بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق، یک مدل دو بعدی ناپایا برای حذف نیترات از پساب با استفاده از بیوراکتور غشایی توسعه داده شده است. خوراک درون لوله جریان دارد و نیرو محرکهای برای انتقال نیترات از طریق غشا الیاف توخالی به پوسته ایجاد میکند. معادلات حاکم - جرم و ممنتوم - برسیستم به طور همزمان با استفاده از روش عددی المان محدود حل شده است. نتایج شبیه سازی نشان داد که با افزایش سرعت خوراک، بازده بیوراکتور غشایی کاهش مییابد و نیز، افزایش غلظت خوراک نیرو محرکه را بهبود خواهد داد و در نتیجه باعث افزایش بازده فرآیند خواهد شد. همچنین دیده شد که با گذشت زمان غلظت نیترات در قسمت پوسته زیاد شده و باعث کاهش نیرو محرکه در طول غشا خواهد شد. بنابراین بیشترین بازده کلی حذف نیترات در ابتدای فرآیند دیده شد. در انتها نتایج شبیه سازی با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شده و مطابقت خوبی دیده شد که بر صحت مدل میافزاید.
-1 مقدمه
امروزه با رشد روز افزون جمعیت در شهرهای بزرگ آلودگی آب آشامیدنی رو به افزایش است. دفع نادرست پسابهای شهری از طریق چاهای جذبی، مصرف بی رویه مواد شوینده و پاک کننده بهداشتی که از طریق چاههای جذبی، فاضلاب به اعماق زمین نفوذ کرده و سفرههای آب زیرزمینی را آلوده میکنند. در این میان سمومی مانند نیترات، آهسته و پیوسته سلامتی فرزندان ما را تهدید میکنند. این درحالی است که اثرات منفی نیترات حداقل 15سال بعد از مصرف آشکار خواهد شد[1]. بنابراین حذف نیترات از پسابهای صنعتی قبل از اینکه به محیط دفع شود بهترین راه پیشگیری آلودگی آبها میباشد.
امروزه یکی از روشهای پیشرفته تصفیه فاضلاب، استفاده از بیو راکتور غشایی1 می باشد. با نصب این غشاها در درون رآکتورهای بیولوژیکی دیگر نیازی به بخشهای ته نشینی و فیلتراسیون نیست و همین غشاها وظیفه جداسازی فاضلاب تصفیه شده از لجن را انجام میدهند. بعلاوه استفاده از غشا باعث میشود در فضای کم، تصفیه فاضلاب با راندمان بالا انجام شود، به طوری که کیفیت فاضلاب تصفیه شده از استانداردهای فاضلاب برای تخلیه به آبهای سطحی نیز بهتر است. به علت خاصیت جداسازی غشا، عملکرد بیورآکتور ارتقاء زیادی پیدا کرده است.
این روش در مقایسه با روش سنتی تصفیه فاضلاب، دارای مزیتهایی میباشد، مانند مؤثرتر واقع شدن عملکرد بیورآکتور، مقاومت خوب در برابر فشار و ضربهی ناشی از پساب خروجی، کیفیت بالای آب خروجی، اندازهی کوچک تأسیسات مربوط به تصفیه پساب، طول عمر زیاد لجن و به علت خاصیت جداسازی مربوط به غشا، آب خروجی دارای کیفیت خوبی بوده، آنچنانکه میتواند بدون بروز هرگونه مشکلی، مورد استفاده مجدد قرار گیرد.[2]
ارگاس و همکارانش[3] با استفاده از بیوراکتور غشایی به حذف نیترات موجود در آب آشامیدنی که توسط پسابهای شهری و صنعتی وارد منابع آب زیرزمینی شده بود به صورت آزمایشگاهی پرداختند و مطابق نتایج بدست آمده مشاهده شد که بیوراکتور توانایی حذف بالایی - بازده بالای 99 درصد - را دارد که این نتایج، مطلوب بودن روش و در عین حال اقتصادی بودن آن را نشان میدهد. لوکاس و همکارانش [4] نیز به بررسی اثر ترکیبات پسابهای صنعتی - دارویی و شیمیایی - در بیوراکتورهای غشایی در مقیاس آزمایشگاهی پرداختهاند. این مطالعه بر عملکرد نیتریفیکاسیون متمرکز شده است، که مبنای آن اثر پارامترهای ورودی و خروجی پساب بر روی میزان نیتریفیکاسیون میباشد.
همچنین دلگادو و همکاران[5] برای نیتریفیکاسیون جزئی یا کلی در مقیاس آزمایشگاهی از یک بیوراکتور غشایی با فیبرهای توخالی استفاده کردند. هدف این مطالعه شناسایی شرایط هیدرولیکی مورد نیاز برای رسیدن به بهترین شرایط برای نیتریفیکاسیون جزئی یا کلی از پساب میباشد. همچنین نشان دادن که هوادهی در ماژول غشاء برای جلوگیری از گرفتگی غشاء میکرو اولترافیلتراسیون بسیار مهم میباشد. در این تحقیق با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - 2 - CFD، بیوراکتور غشایی برای حذف نیترات از پساب شبیه سازی شده است و با مقایسه نتایج شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی گزارش شده توسط ارگاس و همکارانش، این مدل اعتبار سنجی شد و با اطمینان از نتایج مدل به بررسی پارامتر های موثر برای بهبود بازده فرآیند پرداخته شده است.
-2 توسعه مدل شبیه سازی
دینامیک سیالات محاسباتی روشی برای پیشگویی اثر ویژگیهای طراحی بر روی هیدرودینامیک فرآیندها میباشد. در این مطالعه از دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیه سازی بیوراکتور غشایی استفاده شده است که با استفاده از حل همزمان معادلات بقای جرم و ممنتوم با روش عددی المان محدود به توصیف پدیدههای حاکم در این سیستم که به صورت شماتیک در شکل1 نشان داده شده است، میپردازد. برای تعیین میدان جریان، نیاز به توصیف و طراحی مفصل هندسه، شرایط مرزی، خواص سیال و شبکه بندی مناسب بوده که در ادامه به وضوح شرح داده شده است.
-1-2 معادلات مدل
هندسه در نظر گرفته شده به منظور شبیه سازی شامل سه قسمت لوله، غشا و پوسته میباشد که در شکل2 نشان داده شده است.
