فرمت فایل : docx
حجم : 4152
توضیحات محصول :
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 راكتور موثر بوده و به تبع آن تحرك گرانولها و فعالیت بیولوژیكی آنها و همچنین هیدرولیك جریان در شبكه ساختار لجن گرانولی تحت تاثیر این فاكتور 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 كه در این صورت عملا بخش عمده ای از لجن غیر فعال شده و در فرایند تصفیه شركت ندارند. یكی دیگر از اثرات منفی ارتفاع بیش از حد پتوی لجن می توان به شستشوی لجن (Washout) از راكتور اشاره كرد كه این نیز موجب كاهش چشمگیر و یكباره 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 بیولوژیكی 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 راكتور UASB. 2) ارائه یك 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 كاربرد UASB در تصفیه انواع مختلف فاضلابهای صنعتی در زمینه های مبانی طراحی راكتور،تصفیه پذیری فاضلاب،مدل سازی فرایندی و ... مطالعه ای در خصوص اثر نوسانات دینامیكی ارتفاع پتوی لجن بر فرایند تصفیه در داخل كشور انجام نشده است این در حالی است كه بیش از 72% از فاضلابهای صنعتی در دنیا توسط راكتورهای با لجن گرانولی مثل UASB وSBR ... تصفیه می شوند. دكتر شایگان( وهمكاران در سال 2005)در مطالعه ای زمان تشكیل گرانول را در یك راكتور UASB مدل سازی نمودند. در این مطالعه به منظور بررسی اثر پارامترهای فیزیكی،شیمیایی و بیولوژیكی بر فرایند گرانول سازی با تاكید بر حداقل سازی زمان تشكیل گرانول عملیات آزمایشگاهی در 4 واحد UASB در مقیاس پایلوت انجام شد بر اساس معادلات سینیتیكی حاكم بر فرایند بیولوژیكی حداقل زمان گرانول سازی در شرایط F/M=0.5 و COD/solphate=2وPH=7 مدل سازی شد و نتیجه ای كه از این آزمایشات به دست آمد این بود كه در زمان راه اندازی راكتور هر چه نسبتF/M كمتر باشد گرانول سازی در زمان كوتاهتری رخ میدهد. همچنین گرانول سازی در راكتورهای UASB بر اساس مطالعات بعمل امده بر اساس نیروهای فیزیكی،شیمیایی و بیولوژیكی موجود مدلسازی شده است .در این مدل به بررسی نیروهای اثر گذار بر فرایند گرانول سازی پرداخته شده است.( Yu Liu ,2001 ) میكروبیولوژی فرایند تشكیل گرانول و ارتباط آن با اندازه و دانسیته لجن گرانولی مورد مطالعه قرار گرفت. (schmit و2000( در این مطالعه میكروارگانیسمهای موثر در گرانول سازی به همراه ساختار استقرار انها در شبكه گرانولی و تاثیر این ساختار در عملكرد بیولوژیكی فاضلاب بررسی شد. در مطالعه ای دیگر توسعه مشخصات بستر گرانولی بی هوازی در راكتورهای EGSB بر پایه سرعت ته نشینی نهایی،مطالعه بر روی گرانولها و معادله ریچاردسن-زكی 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 راكتور UASB ، یك متر در نظر گرفته شد.(1986, Bolle at all ) شرایط برای هرچه بهتر شدن گرانول سازی ، تشكیل پتوو دور ریخت ( washout ) لجن در داخل راكتور های UASB به طور روشنی تحت كنترل دینامیك ذرات و نسبت اجزای سازنده خوراك در اطراف توده بیولوژیكی (Biomass )بستگی دارد.(Campos and Anderson ,1992 ) شاید با كنترل جریان فاضلاب ورودی و همچنین به كنترل در آوردن حركت ذرات گاز تولیدی در داخل راكتور UASB بتوان به طور موثری در بستر راكتور 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 شكر مایع و یك نمونه فاضلاب چغندر قند ، انجام شد و نتایجی كه از این آزمایش مشاهده شد این بود كه با كاهش غلظت جامدات ارتفاع پتوی لجن افزایش می یافت.(1980,Pette et al ) |
فهرست
عنوان صفحه
فصل اول كلیات
1-1-مقدمه .........................................................................................................................................1
1-2-تصفیه فاضلاب .........................................................................................................................2
1-3-روشهای تصفیه فاضلاب .......................................................................................................2
1-4-تصفیه بیولوژیكی فاضلاب ....................................................................................................3
1-5-سیستم های بیولوژیكی بی هوازی ....................................................................................4
1-6-راكتور 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-مكانیزم 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-راكتور با بستر گرانولی و جریان رو به بالا .......................................................................10
2-4-فرآیند تشكیل گرانول ...........................................................................................................14
2-5-سیتم بیوگاز .............................................................................................................................17
2-6-مزایا و معایب UASB .........................................................................................................17
2-7-كاربرد در صنایع مختلف ......................................................................................................18
2-8-عوامل موثر بر عملكرد راكتور 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 بیولوژیكی ......................................................................................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 راكتور ......................................................................................................................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 اكسیژن مورد نیاز برای اكسیداسیون
مواد آلی (kg/m3) .............................................................................................................................42
Db: قطر متوسط حباب گاز..............................................................................................................26
GSS: جدا كننده 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 مركز 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 كلیات
1-1-مقدمه .........................................................................................................................................1
1-2-تصفیه فاضلاب .........................................................................................................................2
1-3-روشهای تصفیه فاضلاب .......................................................................................................2
1-4-تصفیه بیولوژیكی فاضلاب ....................................................................................................3
1-5-سیستم های بیولوژیكی بی هوازی ....................................................................................4
1-6-راكتور 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-مكانیزم 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-راكتور با بستر گرانولی و جریان رو به بالا .......................................................................10
2-4-فرآیند تشكیل گرانول ...........................................................................................................14
2-5-سیتم بیوگاز .............................................................................................................................17
2-6-مزایا و معایب UASB .........................................................................................................17
2-7-كاربرد در صنایع مختلف ......................................................................................................18
2-8-عوامل موثر بر عملكرد راكتور 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 بیولوژیكی ......................................................................................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 راكتور ......................................................................................................................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 اكسیژن مورد نیاز برای اكسیداسیون
مواد آلی (kg/m3) .............................................................................................................................42
Db: قطر متوسط حباب گاز..............................................................................................................26
GSS: جدا كننده 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 مركز 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