بررسی آزمایشگاهی روش های تصفیه فیزیکی آب در آبگیری زیرسطحی و تعیین زمان بک واش در فیلتر ژئوتکستایل

چکیده:

هدف از این پژوهش، بررسی آزمایشگاهی تغییرات زمانی راندمان فیلتر ژئوتکستایل و فیلتر شنی در تصفیه آبگیر های زیر سطحی و تعیین زمان بک واش در فیلتر های ژئوتکستایل است. سیستم آبگیر شامل لوله پی وی سی مشبک بود که به صورت افقی در امتداد کانال آزمایشگاهی قرار گرفت. جدار لوله آب گیر در آزمایش های مختلف، مجهز به سه نوع ژئوتکستایل 350 و 500 و 800 گرم بر متر مربع شد و فیلتر شنی با ضخامت متوسط 20 سانتی متر به عنوان نمونه شاهد در نظر گرفته شد. آزمایش ها برای رسوبات با چهار غلظت ورودی صفر، هزار ، پنج هزار ، ده هزار میلی گرم بر لیتر در یکصد و هشتاد حالت انجام شد. نتایج نشان داد که متوسط راندمان عملکرد فیلتر شنی برابر 82.4 درصد است، اما راندمان فیلتر ژئوتکستایل 350، 500 و 800 گرم بر متر مربع به ترتیب 95.2، 99.4 و 100 درصد  است. فیلتر ژئوتکستایل سبک تا سنگین نسبت به فیلتر شنی دارای شانزده درصد، بیست و یک درصد و بیست و دو درصد افزایش راندمان عملکرد بوده است.  معادله عمومی استفاده از ژئوتکستایل در تصفیه آب در طول زمان و تعیین زمان بک واش محاسبه و ارائه گردید. با افزایش غلظت رسوبات و دبی، انسداد فیلتر ژئوتکستایل نیز افزایش می یابد. میزان انسداد روزانه در لایه های ژئوتکستایل به طور متوسط 21.16 درصد مشاهده شد.

واژه های کلیدی: آب گیر زیر سطحی، فیلتر، ژئوتکستایل، تصفیه فیزیکی، تغییرات زمانی

مقدمه:

یکی از اهداف عمده در طرح های آبگیری و تاسیسات انحراف آب علاوه بر تامین دبی مناسب جریان، تضمین کیفیت آب منحرف شده می باشد، به طوریکه کیفیت آب منحرف شده از میانگین کیفیت رودخانه پایین تر نباشد. از جمله روش های رسوب زدایی در انواع آبگیری از رودخانه ها به جز آبگیری زیر سطحی می توان به سازه های منحرف کننده جریان تحتانی پر رسوب ، حوضچه ترسیب گردابی و لوله رسوب گیر گردابی اشاره کرد. لیکن در روش آب گیری زیر سطحی از فیلتر به عنوان رسوب گیر استفاده می شود. ژئوتکستایل ها پوشش های نفوذ پذیر می باشند که از الیاف مصنوعی به دست آمده اند و این الیاف از مشتقات نفت خام نظیر پلی استر، پلی اتیلن و پلی پروپیلن و بعضی از مواقع از فایبر گلاس ساخته می شوند. گفتنی است که ساخت این منسوجات از مواد طبیعی به دلیل فساد پذیر بودن آنها امکان پذیر نیست. ژئوتکستایل ها می توانند به صورت بافته شده و یا بافته نشده باشند. ژئوتکستایل بر اساس مقدار وزن در واحد سطح از حدود صد تا هزار گرم بر متر مربع با نفوذ پذیری 0.32 تا 0.2 سانتی متر بر ثانیه و قطر منافذ 250 تا 70 میکرون در بازار شناخته می شوند.

فتاحی و هازپرا هیدرولیک جریان نفوذی لوله های سوراخ دار در زیر لایه خاک و پوشش شنی مستغرق را با استفاده از بررسی هیدرولیک خطوط جریان بین منبع و مقصد (Sink & source)  مورد آزمایش قرار داده و نشان دادند با استفاده از نفوذ پذیری لایه های خاک، اصطحکاک لوله های سوراخ دار و بقیه فاکتور های مورد نظر، معادلات عمومی توصیف هیدرولیک لوله های سوراخ دار به دست می آید. شایان ذکر است که پیش بینی مطالعات فتاحی و هازپرا با نتایج قبلی تجربی استفاده از لوله سوراخدار بدون استفاده از پوشش شنی و لایه های خاک مطابقت دارد. بر اساس تحقیقاتی که در سال های گذشته توسط محققین مختلف انجام شده، توصیه می شود برای جلوگیری از بسته شدن دهانه آبگیر توسط رسوبات، در عمل از دو برابر طولی که از محاسبات هیدرولیکی بدست می آید. برای طول آب گیر استفاده شود. همچنین برای غلطتیدن رسوبات بر روی شبکه آشغال گیر، شیب بهینه بین 20 تا 30% می باشد .رجبی و ایزدی در بررسی آبگیر های کفی نشان دادند که از جمله مشکلات عمده کف های مشبک، گرفتگی آنها توسط رسوب درشت دانه و یا ورود رسوب ریزدانه به آبگیر از میان میله های آبگیر می باشد. لذا ایشان مشخص نمودند که تحت شرایط متفاوت هیدرولیکی و رسوب، آورد رسوب در شیب سی درجه حداقل می باشد. منزوی با آزمایش بر روی آبگیر های کفی و تهیه مدل عددی با دقت و همگرایی مطلوب، به این نتیجه رسید  که روش آبگیری از کف بهترین گزینه برای آبگیری از رودخانه های کوهستانی می باشد.

اگرچه در مورد آبگیری با استفاده از صفحات مشبک کار های تحقیقاتی زیادی انجام شده، ولی برای آبگیری زیر سطحی به روش استفاده از ژئوتکستایل مطالعاتی انجام نگرفته است. لذا در این پژوهش، آبگیری زیرسطحی با استفاده از فیلتر ژئوتکستایل مطالعه می شود. در صورت عملکرد مطلوب این روش می توان آن را جایگزین آبگیری با استفاده از صفحات مشبک و فیلتر شنی نمود. به طوریکه در شرایط مختلف هیدرولیکی رودخانه کمترین میزان رسوب در امر آبگذری ایجاد شود. نتایج به صورت نمودار و جدول ارئه و مورد بحث و بررسی قرار گرفت. همچنین معادله ای برای آبگیری زیر سطحی با استفاده از ژئوتکستایل بسته به ضخامت ژئوتکستایل ها با استفاده از آنالیز ابعادی ارائه شد.

مواد و روش ها

آزمایش ها در کانال آزمایشگاه مکانیک خاک گروه مهندسی آب دانشگاه شهر کرد انجام گردید. این کانال از نوع مستطیلی با جداره های فایبر گلاس بود تا امکان مشاهده ی کلیه مراحل آزمایش ها پدید آید و تنها یک وجه و کف کانال از جنس فی (گالوانیزه) بود. ارتفاع کانال 1.2 متر، عرض کانال 0.6 متر و طول آن 5.5 متر و شیب کف آن در طول کانال معادل صفر بود. به منظور انجام آزمایش ها، جدار فایبر گلاس یک وجه عرضی کانال با یک صفحه فی گالوانیزه که محل خروج لوله آبگیر و سرریز ها به صورت دقیق بر روی آن تعبیه شده بود. جایگزین و آب بند گردید. همچنین کف کانال توسط یک لایه ژئو ممبران و چسب به طور کامل آب بند گردید. در محل خروج لوله آبگیر یک سوراخ دایره ای به قطر 9 سانتی متر در فاصله ی 23.5 سانتی متر از کف کانال در نظر گرفته شد. به منظور کنترل سطح آب کانال در هر آزمایش، چهار لوله سرریز به قطر پنچ سانتیمتر با امکان انسداد در ارتفاع 0.2، 0.4، 0.6 و 0.8 متری بالاتر از محور وسط لوله آبگیر پیش بینی شد. به طوریکه جهت بالا بردن سطح آب در کانال و انجام آزمایش مرحله ی بعد، سرریز پایینی با بستن درپوش مسدود می گردید. بنابراین امکان افزایش سطح آب در کانال به میزان 0.2، 0.4 ،0.6 و 0.8 متر بالاتر از لوله آب گیر پدید آمد. کانال فاقد مخزن ذخیره جانبی بود و به منظور گردش آب در حین آزمایش و استفاده مجدد از آبهای خروجی کانال ( آب سرریز و خروجی آبگیر) یک باب مخزن 500 لیتری پلاستیک روباز در زیر نقاط خروجی قرار داده شد تا آب خروجی توسط پمپ کف کش و شلنگ مجدداٌ به داخل کانال برگردد.

در این پژوهش سیتم آب گیر شامل یک لوله پی وی سی (PVC)با قطر خارجی 90 میلی متر (قطر داخلی 85 میلیمتر) و طول 4 متر بود که 3 متر آن توسط سوراخ های مدور به قطر 5 میلیمتر و فواصل 2.5 سانتی متر از یکدیگر به صورت مثلثی در طول و عرض لوله مشبک شد. لوله به صورت افقی در امتداد طولی کانال (در جهت جریان) قرار گرفت. در اینصورت مجموع مساحت باز روی لوله آبگیر (A ) برابر با 0.026 متر مربع محاسبه گردید. برای اندازه گیری فشار داخلی لوله آبگیر تعداد 16 پیزومتر به فاصله 20 سانتی متر از یکدیگر در زیر لوله آبگیر قرار گرفت و لوله ها پس از گذر از جدار طولی کانال، بر روی سطح خارجی کانال به صورت قایم نصب شدند. میزان دبی خروجی لوله آبگیر توسط شیر کروی مدرج انتهای لوله در سه حالت (3/1، 3/2 و کاملاٌ باز ) تنظیم و توسط ظرف مدرج پلاستیکی با حجم 30 لیتر اندازه گیری شد. همچنین برای ثابت نگه داشتن ارتفاع سطح آب کانال در خارج لوله از سرریز های انتهایی کانال استفاده شد.

به منظور بررسی آزمایشگاهی فرآیند تصفیه آب توسط ژئوتکستایل در آبگیر زیرسطحی، علاوه بر سوراخ های محیطی، جدار خارجی لوله آبگیر مجهز به پوشش ژئوتکستایل گردید. بدین منظور با توجه به طیف تولید ژئوتکستایل در ضخامت ها و وزن های مختلف از 100 تا 1000 گرم به ازای هر متر مربع و همچنین مشخصات فنی استاندارد ارائه شده از سوی تولیدکنندگان، در این پژوهش از سه نوع لایه ژئوتکستایل GT350، GT500 و GT800  (سبک، متوسط و سنگین) به شرح جدول ذیل استفاده گردید.

به منظور انجام آزمایشهای مربوط به فیلتر شنی، از سه لایه شن متوسط، درشت و متوسط به ضخامت کل 20 سانتی متر بر روی لوله آبگیر و یک لایه شن متوسط در اطراف و زیر لوله آبگیر به ضخامت 29 سانتی متر استفاده شد.

 به منظور بررسی میزان تصفیه فیزیکی آب توسط ژئوتکستایل و فیلتر شنی در آبگیری زیرسطحی، نیاز به استفاده از رسوبات می باشد. اندازه رسوبات بایستی کوچکتر از اندازه ظاهری(موثر) منافذ ژئوتکستایل در نظر گرفته شود تا میزان تله اندازی رسوبات توسط ژئوتکستایل به درستی اندازه گیری شود. لذا با توجه به حداقل اندازه ظاهری منافذ ژئوتکستایل های مورد استفاده در تحقیق (0.09 میلیمتر) ذرات عبور کرده از الک 200 (0.75 میلی متر) که شامل ذرات لای و رس با 90D  معادل 0.065 میلیمتر می باشد. به عنوان رسوب در آزمایش ها مورد استفاده قرار گرفت.

 نظر به اینکه در بررسی عملکرد ژئوتکستایل به عنوان فیلتر، غلظت رسوبات قبل و بعد از ژئوتکستایل بایستی اندازه گیری شود، رسوبات به آب کانال آزمایشگاهی افزده شد. همچنین با توجه به اینکه غلظت رسوبات رودخانه ای در حالت عادی حدود 1000 تا 2000 میلی گرم بر لیتر بوده و در حالت سیلابی به 5000 تا 10000 میلی گرم بر لیتر انجام شد. بدین منظور با محاسبه حجم آب درون کانال، وزن رسوبات جهت ایجاد غلظت مناسب آب ورودی به ژئوتکستایل برای هر آزمایش محاسبه و قبل از شروع هر آزمایش به صورت یکنواخت به آب کانال اضافه شد

نتیجه گیری

راندمان عملکرد لایه های ژئوتکستایل به عنوان فیلتر جهت تصفیه فیزیکی آب و کاهش غلظت رسوبات بسیار بهتر از فیلتر شنی بود و راندمان عملکرد در کلیه موارد بیشتر از 92 درصد مشاهده شد. راندمان عملکرد ژئوتکستایل  GT350 از 97.76 درصد تا 92.2 درصد، راندمان عملکرد  GT500 از 99.76 درصد تا 98.93 درصد و راندمان عملکرد ژئوتکستایل  GT800 همواره 100 درصد بود . حداکثر راندمان فیلتر شنی 89.88 درصد مشاهد شد که با افزایش غلظت و ارتفاع آب روی آبگیر تا 75.07 درصد کاهش یافت. لایه ژئوتکستایل GT500  تا 99 درصد قابلیت تصفیه فیزیکی آب و کاهش و حذف رسوبات معلق در آب را دارد. لیکن با استفاده از لایه ژئوتکستایل GT800 عملکرد این لایه به عنوان فیلتر تصفیه فیزیکی آب را با 100 درصد اطمینان تضمین می نماید. میزان انسداد روزانه در لایه های ژئوتکستایل به طور متوسط 2.16 درصد مشاهد شد که بر این اسا پس از گذشت زمان حدود 25 روز بایست نسبت به بک واش و یا تعویض لایه ژئوتکستال اقدام نمود.

 نویسندگان: علیرضا اکرام نیا، امیر حسین منتظری، بهزاد قربانی

کاربرد ژئوتکستایل به عنوان عایق

محصولات ژئو سنتتیک

استفاده از لایه های تقویت کننده جهت کاهش اثر زلزله در محل های دفن زباله