عنوان کامل پروژه:
- فارسی :
شبیه سازی تغییرات ارتفاع پتوی لجن در راکتور UASB در شرایط مختلف راهبری
- انگلیسی :
Mathematical Simulation of Sludge Blanket in an UASB Reactor in Different Operation Conditions.
|
اهداف و ضرورت اجرای پروژه :
یکی از جنبه های مهم طراحی راکتور های UASB تعیین ارتفاع بهینه پتوی لجن( sludge blanket) در این نوع راکتور میباشد. ارتفاع پتوی لجن بر غلظت جامدات در ارتفاعات مختلف از راکتور موثر بوده و به تبع آن تحرک گرانولها و فعالیت بیولوژیکی آنها و همچنین هیدرولیک جریان در شبکه ساختار لجن گرانولی تحت تاثیر این فاکتور مهم قرار می گیرد. ارتفاع بیش از حد لجن موجب به هم چسبیدن لجن و مسدود شدن مسیر جریان و به وجود آمدن پدیده Channeling میگردد که در این صورت عملا بخش عمده ای از لجن غیر فعال شده و در فرایند تصفیه شرکت ندارند. یکی دیگر از اثرات منفی ارتفاع بیش از حد پتوی لجن می توان به شستشوی لجن (Washout) از راکتور اشاره کرد که این نیز موجب کاهش چشمگیر و یکباره راندمان تصفیه خواهد شد. از سوی دیگر حداکثر بار آلی که راکتور میتواند تحمل کند و شرایط را با آن وفق دهد به سهم ارتفاع پتوی لجن در بخش بستر( Bed) و بخش پتو لجن (Blanket) بستگی داشته و با آن متناسب است. لذا با در دست داشتن ارتفاع مناسب پتوی لجن هم میتوان عملکرد بیولوژیکی راکتور درحذف مواد آلی را بهبود بخشید و هم طراحی مناسبی درابعاد راکتور ،عمق بستر و سایر پارامترهای فرایندی و راهبری نظیر بار آلی موثر (OLR) وسرعت جریان بالا رونده و... را در اینگونه راکتورها فراهم نمود. که موارد فوق ضرورت اجرای پروژه را تصدیق مینمایند.از اینرو دستیابی به موارد ذیل هدف این پروژه میباشد:
1) تحلیل فرایندی از پروسه تصفیه بیهوازی در راکتور UASB.
2) ارائه یک مدل مناسب برای توصیف تغییرات ارتفاع لجن.
3) توسعه مدل در شبیه سازی ارتفاع لجن بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی موجود.
|
|
پیشینه اجرایی – مطالعاتی در داخل و خارج کشور :
علیرغم مطالعات گسترده انجام شده بر کاربرد UASB در تصفیه انواع مختلف فاضلابهای صنعتی در زمینه های مبانی طراحی راکتور،تصفیه پذیری فاضلاب،مدل سازی فرایندی و ... مطالعه ای در خصوص اثر نوسانات دینامیکی ارتفاع پتوی لجن بر فرایند تصفیه در داخل کشور انجام نشده است این در حالی است که بیش از 72% از فاضلابهای صنعتی در دنیا توسط راکتورهای با لجن گرانولی مثل UASB وSBR ... تصفیه می شوند.
دکتر شایگان( وهمکاران در سال 2005)در مطالعه ای زمان تشکیل گرانول را در یک راکتور UASB مدل سازی نمودند. در این مطالعه به منظور بررسی اثر پارامترهای فیزیکی،شیمیایی و بیولوژیکی بر فرایند گرانول سازی با تاکید بر حداقل سازی زمان تشکیل گرانول عملیات آزمایشگاهی در 4 واحد UASB در مقیاس پایلوت انجام شد بر اساس معادلات سینیتیکی حاکم بر فرایند بیولوژیکی حداقل زمان گرانول سازی در شرایط F/M=0.5 و COD/solphate=2وPH=7 مدل سازی شد و نتیجه ای که از این آزمایشات به دست آمد این بود که در زمان راه اندازی راکتور هر چه نسبتF/M کمتر باشد گرانول سازی در زمان کوتاهتری رخ میدهد.
همچنین گرانول سازی در راکتورهای UASB بر اساس مطالعات بعمل امده بر اساس نیروهای فیزیکی،شیمیایی و بیولوژیکی موجود مدلسازی شده است .در این مدل به بررسی نیروهای اثر گذار بر فرایند گرانول سازی پرداخته شده است.( Yu Liu ,2001 )
میکروبیولوژی فرایند تشکیل گرانول و ارتباط آن با اندازه و دانسیته لجن گرانولی مورد مطالعه قرار گرفت.
(schmit و2000( در این مطالعه میکروارگانیسمهای موثر در گرانول سازی به همراه ساختار استقرار انها در شبکه گرانولی و تاثیر این ساختار در عملکرد بیولوژیکی فاضلاب بررسی شد.
در مطالعه ای دیگر توسعه مشخصات بستر گرانولی بی هوازی در راکتورهای EGSB بر پایه سرعت ته نشینی نهایی،مطالعه بر روی گرانولها و معادله ریچاردسن-زکی مورد بررسی قرار گرفته است.
(Yong-Hong Liu , Yan-Ling He , Shu-Cheng Yang 2006)
بر اساس برخی مشاهدات آزمایشگاهی حداقل ارتفاع پتوی لجن در طراحی راکتور UASB ، یک متر در نظر گرفته شد.(1986, Bolle at all )
شرایط برای هرچه بهتر شدن گرانول سازی ، تشکیل پتوو دور ریخت ( washout ) لجن در داخل راکتور های UASB به طور روشنی تحت کنترل دینامیک ذرات و نسبت اجزای سازنده خوراک در اطراف توده بیولوژیکی (Biomass )بستگی دارد.(Campos and Anderson ,1992 )
شاید با کنترل جریان فاضلاب ورودی و همچنین به کنترل در آوردن حرکت ذرات گاز تولیدی در داخل راکتور UASB بتوان به طور موثری در بستر راکتور گرانول سازی را توسعه داد و بازده تصفیه را بالا برد.(1992,Guiot et al )
در مطالعه ای دیگر غلظت لجن در ارتفاعات مختلف پتو برای مقادیر مختلف  (سرعت بالا رونده آب) و q (شدت تولید گاز) و y (ارتفاع پتوی لجن) شبیه سازی شد.این مطالعه در مقیاس آزمایشگاهی و با استفاده از سه نمونه فاضلاب،دو نمونه فاضلاب شکر مایع و یک نمونه فاضلاب چغندر قند ، انجام شد و نتایجی که از این آزمایش مشاهده شد این بود که با کاهش غلظت جامدات ارتفاع پتوی لجن افزایش می یافت.(1980,Pette et al )
|
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول کلیات
1-1-مقدمه .........................................................................................................................................1
1-2-تصفیه فاضلاب .........................................................................................................................2
1-3-روشهای تصفیه فاضلاب .......................................................................................................2
1-4-تصفیه بیولوژیکی فاضلاب ....................................................................................................3
1-5-سیستم های بیولوژیکی بی هوازی ....................................................................................4
1-6-راکتور UASB .......................................................................................................................5
1-7-ضرورت انجام پروژه ................................................................................................................5
1-8-اهداف پروژه .............................................................................................................................6
فصل دوم مطالعه مروری
2-1-تصفیه بی هوازی فاضلاب ....................................................................................................7
2-2-مکانیزم فرآیندهای بی هوازی ............................................................................................7
2-2-1-مرحله هیدرولیز .................................................................................................................8
2-2-2-مرحله تولید اسید .............................................................................................................8
2-2-3-مرحله تولید استات و هیدروژن ....................................................................................8
2-2-4-مرحله تولید متان .............................................................................................................9
2-3-راکتور با بستر گرانولی و جریان رو به بالا .......................................................................10
2-4-فرآیند تشکیل گرانول ...........................................................................................................14
2-5-سیتم بیوگاز .............................................................................................................................17
2-6-مزایا و معایب UASB .........................................................................................................17
2-7-کاربرد در صنایع مختلف ......................................................................................................18
2-8-عوامل موثر بر عملکرد راکتور UASB ...........................................................................20
2-8-1-pH .......................................................................................................................................20
2-8-2-درجه حرارت ......................................................................................................................20
2-8-3-مواد مغذی مورد نیاز .........................................................................................................21
2-8-4-غلظت لجن ...........................................................................................................................22
2-8-5-شدت جریان ........................................................................................................................22
2-8-6-ارتفاع پتوی لجن ................................................................................................................22
2-9-مدل سازی فرآیندهای بیولوژیکی ......................................................................................23
2-9-1-مدل های جریان سیال .....................................................................................................24
2-9-2-مدل های سینیتیکی ........................................................................................................25
2-10-مدل نارنولی و ایندو .............................................................................................................26
2-10-1-ارزیابی و برآورد ضریب نفوذ .........................................................................................31
2-11-اعتبارسنجی مدل نارنولی و ایندو در چند
مطالعه آزمایشگاهی ..................................................................................................................36
فصل سوم مواد و روشها
3-1-مشخصات فاضلاب ...................................................................................................................41
3-2-مشخصات راکتور ......................................................................................................................42
3-4-شرایط راهبری ..........................................................................................................................44
فصل چهارم بحث و نتیجه گیری
4-1-بررسی عوامل موثر بر تغییر غلظت لجن در راکتور هیبریدی UASFF
و تحلیل فرآیندی سیستم .........................................................................................................49
4-2-کاربرد معادله نارنولی در توصیف تغییرات غلظت لجن در ارتفاعات مختلف
از پتوی لجن ..................................................................................................................................53
فهرست علائم و اختصارات
A: ثابت...................................................................................................................................................35
A': ثابت..................................................................................................................................................34
a :ارتفاع ناحیه انتقالی (m) ...........................................................................................................30
B: ثابت...................................................................................................................................................35
B': ثابت..................................................................................................................................................34
C: غلظت جامدات در هر ارتفاع از پتو (kg/m3)......................................................................18
Ca: غلظت جامدات در ارتفاع a (kg/m3)..................................................................................30
Cd: ضریب درگ...................................................................................................................................27
COD: میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون
مواد آلی (kg/m3) .............................................................................................................................42
Db: قطر متوسط حباب گاز..............................................................................................................26
GSS: جدا کننده فاز جامد گاز .....................................................................................................10
h: جابجایی حباب ..............................................................................................................................34
k: ثابت تناسب ....................................................................................................................................34
l: ارتفاع متوسط بدست امده از ذرات جامد.................................................................................34
m: جرم مایع ........................................................................................................................................28
n: تعداد حباب در واحد سطح ........................................................................................................28
q: شدت تولید گاز (m3/m2.h) .....................................................................................................35
R: شعاع حباب گاز ............................................................................................................................33
S: حجم حباب گاز ...........................................................................................................................34
Up: سرعت متوسط بالا رونده جامدات ........................................................................................28
u: سرعت متوسط جرم مشخصی ازمایع در
زمان t بعداز خروج حباب گاز .........................................................................................................28
Ua: سرعت جرم معینی از مایع بلافاصله
بعد از خروج حباب .............................................................................................................................28
u': سرعت پایین رونده جرم مایع ..................................................................................................29
Vb: سرعت متوسط حباب ...............................................................................................................27
Us: سرعت ته نشینی ذرات جامد (m/h) ...................................................................................28
Uw: سرعت بالا رونده فاضلاب (m/h) .........................................................................................28
Vwr: سرعت شعاعی آب در هر فاصله ای
از مرکز حباب ......................................................................................................................................33
Vwv: مولفه عمودی سرعت شعاعی ..............................................................................................33
y: ارتفاع در میان پتو (m) ...............................................................................................................35
:ثابت .................................................................................................................................................28
:ثابت ................................................................................................................................................28
:ضریب نفوذ (m2/h) ....................................................................................................................28
:چگالی آب ................................................................................................................................27
:چگالی گاز .................................................................................................................................27
فهرست جداول ، منحنی ها و تصاویر
شماره جدول صفحه
(2-1) ...............................................................................................................................................17
(2-2) ...............................................................................................................................................19
(2-3) ...............................................................................................................................................21
(2-4) ...............................................................................................................................................35
(3-1) ...............................................................................................................................................41
(3-2) ...............................................................................................................................................44
(3-3) ...............................................................................................................................................44
(3-4) ...............................................................................................................................................45
(3-5) ...............................................................................................................................................45
(4-1) ...............................................................................................................................................47
(4-2) ...............................................................................................................................................53
(4-3) ...............................................................................................................................................58
شماره منحنی
(2-1) ...............................................................................................................................................36
(2-2) ...............................................................................................................................................36
(2-3) ...............................................................................................................................................37
(2-4) ...............................................................................................................................................38
(2-5) ...............................................................................................................................................39
(2-6) ...............................................................................................................................................39
(4-1) ...............................................................................................................................................48
(4-2-الف تا ج) .............................................................................................................................49
(4-3-الف تا خ ) ............................................................................................................................53
شماره تصاویر
(1-1) ...............................................................................................................................................4
(2-1) ...............................................................................................................................................9
(2-2) ...............................................................................................................................................12
(2-3) ...............................................................................................................................................13
(2-4) ...............................................................................................................................................15
(2-5) ...............................................................................................................................................16
(2-6) ...............................................................................................................................................30
(2-7) ...............................................................................................................................................30
(2-8-الف) ......................................................................................................................................31
(2-8-ب) .........................................................................................................................................31
(2-9) ...............................................................................................................................................32
(2-10) ............................................................................................................................................33
(3-1) ...............................................................................................................................................43
(4-1) ...............................................................................................................................................56
(4-2) ..............................................................................................................................................57
(4-3) ..............................................................................................................................................57
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول کلیات
1-1-مقدمه .........................................................................................................................................1
1-2-تصفیه فاضلاب .........................................................................................................................2
1-3-روشهای تصفیه فاضلاب .......................................................................................................2
1-4-تصفیه بیولوژیکی فاضلاب ....................................................................................................3
1-5-سیستم های بیولوژیکی بی هوازی ....................................................................................4
1-6-راکتور UASB .......................................................................................................................5
1-7-ضرورت انجام پروژه ................................................................................................................5
1-8-اهداف پروژه .............................................................................................................................6
فصل دوم مطالعه مروری
2-1-تصفیه بی هوازی فاضلاب ....................................................................................................7
2-2-مکانیزم فرآیندهای بی هوازی ............................................................................................7
2-2-1-مرحله هیدرولیز .................................................................................................................8
2-2-2-مرحله تولید اسید .............................................................................................................8
2-2-3-مرحله تولید استات و هیدروژن ....................................................................................8
2-2-4-مرحله تولید متان .............................................................................................................9
2-3-راکتور با بستر گرانولی و جریان رو به بالا .......................................................................10
2-4-فرآیند تشکیل گرانول ...........................................................................................................14
2-5-سیتم بیوگاز .............................................................................................................................17
2-6-مزایا و معایب UASB .........................................................................................................17
2-7-کاربرد در صنایع مختلف ......................................................................................................18
2-8-عوامل موثر بر عملکرد راکتور UASB ...........................................................................20
2-8-1-pH .......................................................................................................................................20
2-8-2-درجه حرارت ......................................................................................................................20
2-8-3-مواد مغذی مورد نیاز .........................................................................................................21
2-8-4-غلظت لجن ...........................................................................................................................22
2-8-5-شدت جریان ........................................................................................................................22
2-8-6-ارتفاع پتوی لجن ................................................................................................................22
2-9-مدل سازی فرآیندهای بیولوژیکی ......................................................................................23
2-9-1-مدل های جریان سیال .....................................................................................................24
2-9-2-مدل های سینیتیکی ........................................................................................................25
2-10-مدل نارنولی و ایندو .............................................................................................................26
2-10-1-ارزیابی و برآورد ضریب نفوذ .........................................................................................31
2-11-اعتبارسنجی مدل نارنولی و ایندو در چند
مطالعه آزمایشگاهی ..................................................................................................................36
فصل سوم مواد و روشها
3-1-مشخصات فاضلاب ...................................................................................................................41
3-2-مشخصات راکتور ......................................................................................................................42
3-4-شرایط راهبری ..........................................................................................................................44
فصل چهارم بحث و نتیجه گیری
4-1-بررسی عوامل موثر بر تغییر غلظت لجن در راکتور هیبریدی UASFF
و تحلیل فرآیندی سیستم .........................................................................................................49
4-2-کاربرد معادله نارنولی در توصیف تغییرات غلظت لجن در ارتفاعات مختلف
از پتوی لجن ..................................................................................................................................53
فهرست علائم و اختصارات
A: ثابت...................................................................................................................................................35
A': ثابت..................................................................................................................................................34
a :ارتفاع ناحیه انتقالی (m) ...........................................................................................................30
B: ثابت...................................................................................................................................................35
B': ثابت..................................................................................................................................................34
C: غلظت جامدات در هر ارتفاع از پتو (kg/m3)......................................................................18
Ca: غلظت جامدات در ارتفاع a (kg/m3)..................................................................................30
Cd: ضریب درگ...................................................................................................................................27
COD: میزان اکسیژن مورد نیاز برای اکسیداسیون
مواد آلی (kg/m3) .............................................................................................................................42
Db: قطر متوسط حباب گاز..............................................................................................................26
GSS: جدا کننده فاز جامد گاز .....................................................................................................10
h: جابجایی حباب ..............................................................................................................................34
k: ثابت تناسب ....................................................................................................................................34
l: ارتفاع متوسط بدست امده از ذرات جامد.................................................................................34
m: جرم مایع ........................................................................................................................................28
n: تعداد حباب در واحد سطح ........................................................................................................28
q: شدت تولید گاز (m3/m2.h) .....................................................................................................35
R: شعاع حباب گاز ............................................................................................................................33
S: حجم حباب گاز ...........................................................................................................................34
Up: سرعت متوسط بالا رونده جامدات ........................................................................................28
u: سرعت متوسط جرم مشخصی ازمایع در
زمان t بعداز خروج حباب گاز .........................................................................................................28
Ua: سرعت جرم معینی از مایع بلافاصله
بعد از خروج حباب .............................................................................................................................28
u': سرعت پایین رونده جرم مایع ..................................................................................................29
Vb: سرعت متوسط حباب ...............................................................................................................27
Us: سرعت ته نشینی ذرات جامد (m/h) ...................................................................................28
Uw: سرعت بالا رونده فاضلاب (m/h) .........................................................................................28
Vwr: سرعت شعاعی آب در هر فاصله ای
از مرکز حباب ......................................................................................................................................33
Vwv: مولفه عمودی سرعت شعاعی ..............................................................................................33
y: ارتفاع در میان پتو (m) ...............................................................................................................35
:ثابت .................................................................................................................................................28
:ثابت ................................................................................................................................................28
:ضریب نفوذ (m2/h) ....................................................................................................................28
:چگالی آب ................................................................................................................................27
:چگالی گاز .................................................................................................................................27
فهرست جداول ، منحنی ها و تصاویر
شماره جدول صفحه
(2-1) ...............................................................................................................................................17
(2-2) ...............................................................................................................................................19
(2-3) ...............................................................................................................................................21
(2-4) ...............................................................................................................................................35
(3-1) ...............................................................................................................................................41
(3-2) ...............................................................................................................................................44
(3-3) ...............................................................................................................................................44
(3-4) ...............................................................................................................................................45
(3-5) ...............................................................................................................................................45
(4-1) ...............................................................................................................................................47
(4-2) ...............................................................................................................................................53
(4-3) ...............................................................................................................................................58
شماره منحنی
(2-1) ...............................................................................................................................................36
(2-2) ...............................................................................................................................................36
(2-3) ...............................................................................................................................................37
(2-4) ...............................................................................................................................................38
(2-5) ...............................................................................................................................................39
(2-6) ...............................................................................................................................................39
(4-1) ...............................................................................................................................................48
(4-2-الف تا ج) .............................................................................................................................49
(4-3-الف تا خ ) ............................................................................................................................53
شماره تصاویر
(1-1) ...............................................................................................................................................4
(2-1) ...............................................................................................................................................9
(2-2) ...............................................................................................................................................12
(2-3) ...............................................................................................................................................13
(2-4) ...............................................................................................................................................15
(2-5) ...............................................................................................................................................16
(2-6) ...............................................................................................................................................30
(2-7) ...............................................................................................................................................30
(2-8-الف) ......................................................................................................................................31
(2-8-ب) .........................................................................................................................................31
(2-9) ...............................................................................................................................................32
(2-10) ............................................................................................................................................33
(3-1) ...............................................................................................................................................43
(4-1) ...............................................................................................................................................56
(4-2) ..............................................................................................................................................57
(4-3) ..............................................................................................................................................57
