بخشی از مقاله
چکیده
تانکهاي تهنشینی ثانویه یکی از مهمترین مراحل در تصفیه فاضلاب به شمار میروند. بازدهی، توزیع غلظت و سرعت را در این تانکها میتوان با استفاده از شبیه سازيهاي عددي به دست آورد. هدف از این تحقیق، ارائه روند کامل مدلسازي جعبه شیشهایی تانکهاي ته- نشینی ثانویه میباشد. بدین منظور از ترکیب دو تکنیک مدلسازي استفاده میشود: دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - براي شبیهسازي هیدرودینامیک تانک ته نشینی و مدلسازي موازنه جمعیت براي به حساب آوردن دینامیک لخته ناشی از فرآیند لخته سازي - و نیز شکست لخته - . در مدلسازي هیدرودینامیک تانک از معادلات ممنتم، پیوستگی و همچنین توربولنسی براي تعیین فیلد جریان و معادله اسکالر براي غلظت استفاده میشود که اثر معادله موازنه جمعیت به صورت جمله اضافی در معادله غلظت وارد میگردد.
به منظور در نظر گرفتن خواص تهنشینی لجن، از معادله سرعت تهنشینی مناسب بهره گرفته و تغییرات دانسیته لجن با غلظت، به کمک معادله حالت مناسب لحاظ میشود. بعد از ایجاد مدل مناسب، شرایط مرزي و اولیه معرفی شدهاند. نحوه صحیح مشبندي تانک نیز تاثیر بسزایی بر شبیهسازي دارد. بدین منظور دو پارامتر اصلی نسبت ابعاد و انحراف از تساوي زاویه براي تعیین کیفیت مشبندي معرفی میشود. معیار مناسب بودن هر حجم کنترل براي نسبت ابعاد مقدار بین 1 و 2 و براي انحراف از تساوي زاویه، زیر 0/5 میباشد. همچنین به منظور کامل کردن روند مدلسازي، به طور مختصر به کالیبراسیون مدل به منظور تعیین پارامترهاي آن اشاره شده و در نهایت روش- هایی جهت اعتبار سنجی مدل در تانکهاي تهنشینی ثانویه بیان گردیده است.
مقدمه
ته نشینی به واسطه گراویتی قدیمیترین و عمومیترین فرآیند تصفیه پساب میباشد. تانک هاي ته نشینی ثانویه یا کلاریفایرها یکی از این سیستمها هستند که در آن لختههاي بیولوژیکی تولید شده طی فرآیند لجن فعال به واسطه گراویتی از مایع جدا میشود. با توجه به اینکه کلاریفایرها یک سوم هزینه سرمایه گذاري کل فرآیند لجن فعال را در برمیگیرند، بنابراین بررسی و فهم دقیق فرآیند کلاریفایر از اهمیت قابل ملاحظهایی برخوردار است.[1]
مدلهاي کلاریفایر به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: مدلهاي "جعبه سیاه" و مدلهاي "جعبه شیشه ایی". مدلهاي جعبه سیاه توسط دوبین - - 1994 توسعه و انتشار یافت. این مدلها بر اساس تقریبهایی از رفتار هیدرولیکی کلاریفایر با تکیه بر ساده سازيها و یا عمدتا بر مبناي معادلات فلاکس جامدات میباشند. در این نوع مدلسازي اعتماد بر شبیه سازي ارائه شده توسط مدل شدیداً به شباهت بین کالیبراسیون و سناریوهاي پیش بینی، وابسته است. اما در نهایت بایستی توجه داشت که استفاده از مدلهاي جعبه سیاه براي پیشگویی رفتار کلاریفایرها با ساختارهاي مختلف تحت شرایط عملیاتی اجرایی، شک بر انگیز است.
طی 30 سال اخیر، پیشرفتهاي بزرگی در دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - و سخت افزار کامپیوتر صورت گرفته که امکان شبیه سازي کلاریفایر را تحت مدلهاي جعبه شیشهایی فراهم میآورد. این مدلها فیلدهاي چند بعدي کاملتري براي جریان و جامدات معلق ارائه میدهند. مطالعه بر روي کلاریفایر بر مبناي اصول CFD، توسط لارسن - 1977 - بدعت گذاري شد. وي شبیه سازي عددي دو بعدي را براي تانک ته نشینی در شرایط آب و یا با غلظت جامدات خیلی کم که بتوان تاثیر جامدات در میدان جریان را ناچیز گرفت، انجام داد.
[3] بعد از آن شبیه سازي هاي دینامیک سیالات محاسباتی زیادي به منظور شبیه سازي هیدرودینامیک و تعیین توزیع غلظت تانکهاي ته نشینی انجام شد.[11-4] با توجه به مدلسازي هاي انجام شده تا کنون، میتوان نتایج کلی زیر را ارائه کرد: رفتار کلاریفایر تحت تاثیر حضور جامدات معلق است. بنابراین مدلسازي انتقال سیال نمی تواند جدا از انتقال جامدات معلق انجام شود. عمومی ترین روشی که براي لینک رفتار جامدات معلق و سیال استفاده میشود، روش شبه دوفازي است. در این روش رفتار جامدات از طریق سرعت ته نشینی که تابعی از غلظت جامدات معلق است، به حساب آورده می شود.
کلاریفایرها با جریانهاي توربولنت سروکار دارند. بنابراین براي مدلسازي مناسب کلاریفایر بایستی از مدلهاي توربولنسی مناسب استفاده کرد، که عمومیترین آنها علی رغم معایب شناخته شدهاش، مدل k- میباشد. البته باید توجه داشت که با وجود اینکه در اغلب شبیه سازيهاي صورت گرفته دینامیک لختههاي بیولوژیکی در نظر گرفته نشده است، نمیتوان نقش آن را در بازدهی تانک نادیده گرفت.[2] ته نشینی لختههاي لجن به سایز لخته و میزان تخلخل وابسته است.
بسته به شرایط عملیاتی در کلاریفایر، توزیع سایز لختهها نیز بواسطه فرآیند لخته سازي - و نیز شکست لخته - تغییر میکند و بازدهی فرآیند ته نشینی را تحت تاثیر قرار میدهد. بنابراین، به منظور مدلسازي دقیقتر از زیر مدلهایی براي فرآیند لخته سازي به همراه مدلسازي دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است.[12] همچنین اخیراً از مدلسازي هایی به صورت ترکیب موازنه جمعیت با مدلسازي دینامیک سیالت محاسباتی استفاده می- شود[15-13]؛ قطعا این نوع مدلسازي به دلیل در برگرفتن دینامیک لخته موجود در تانک هاي ته نشینی ثانویه، حل دقیقتري از آن ارائه میکند. در این مقاله بر آن هستیم تا بر مبناي مطالعات صورت گرفته تاکنون شماي کلی از نحوه مدلسازي جعبه شیشه ایی تانکهاي ته نشینی ارائه کنیم. بدین منظور مراحل مختلف مدلسازي یک تانک ته نشینی شامل مدلسازي ریاضی فرآیند با در نظر گرفتن شرایط مرزي و اولیه مناسب و نحوه صحیح مشبندي تانک، کالیبراسیون و در نهایت اعتبار سنجی مدل، مورد بحث قرار خواهند گرفت.
مدلسازي
همانطور که در مقدمه اشاره شد به منظور مدلسازي مناسب تانک ته نشینی، به دلیل تاثیر حضور جامدات بر رفتار آن، از معادلات انتقال جامدات و ممنتم به طور همزمان با شرایط مرزي مناسب بهره گرفته میشود. همچنین به منظور در نظر گرفتن توانایی ته نشینی لجن از معادله سرعت ته نشینی مربوطه در معادله انتقال جامدات استفاده میگردد. در ضمن با توجه به دینامیک مربوط به لختهها در اثر فرآیندهاي لخته سازي - و شکست لخته - ، این اثر نیز بایستی در معادلات در نظر گرفته شود.
