توسعه سیستم های مدولار غیرمتمرکز و حلقه بسته برای مدیریت فاضلاب

6 ژوئن 2023 – توسط مایکل کلر، ETH زوریخ-در زیر خیابان Bahnhofstrasse در زوریخ، یک لوله فاضلاب را به تصفیه خانه می رساند. آب باران از طریق یک لوله مجزا هدایت می شود. اعتبار: Max Maurer / ETH Zurich

دور از چشم، دور از ذهن: از زمانی که سیستم فاضلاب اختراع شد، زباله‌های انسانی را دور ریخته‌ایم و از مقادیر زیادی آب شیرین برای بیرون راندن آن‌ها از خانه‌ها و شهرهایمان با همان سرعتی که لوله‌ها می‌توانند آن‌ها را حمل کنند، استفاده می‌کنیم. سیستم های مدرن آب شهری به طور گسترده به عنوان یکی از بزرگترین دستاوردهای قرن گذشته در نظر گرفته می شوند. آنها آب آشامیدنی تمیزی را برای ما فراهم می کنند، فاضلاب ما را به تصفیه خانه ها هدایت می کنند و آب باران را از مناطق مسکونی دور می کنند.

مکس مورر، پروفسور سیستم‌های آب شهری در ETH زوریخ و Eawag، موسسه فدرال علوم آبزیان سوئیس، می‌گوید: «در نتیجه، ما از شرایط زندگی خشک و بهداشتی، دو مورد از پایه‌های اصلی سلامت عمومی در مناطق شهری پرجمعیت لذت می‌بریم. فناوری، که بخشی از دامنه ETH است.

برای دستیابی به این هدف، کشورهای صنعتی حجم وسیعی از زیرساخت‌ها را ایجاد کرده‌اند که تنها در سوئیس به ارزش 230 میلیارد فرانک سوئیس است. از انتها به انتها، لوله های آب و فاضلاب 200000 کیلومتری سوئیس پنج بار کره زمین را طی خواهند کرد. شبکه گسترده فاضلاب های زیرزمینی فاضلاب را به نزدیک به 800 تصفیه خانه متمرکز می برد.

این رویکرد به زیرساخت های آب ارزش خود را در کشورهای صنعتی ثابت کرده است – و برای چندین دهه، همچنین به عنوان یک معیار برای بقیه جهان در نظر گرفته می شد. مورر می گوید: «اما حقیقت این است که سیستم های آب شهری معمولی دیگر پایدار نیستند.

کای اودرت، استاد مؤسسه مهندسی محیط زیست در ETH زوریخ و دانشمند ارشد در Eawag، به همان اندازه در مورد زیرساخت های آب معمولی تردید دارد. ما از آب آشامیدنی برای رقیق کردن مدفوع، ادرار و آب کمی کثیف از حمام و آشپزخانه و انتقال آنها از طریق سیستم فاضلاب استفاده می کنیم – این کاملاً پوچ است. او می گوید.

اودرت، متخصص در مهندسی فرآیند، فاضلاب را نه زباله‌های بدبو که باید دفع شود، بلکه منبعی ارزشمند می‌داند که باید به درستی مورد بهره‌برداری قرار گیرد. توضیح او در مورد اینکه چرا ما باید رویکرد جدیدی در پیش بگیریم ساده است. او می گوید: «پساب یکی از آخرین جریان های خطی زباله است. “ما همه چیز را به یک روش دور می کنیم، صرف نظر از اینکه تمیز باشد یا کثیف. این ناکارآمد است و انواع مشکلاتی را ایجاد می کند که مردم سال ها در تلاش برای رفع آن هستند.” به عنوان مثال، سیستم های معمولی نه تنها مقادیر زیادی آب و انرژی، بلکه مواد مغذی ارزشمندی را نیز هدر می دهند که اگر به چرخه بازگردانده نشوند، به محیط زیست آسیب می رسانند.

در همین حال، چالش‌ها در حال افزایش هستند: صنعت فاضلاب برای مقابله با تغییرات آب و هوایی، زیرساخت‌های به سرعت پیر، جمعیت رو به رشد و افزایش شهرنشینی و همچنین فشار جدید بر تصفیه خانه‌ها برای حذف ریزآلاینده‌ها مبارزه می‌کند.

مورر و اودرت استدلال می کنند که وقت آن است که تجدید نظر کنیم. آنها خواستار یک تغییر پارادایم هستند و از تعداد معدودی نیروگاه متمرکز به سمت یک سیستم غیرمتمرکز تصفیه فاضلاب بر اساس زیرساخت های مدولار آب حرکت می کنند. این به ما ابزار کارآمدتر و موثرتری برای مدیریت منابع آب شهری می دهد.

مورر می‌گوید: «به سیستم‌های فشرده، بسیار کارآمد و غیرمتمرکز فکر کنید که تصفیه فاضلاب منعطف را در سطح محلی ارائه می‌دهند – این جایگزینی است که ما پیشنهاد می‌کنیم. در Eawag، Udert و Maurer سال ها را صرف توسعه فرآیندهای مناسب برای تاسیسات درمانی در مقیاس کوچک کرده اند. کار آنها بر اساس سه اصل کلیدی است که یک سیستم بهداشتی حلقه بسته را که برای حفظ و بازیابی منابع طراحی شده است، تشکیل می دهد.

جداسازی در منبع – همچنین به عنوان بهداشت NoMix شناخته می شود – به دنبال جداسازی فاضلاب به بخش های مختلف آن است، زیرا زباله های انسانی و آب اگر در وهله اول با هم مخلوط نشوند، تصفیه و بازیافت بسیار آسان تر است.

بازیابی منابع اشکال مختلفی دارد: مواد مغذی مانند نیتروژن و فسفر را می توان از ادرار و مدفوع به دست آورد، در حالی که آب خاکستری – فاضلاب کمی کثیف از آشپزخانه، حمام و ماشین لباسشویی – می تواند چندین بار تصفیه و دوباره استفاده شود. انرژی حرارتی نیز بازیابی می شود. به طور مشابه، استفاده از مواد مغذی بازیافت شده در مزارع به عنوان کود، چرخه مواد مغذی را بسته و در نتیجه به نفع محیط زیست و کاهش وابستگی به واردات کودهای معدنی فسفر می‌شود.

اصل سوم، عدم تمرکز، به دنبال حذف حمل و نقل پرهزینه آب از طریق سیستم‌های لوله‌ای با مدیریت مرکزی با حصول اطمینان از این است که فاضلاب و زباله‌ها می‌توانند تا حد امکان نزدیک به منبع تصفیه شوند.

محققان فناوری‌های جدید فاضلاب را در زیرزمین NEST، ساختمان تحقیق و نوآوری که توسط Eawag و Empa، آزمایشگاه‌های فدرال علوم و فناوری مواد سوئیس اداره می‌شود، توسعه و آزمایش می‌کنند. برخی از فرآیندهایی که آنها استفاده می کنند ناشی از پروژه های تحقیقاتی است که بیش از 15 سال راه اندازی شده اند.

نمونه های معروف عبارتند از Vuna و Blue Diversion Autarky که راهی ایمن و مقرون به صرفه برای دفع فاضلاب بدون نیاز به سیستم فاضلاب ترکیبی و تصفیه خانه های متمرکز ارائه می کنند.

Vuna مخفف “Valorisation of Urine Nutrients in Africa” است. در این رویکرد، که با ETH زوریخ توسعه یافته است، ادرار جمع آوری شده به طور جداگانه در یک تصفیه خانه واقع در فاصله به کود تبدیل می شود. پروژه دوم باعث ایجاد توالت Blue Diversion Autarky شد، سیستمی که ادرار و مدفوع را جمع آوری و پردازش می کند و آب شستشو را در ماژول های جداگانه ای که در یک ساختار واحد قرار دارند جمع آوری و بازیافت می کند.

الیزابت تیلی به خوبی اهمیت سیستم های بهداشتی غیرمتمرکز که نیازی به تامین آب ندارند را درک می کند. با این حال، در بسیاری از مناطق جهان، مفاهیم اساساً جدیدی برای کارکرد این موارد مورد نیاز است. تیلی کار تحقیقاتی خود را در Eawag آغاز کرد و دکترای خود را به عنوان بخشی از پروژه بازیافت مواد مغذی Vuna در آفریقای جنوبی، که توسط Udert رهبری می شد، به پایان رساند. امروز، او استاد مهندسی بهداشت جهانی در ETH زوریخ است، جایی که او و گروه تحقیقاتی اش برای ابداع راه حل های مقرون به صرفه و قابل قبول اجتماعی برای حفاظت از سلامت انسان و محیط زیست کار می کنند.

حدود 2.3 میلیارد نفر در سراسر جهان از سیستم های بهداشتی در محل مانند توالت های چاله ای استفاده می کنند. اینها به عنوان یک مانع اولیه برای پاتوژن های مرتبط با مدفوع عمل می کنند، اما تخلیه منظم توالت مجموعه ای از مشکلات خاص خود را ایجاد می کند. اگر لجن به سادگی به محیط ریخته شود یا پردازش نشود، خطر گسترش عوامل بیماری زا – و احتمال شیوع بیماری هایی مانند وبا – زیاد است.

نیاز مبرمی به فناوری‌های غیرمتمرکز وجود دارد که قوی، مقرون به صرفه و کار با آن آسان باشند. یکی از فناوری‌های امیدوارکننده، یک راکتور بیوگاز بی‌هوازی است که در اصل یک بالون لاستیکی بزرگ است. این کار لجن مدفوع را تا حدی پردازش می کند، اگرچه برای دفع آن کافی نیست. با این حال، جنبه مثبت این فرآیند، یک محصول جانبی مفید به شکل گاز غنی از متان (بیوگاز) است که می تواند برای پخت و پز استفاده شود – درست مانند پروپان یا گاز طبیعی.

به همراه شرکت مهندسی کنیایی Opero و یک تامین کننده مکزیکی راکتورهای بیوگاز، تیلی و تیمش تصمیم گرفتند تا کشف کنند که آیا می توانند از بیوگاز حاصل از لجن برای سوخت رسانی به یک سیستم پاستوریزه استفاده کنند که سپس پساب را تا دمای کافی گرم کند تا تمام ذرات عوامل بیماری زا را از بین ببرد.

جولیا جاگی، دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد در دپارتمان مهندسی مکانیک و فرآیند، سه ماه را در شهر کیسومو کنیا، در سواحل دریاچه ویکتوریا گذراند و یک پاستوریزه را طراحی و آزمایش کرد که توانایی تصفیه زباله های حدود 500 نفر را دارد. او  می گوید: “مهندسی در آزمایشگاه یک چیز است، اما این واقعا انعطاف پذیری و خلاقیت ما را در معرض آزمایش قرار داد! هر روز در مورد حل مشکلات در جریان و استفاده حداکثری از منابعی بود که در اختیار داشتیم Tilley. مطمئن است که سیستم آنها به زودی آماده استقرار خواهد بود و به جلوگیری از بیماری های عفونی کمک می کند.

شکی نیست که آب یکی از بزرگترین چالش های آینده است. استفاده هوشمندانه و کم از این منبع چه در سوئیس و چه در خارج از کشور ضروری است. اودرت می‌گوید: «مفاهیمی که 15 سال پیش برای کشورهای فقیرتر توسعه دادیم، به طور فزاینده‌ای به سوئیس مرتبط می‌شوند. ما اکنون از این دانش بهره می‌بریم».

Maurer و Udert معتقدند که به زودی شاهد تصفیه خانه های مدولار در مناطق شهری و راکتورهای فشرده برای تصفیه فاضلاب در منازل خواهیم بود. پروژه تحقیقاتی COMIX که توسط Maurer رهبری می‌شد، اخیراً استفاده بالقوه از فناوری‌های مدولار را در بخش مدیریت آب سوئیس بررسی کرد. نتایج آن نشان می دهد که نسبت تصفیه خانه های فاضلاب غیرمتمرکز می تواند در دراز مدت از 2.5٪ به 50٪ افزایش یابد.

محققان همچنین فرصتی را برای سوئیس می‌بینند تا تلاش‌های خود را برای سازگاری با آب و هوای زیرساخت‌های آبی خود به سرعت دنبال کند. این به آن شروعی را می دهد که به آن نیاز دارد تا خود را به عنوان یک بازار پیشرو برای توسعه و آزمایش سیستم های آب مدولار قرار دهد. طی سال‌ها، سوئیس به لطف دانشگاه‌های علمی کاربردی، صنعت و موسسات حوزه ETH، تخصص زیادی را در تمام جنبه‌های مدیریت منابع آب جمع‌آوری کرده است. مورر می گوید: «با این حال این تخصص تا حد زیادی دست نخورده باقی مانده است.

برای انجام پروژه های آزمایشی مورد نیاز برای نشان دادن امکان سنجی این دانش کاربردی و سپس ایجاد یک بازار اولیه، باید تلاشی هماهنگ توسط تحقیقات، صنعت و بخش دولتی انجام شود. اودرت می‌گوید: «اما وقتی نوبت به فرآیندها، دانش فنی و منابع مالی می‌رسد، همه چیز وجود دارد.