرده و به بيرون زايدات جامد نشـت نمايـد و شـامل مـواد قابـل حـل ، معلـق يـا ذرات مخلوطي از اجزاي همان زباله باشد شيرابه گويند. حاصل تغييرات بيولوژيکي، شيميايي و فيزيکي مواد زايـد وارد شـده بـه درون محل دفن ، توليد شيرابه و بيوگاز مي باشد .مواد داخل محل دفن از منظر فيزيکي در سه فاز مشاهده مي گردند :فاز جامد(مانند زباله ها) ، فاز مايع (مانند شيرابه ) و فاز گاز(مانند بيوگاز). شيرابه مايعي است که توسط مواد آلي يا معدني محلول يا معلق موجود در فاز جامد محل دفن غني شده و از داخل زباله به بيرون نشت نمايد .زماني که ميزان رطوبت زباله از ظرفيت ميداني زباله فراتر رود، رطوبت اضافي به صورت شيرابه آزاد مي گردد.[١]
شيرابه را مي توان بر اساس نوع فرآيندي که طي آن تشکيل مي گردد و نيز زمان توليد، به شيرابه اوليه و شيرابه ثانويـه تقسيم بندي نمود .شيرابه اوليه به عبارتي شيرابه توليد شده قبل از بسته شدن نهايي محل دفن و شيرابه ثانويه شيرابه پـس از بسته شدن محل دفن مي باشد.
عوامل زيادي در شکل گيري و توليد شيرابه مؤثر مي باشند. اين مؤلفه ها را مي توان به مؤلفـه هـايي کـه مسـتقيماً در ميزان رطوبت محل دفن تأثير مي گذارند شامل ؛ بارندگي، آب شدن بـرف ، نفـوذ آب زيرزمينـي، ميـزان رطوبـت اوليـه ، آبيـاري، بازچرخش شيرابه ، دفن زايدات مايع و تجزيه مواد فساد پذير و مؤلفه هايي که بر توزيع رطوبت يا شيرابه در محل دفن تأثير مـي گذارند شامل ؛ تفکيک زباله قبل از دفن ، متراکم کردن زباله ، نفوذپذيري، دانه بندي زباله ، چگـالي، نشسـت ، گياهکـاري، پوشـش نهايي، بندهاي جانبي، لايه نفوذ ناپذير تحتاني، توليد و انتقال گاز و حرارت آزاد شده تقسيم نمود.
در ميان عوامل متعددي که در افزايش رطوبت محل دفن دخيل هستند، بازچرخش شيرابه در گزينه هاي مديريت شيرابه بسيار مورد توجه قرار گرفته است .در حقيقت تحقيقات بسياري جهت بررسي و پياده سازي اين روش در مدلهاي آزمايشگاهي و شرايط واقعي صورت گرفته است که همگي بيانگر تثبيت سريع زباله و افزايش توليد گـاز در اثـر بـازچرخش شـيرابه مـي باشـد .
بازچرخش شيرابه علاوه بر تأثيري که بر ايجاد کانال هايي در محل دفن دارد، تأثير بالقوه اي درکاهش غلظت آلودگي شـيرابه در يک دوره کوتاه به خاطر رقيق سازي و فرآيند تصفيه بي هوازي محل دفن خواهد داشت .قابل توجه است که اگرچه در اکثر موارد تثبيت سريع تر محل دفن باعث افزايش و بهبود فرآيند متان ساز و تشکيل گاز مي گردد ليکن در موارد نادري به دلايل ناشناخته باعث اخلال در اين فرآيند شده است .[١]
٢. روش هاي تخمين ميزان شيرابه توليدي
محاسبه و پيش بيني دقيق ميزان شيرابه در يک محل دفن عموما بسيار پيچيده بوده و در بسياري موارد تخمين مقـدار دقيق آن امکان پذير نمي باشد .لذا تمامي روش هاي ارايه شده براي محاسبات مربوطه تخميني بوده و مقادير دقيقي بـه دسـت نميدهند و براي استفاده مناسب و کارامد از ارقام بدست آمده در اين محاسبات در مراحل طراحي، نتايج بدست آمده ميبايست با در نظر گرفتن شرايط واقعي تصحيح گردند. همانطور که پيش تر بحث شد ميزان شيرابه توليد شده به عوامل متعددي بستگي دارد که اگرچه اين مؤلفه ها داراي تغييرات زيادي مي باشند، ليکن مي توان دامنه تغييرات آن را کاملاً مشخص نمود. لذا منطقي به نظر مي رسد که به نحوي سعي شود که تمامي مولفه هاي تاثيرگذار بر کميت شيرابه در تخمين آن مورد استفاده قرار گيرند و اثر آنها در اين فرآيند لحاظ گردد.
از طرف ديگر مي توان بر اساس روشي که در مدل هاي مختلف براي دخيل کردن عوامل مـوثر در توليـد شـيرابه و نـوع محاسبات و پيچيدگيهاي مدل و دقت آنها وجود دارد، مدل هاي پيش بيني ميزان توليد شيرابه در يک محل دفن را به قرار زير تقسيم بندي نمود:
١- روابط تجربي
٢- روش موازنه آب
٣- روش هاي پيشرفته موازنه آب
٤- روش مبتني بر نفوذ سيال در محيط غير اشباع
٥- مدل هاي اصلاحي (نظيرHELP)
٦- روش سري موازنه آب (Serial Water Balance method)
گرچه روش بکار رفته براي پيش بيني مقدار توليد شيرابه در اين مدل ها متفاوت خواهد بود، در همه اين مدل ها اساس محاسبات موازنه جرمي است ، که براي محاسبه آب وارد شده و خارج شده استفاده مي شود .به طور کلي در روش هاي فوق هـر يک از مولفه هايي که پيش تر به آنها اشاره کرديم و در اين موازنه ها تاثير گذار بوده و وارد معادلات موازنه جرم مـي شـوند، بـه روشي و با درجات مختلفي از پيچيدگي مورد تحليل و بررسي قرار مي گيرند.
٢. ١. روابط تجربي
نخستين تلاش ها براي پيش بيني حجم و نرخ توليد شيرابه بر مشاهده ها و اندازه گيري هاي تجربي محـل و شناسـايي اجزاي شيرابه که در نهايت از کف محل دفن خارج مي شوند متکي بوده است . به طور مثال Gee (١٩٨٦) يک رابطه تجربي براي پيش بيني ميزان نفوذ از پوش شهاي محل دفن ارايه نموده است که بر مبناي مطالعات و آزمايش هاي ميداني بدست آمده است .
نتايج اين مدل ها بيشتر به عنوان ارايه يک مدل توصيفي(کيفي)قابل استفاده بوده است .
٢. ٢. روش موازنه آب
اساس اين روش مبتني بر موازنه جرمي آب وارد شده و خارج شده مي باشد. در تمامي اين معادلات مقدار آب وارد شده
به محل دفن را مساوي با مقدار آب خارج شده از محل دفن قرار داده و با جايگذاري مقادير مربوط به هر مولفه و با حل معادلـه ،
مقدار شيرابه خروجي محاسبه مي شود. اين روش را مي توان به صورت ساده شده با معادله ذيل ارايه نمود:
Lv= حجم شيرابه اوليه توليد شده
Lv =حجم شيرابه ثانويه توليد شده
P= حجم بارندگي
E= حجم تبخير
ET=حجم تبخير و تعرق
R=حجم رواناب سطحي
S=مايع خارج شده در اثر فشرده شدن زباله
S∆=ظرفيت نگهداشت رطوبت در خاک و زباله
AW=مقدار(رطوبت جذب شده )در زباله
اگرچه محاسبات و رابطه ارايه شده در روش موازنه آب از نظر تئوري صحيح و ساده است ليکن هيچ يک از مؤلفه هاي آن را نمي توان به طور دقيق محاسبه کرد و يا تخمين زد .اين مؤلفه ها يا از نظر ماهوي يک رخداد اتفاقي هستند(مانند دما، بارندگي وزش باد )يا وابسته به مؤلفه هايي هستند که تعيين ميزان دقيق آنها بسيار مشکل مي باشد(مانند ضريب رواناب سطحي، درصد تراکم زباله ، ميزان رطوبت ).
در مطالعه اي که گروه مهندسان سازمان حفاظت خاک آمريکا در سال ١٩٧٦ انجام دادند داد ه هاي مربوط به پنج محل دفن در حال بهره برداري که در مناطق مختلف جغرافيايي واقع شده بودند جمع آوري گرديد. ٢٥روش مختلـف بـراي تخمـين ميزان تبخير و تعرق ، رواناب و نفوذ مورد استفاده قرار گرفت .بطوريکه ترکيبات مختلفي از هر يک از روش هاي مورد استفاده براي تخمين ميزان تبخير و تعرق ، رواناب و نفوذ در نظر گرفته شد و در مجموع ١٢٥ روش ارايه گرديد .مقايسـه نتـايج محاسـبات بـا مقادير واقعي توليد شيرابه نشان داد که در ٥٤ مورد (٤٢.٤ درصد) مقدار تخميني بيش از مقـدار واقعـي شـيرابه و در ٧١ مـورد (٥٦.٨ درصد) ميزان تخمين شيرابه کمتر از مقدار واقعي محاسبه شده است .مقدار خطا در ٢٥ مورد از روش هاي محاسبه بـين ٨٣ الي ١٥٤٣درصد متغير بود .اين مطالعه نشان مي دهد که ممکن است استفاده از روش موازنه آب براي پيش بيني نرخ توليـد شيرابه با خطاي زيادي همراه باشد.
٢. ٣. روش هاي پيشرفته موازنه آب
اساس محاسباتي که در تخمين شيرابه با روش موازنه آب صورت مي پذيرد بر پايه مقدار آب حاصل از بـارش اسـت کـه وارد محل دفن مي شود؛ لذا اعداد و مقادير بدست آمده عمدتا نمايشگر شيرابه ثانويه خواهد بود .در حالي که در برخي شـرايط ، شيرابه اوليه که ناشي از خروج رطوبت اوليه زايدات پس از دفنشان مي باشد، به عنوان عامل اصلي توليد شيرابه مطرح مي گـردد بنابراين به نظر مي رسد در چنين شرايطي روش موازنه آب براي تخمين مقدار شيرابه چندان قابل استفاده نخواهد بود .لذا مدل هاي جديدي توسعه يافته اند که علاوه بر اينکه ساير مولفه هاي موثر در توليد شيرابه را مد نظر قرار داده اند، روش هـاي دقيـق تري نيز براي تخمين شيرابه توليدي در محل هاي دفن ارايه داده اند. به طور مثال Ramke,١٩٩١موازنه آب در محل هاي دفن براي زباله شهري را با توجه به دو مرحله عمده در طول حيات محل دفن ؛ سلول پوشيده نشده و سلول پوشيده شده و گياهکاري
شده را به شرح زير بيان نمو د (مطابق شکل ١)[٢] :
N = بارندگي
Eta = تبخير و تعرق واقعي
S= ذخيره شدن (دائمي)
R = باقيمانده (موقت )
AB = شيرابه خروجي از محل دفن زباله
AO = رواناب سطحي
WB = آب توليدي يا مصرفي در اثر فساد بيولوژيکي
WK = آب آزاد شده در اثر عمليات تحکيم
شکل ١-سلول پوشيده نشده و سلول پوشيده شده و گياهکاري شده و مولفه هاي موثر بر توليد شيرابه
٢. ٤. روش مبتني بر نفوذ سيال در محيط متخلخل
اين مدل ها بر پايه مدل هاي جريان سيال و انتقال آن در محيط پوشش نهايي، زباله ، لايـه نفوذناپـذير تحتـاني و خـاک طبيعي و انتخاب يک پارامتر فيزيکي به عنوان نشانگر آلودگي و مولفه هاي فيزيکي مشخص خاک توسـعه يافتـه اسـت .در ايـن روش از معادله ريچارد و معادله ادوکشن - ديسپرژن براي بررسي انتقال آلودگي استفاده مي شود. اين روش مشکلات زيـادي در ارايه يک مدل از ساختار سه بعدي و ناهمگن محل دفن دارد.
٢. ٥. مدل هاي اصلاحي
مدل هاي اصلاحي متعددي براي تخمين توليد شيرابه ثانويه در محل هاي دفن بـر اسـاس تلفيقـي بـا روش موازنـه آب توسعه يافته است .مدل HELPکه براي اولين بار توسط Schroederو همکاران در سال ١٩٨٤ ارايـه شـد، عـلاوه بـر موازنـه آب ، تراوايي لايه نفوذ ناپذير تحتاني را نيز براي تخمين ميزان نفوذ آب مدنظرقرار مي دهد .در اين مدل ، پيش بيني ميـزان نفـوذ آب پس از تبخير-تعرق از طريق لايه نفوذ ناپذير تحتاني بصورت تراوش عمودي و رواناب افقي از ميان اين لايه تخمين زده مي شود.
Schroederو Peyton در سال ١٩٨٨نشان دادند که اين مدل مي تواند توليد شيرابه را تقريبا با دقـت متوسـطي پـيش بينـي نمايد و خطاي محاسبه شيرابه در استفاده از اين مدل بين ٩٦- درصد تا٤٩٩ درصد ميباشد. مهمترين اشکالات وارده بر اين مدل ناتواني آن در شبيه سازي نفوذ، تحت شرايط غير اشباع و اثر ترکهاي درشت ناشي از خشک شدن لايه نفوذ ناپذير تحتاني رسـي در نرخ نفوذ مي باشد. در نسخه جديد مدل HELP اين اشکالات با استفاده از مدل هدايت هيدروليکي در شرايط غيـر اشـباع بـا استفاده از رابطه Campbell (١٩٧٤) مرتفع گرديده است .در اين مدل فرآيند هيدرولوژيکي يک محل دفن با درنظر گرفتن ورود و خروج آب به صورت روزانه و منظم با استفاده از مدل دو بعدي گوسي مدل مي شود .اين مدل به طور گسترده اي جهت پـيش
