مجله آب و فاضلاب

مجله آب و فاضلاب

طراحی بهینه جانمایی و ابعاد هیدرولیکی شبکه جمع‌آ‌وری فاضلاب خانگی با رویکرد حذف بیشترین مقدار COD و افزایش DO در طول مسیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 دکترای مهندسی عمران- محیط‌زیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، تهران، ایران و مسئول دفتر فنی شرکت آب و فاضلاب استان خراسان رضوی، مشهد، ایران
چکیده
امروزه طرح و اجرای شبکه‌های جمع‌آوری، دفع و تصفیه فاضلاب به‌عنوان یکی از فاکتورهای حیاتی در حفظ و حراست محیط‌زیست و تضمین سلامت و بهداشت عمومی مردم در سطح شهرها و روستاها محسوب می‌شود. با بررسی مطالعات انجام شده در گذشته، خلأ تحلیل کیفی شبکه فاضلاب در کنار طراحی جانمایی و ابعاد شبکه فاضلاب احساس می‌شود. به‌این منظور در این پژوهش روشی برای طراحی ابعاد شبکه فاضلاب خانگی به‌کار گرفته شد که با طراحی بهینه، علاوه بر جانمایی مناسب شبکه و ارضای شرایط هیدرولیکی موردنیاز شبکه فاضلاب، به دنبال ارتقای کیفیت فاضلاب ورودی به تصفیه‌خانه از طریق مدل کردن COD و DO نیز است. برای این کار از الگوریتم برش حلقه به حلقه برای بهینهسازی جانمایی شبکه، به‌منظور تعیین ابعاد هیدرولیکی شبکه فاضلاب، از مدل WATS برای مدل‌سازی کیفی فاضلاب موجود در شبکه و از الگوریتم گرگ خاکستری برای بهینه‌سازی شبکه جمع‌آوری فاضلاب استفاده شد. سه سناریوی کمینه کردن هزینه اجرای شبکه، بیشینه کردن مقدار COD حذف شده و بیشینه کردن میزان DO در طول مسیر انتقال فاضلاب به تصفیه‌خانه در نظر گرفته شد. در ادامه به‌منظور ارزیابی روش ارائه شده، یک شبکه نمونه جمع‌آوری فاضلاب بررسی شد. بر اساس نتایج به دست آمده هزینه سناریو 2 و 3 نسبت به سناریو 1 به ترتیب 9 و 14 درصد افزایش یافته که عمدتاً به علت افزایش شیب لوله‌ها و درنتیجه افزایش عمق کارگذاری لوله‌ها بود. میزان تابع هدف COD در سناریو 2 و 3 به‌ترتیب 164 و 132 درصد بهبود یافت. به‌عنوان‌ مثال در سناریو 2 مقدار 5/4 درصد کاهش در مقدار COD در طول شبکه موردمطالعه مشاهده شد. مقدار تابع هدف DO نیز به علت اتمام اکسیژن محلول در طول مسیر انتقال فاضلاب در هر سه سناریو صفر بود، ولی در هر سناریو نسبت به سناریو قبلی، مقدار اکسیژن محلول در لوله‌ها مقدار بیشتری را نسبت به سناریوها نشان داد که باعث ‌شد برای آن سناریو هوادهی کمتری نسبت به سناریوی قبلی لازم باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Optimum Design of Placement and Hydraulic Dimensions of Domestic Wastewater Collection Network with the Approach of Removing the Highest Amount of COD and Increasing DO Along the Route

نویسندگان English

Massoud Tabesh 1
Omid Pouraskari Dehnavi 2
Reza Heydarzadeh 3
1 Prof., School of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 MSc., School of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 PhD., School of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran and Head of the Technical Office, Khorasan Razavi Province Water and Wastewater Company, Mashhad, Iran
چکیده English

Today, the design and implementation of wastewater collection, disposal and treatment networks is considered as one of the vital factors in preserving and protecting the environment and ensuring the public health of people in cities and villages. By reviewing past studies as well as the lack of optimized layout design, qualitative analysis of the sewerage network along with the design of the dimensions of the sewerage network becomes obvious. In this research, a method for the simultaneous design of layout and dimensions of the domestic sewage network has been used; with an optimal design, in addition to satisfying the required hydraulic conditions, can improve the quality of incoming wastewater treatment via COD and DO modeling. For this purpose, using the Loop-by-Loop cutting algorithm to generate network layout, the algorithm to determine the hydraulic dimensions of the sewer network, and the WATS model for qualitative modeling of wastewater in the network, employing the gray wolf algorithm for optimization, the desired network is established. To evaluate the presented method, a sample wastewater collection network was investigated. Based on the results obtained, the cost of scenarios 2 and 3 increased by 9 and 14 percent, respectively, compared to scenario 1, which is mainly due to the increase in the slope of the pipes and, as a result, the increase in the depth of the pipes. The COD objective function in scenarios 2 and 3 improved by 164 and 132 percent, respectively. For example, in scenario 2, a 4.5 percent decrease in the COD value was observed along the studied network. The DO objective function is also zero in all three scenarios due to the depletion of DO along the wastewater transport path. However, in each scenario, the DO values in the pipes show a higher value than the previous scenario, which makes it necessary for that scenario to have less aeration than the previous one.

کلیدواژه‌ها English

Optimal Design
Sewage Collection Network
Gray Wolf Algorithm
Qualitative Analysis
COD
DO
Ahrari, F., 2014. Investigation of the quality changes of wastewater in urban wastewater collection networks (case study: Birjand City). MSc. Thesis of Environmental Engineering, Shahrood Islamic Azad University, Semnan, Iran. (In Persian)
Almeida, M. C., 1999. Pollutant transformation processes in sewers under aerobic dry weather flow conditions. PhD. Thesis, Dept. of Civil and Environmental Engineering, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London University, London, UK.
Almeida, M. C., Butler, D. and Matos, J. S., 2000. In-sewer biodegradation study at the costa do Estoril intrerceptor. Urban Water, 2(4), 327-334. https://doi.org/10.1016/S1462-0758(00)00064-9.
Bakhshipour, A. A., 2012. Integrated optimization of wastewater collection networks using an unconditional Tabu search model. MSc. Thesis, Civil Engineering Department, Shahid Chamran University, Ahwaz, Iran. (In Persian)
De Villiers, N., Van Rooyen, G. C. and Middendorf, M., 2017. Sewer network design: heuristic algorithm for hydraulic optimisation. Journal of the South African Institution of Civil Engineering, 59(3), 48-56. https://doi.org/10.17159/2309-8775/2017/v59n3a6.
Duque, N., Duque, D., Aguilar, A. and Saldarriaga, J., 2020. Sewer network layout selection and hydraulic design using a mathematical optimization framework. Water, 12(12), 3337. https://doi.org/10.3390/w12123337.
Guo, L., Tik, S., Ledergerber, J. M., Santoro, D., Elbeshbishy, E. and Vanrolleghem, P. A., 2019. Conceptualizing the sewage collection system for integrated sewer-WWTP modelling and optimization. Journal of Hydrology, 573, 710-716. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.012.
Haghighi, A., 2012. Loop by loop cutting algorithm to generate urban drainage systems layout. Journal of Water Resources Planning and Management, 139(6), 693-702. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000294.
Haghighi, A. and Bakhshipour, A. E., 2014. Deterministic integrated optimization model for sewage collection networks using Tabu search. Water Resources Planning and Management, 141(1), 04014045-1-11. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000435.
Heydarzadeh, R., 2019. Optimal multi-objective design of wastewater collection networks with the approach of maximizing treatment efficiency. PhD. Thesis, School of Civil Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran. (in Persian)
Heydarzadeh, R., Tabesh, M. and Miklas Scholz, M., 2019. Multiobjective optimization in sewer network design to improve wastewater quality. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 10(4), 04019037. https://doi.org/10.1061/(ASCE)PS.1949-1204.0000416.
Hvitved-Jacobsen, T., Vollertsen, J. and Tanaka, N., 1999. Wastewater quality changes during transport in sewers-an integrated aerobic and anaerobic model concept for carbon and sulfur microbial transformations. Water Science and Technology, 39(2), 242-249. https://doi.org/10.1016/S0273-1223(99)80036-5.
Hvitved-Jacobsen, T., Vollertsen, J. and Haaning Nielsen, A., 2013. Sewer processes, microbial and chemical process engineering of sewer networks, 2nd Edition, CRC Press, Taylor and Francis Group. New York. [Link]
Izquierdo, J. Montalvo, I. Pérez, R. and Fuertes, V. S., 2008. Design optimization of wastewater collection networks by PSO. Computers and Mathematics with Applications, 56(3), 777-784. https://doi.org/10.1016/j.camwa.2008.02.007.
Kaijun, W., Zeeman, G. and Lettinga, G., 1995. Alteration of sewage characteristics upon aging. Water Science and Technology, 31(7), 191-200. https://doi.org/10.1016/0273-1223(95)00336-L.
Li, G. and Matthew, R. G. S., 1990. New approaches for optimization of urban drainage systems. Journal of Environmental Engineering, 116(5), 927-944. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1990)116:5(927).
Mirjalili, S., Mirjalili, S. M. and Lewis, A., 2014. Grey wolf optimizer. Advances in Engineering Software. Elsevier, 69, 46-61. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2013.12.007.
Moini, R., 2013. Development of intelligent ant community optimization algorithm for simultaneous solution of location and dimension problem in water engineering field (household sewage network), PhD. Thesis, Faculty of Civil Engineering, Tehran University of Science and Technology, Iran. (In Persian)
Navin, P. K., Mathur, Y. P., Kumar, D., 2016. Layout optimization of sewer network using minimum cumulative flow in the sewer network. Proceedings of Recycle 2016, Guwahati, India, 333-343. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0215-2_23.
Safavi, H. R. and Geranmehr, M. A., 2017. Optimization of sewer networks using the mixed-integer linear programming. Urban Water Journal, 14(5), 452-459. https://doi.org/10.1080/1573062X.2016.1176222.
Saldarriaga, J. and Herran J., 2024. Sewer network design methodology for low-cost, resilient and reliable designs. Urban Water Journal, 20(7), 943-952. https://doi.org/10.1080/1573062X.2023.2218339.
Tian, J. and He, G., 2020. Optimization design method for urban sewage collection pipe networks. Water Science and Technology, 81(9), 1828-1839. https://doi.org/10.2166/wst.2020.200.