بخشی از مقاله
چکیده
هضم بیهوازي یکی از مهمترین مراحل تصفیه پساب به روش بیولوژیکی است، که طی آن مواد آلی در چهار مرحله هیدرولیز، تخمیر - اسیدزایی - ، استاتزایی و متانزایی تجزیه شده و به بیوگاز تبدیل میشوند. شواهد تجربی نشان میدهد که رشد چسبیده ریزسازوارههاي استاتزا و متانزا در هاضمهاي بیهوازي بستر ثابت بازدهی فرآیند را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. از این رو مدلسازي و شبیهسازي نرمافزاري فرآیند هضم بیهوازي در بیوراکتورهاي بستر ثابت، براي مقاصد طراحی و بهینهسازي عملکرد هاضم ضروري است. در این پژوهش یک بیوراکتور بیهوازي بستر ثابت آزمایشگاهی به روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیهسازي شده و نتایج خروجی غلظت اسیدهاي چرب فرار در شرایط ورودي مختلف بدست آمد. تطابق خوب نتایج حاصل با دادههاي تجربی نشان از اعتبار مدل و صحت شبیهسازي است.
-1 مقدمه
ترکیبات آلی درصد بسیار زیادي از پسابها و پسماندهاي شهري و صنعتی را تشکیل میدهند. این ترکیبات به روشهاي زیستی هوازي و بیهوازي قابل تصفیه هستند .[1] هضم بیهوازي1 بسیار پیچیده بوده و تحت تأثیر عوامل مختلف فیزیکی، شیمیایی، و زیستی است .[2] واکنشهاي بیهوازي بسیار به دما حساساند .[2] مواد آلی طی این واکنشها توسط چندین دسته از ریزسازوارهها2 به زیستگاز3 تبدیل میشوند .[3] این فرآیند از دیدگاه زیستفنآوري4 در چهار مرحله آبکافت5، اسیدزایی - تخمیر - ، استاتزایی، و متانزایی رخ میدهد .
3] چهار دسته خاص از باکتريها در انجام این مراحل نقش دارند؛ دسته اول باکتريهایی هستند که مواد آلی را به واحدهاي شیمیایی سازنده - مونوساکاریدها، اسیدهاي چرب بلندزنجیر، و آمینو اسیدها - آبکافت میکنند، دسته دوم باکتريهاي تخمیري هستند که مواد حاصل از آبکافت را به اسیدهاي چرب فرار1 - پروپیونیکاسید، بوتیریکاسید، و والریکاسید - ، گاز هیدروژن، و دياکسیدکربن تبدیل میکنند، دسته سوم باکتريهاي استاتزا هستند که محصولات تخمیر را به استیکاسید تبدیل میکنند، و دسته چهارم باکتريهاي متانزا هستند که با تجزیه استات یا مصرف هیدروژن و دياکسیدکربن موجود متان تولید میکنند .[5,4] مراحل آبکافت و اسیدزایی سرعت بالایی دارند، اما دو مرحله بعدي - استاتزایی و متانزایی - ، به دلیل پیچیدگی سازوکار واکنش و فعالیتهاي آنزیمی، کند بوده و تعیینکننده سرعت کلی واکنش هستند .[6,5]
دینامیک سیالات محاسباتی یک روش قابلقبول و پرکاربرد براي ارزیابی و بهینهسازي طراحیهاي انجام شده بدون تحمیل هزینه مربوط به نمونهسازي است .[7] در شبیهسازي به این روش، معادلات انتقال تکانه، حرارت، و جرم به صورت گسسته بر روي هر حجمکنترل2 تعریف شده و سپس به روشهاي عددي حل میشوند .[8] معادلات مربوط به اغتشاش جریان نیز با معادله پیوستگی، معادله ناویر استوکس - حرکت - ، و معادله انرژي ادغام شده و بهصورت سري با این معادلات حل میشوند .[8] دینامیک سیالات محاسباتی ابزاري کارآمد براي تحلیل رفتار و بهینهسازي یک هاضم تصفیه پساب است که بر پایه حل عددي معادلات دیفرانسیل پارهاي مربوط به بقاي جرم، تکانه، و انرژي استوار است، که ممکن است با معادلات انتقال واکنشی نیز ادغام شوند .[9]
بنابراین سینتیک سامانههاي واکنشی در شبیهسازي وارد شده و در نهایت تصویري از توزیع غلظت گونههاي درگیر در واکنش نیز بدست میآید. استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی براي شبیهسازي فرآیند هضم بیهوازي در بیوراکتور بستر ثابت، علاوه بر تعیین رژیم جریان غیرایدهآل سیال، میتواند براي درك بهتر پدیدههاي انتقال در داخل هاضم، پیشرفت در طراحی، و بهبود عملکرد آن نیز مفید باشد .[10]
مزایاي اصلی استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی براي شبیهسازي سامانههاي تصفیه پساب به این شرح است: تصویر کاملی از کل میدان جریان و فضاي در دسترس سیال ارایه میدهد، که انجام این کار به روش آزمایشگاهی و تجربی بسیار مشکل است؛ جریان را در مکانهایی که اندازهگیري تجربی بهسادگی ممکن نیست، ارزیابی میکند؛ میتواند بهعنوان یک ابزار بهینهسازي براي بررسی اثر شرایط مختلف - هندسه ورودي و خروجی، شکل و پیکربندي3 هاضم، و ... - بر فرآیند استفاده شود؛ تغییرات سرعت سیال، غلظت آلاینده، و سایر عوامل را در طول مسیر جریان در نظر میگیرد .[9] با توجه به کمبود پژوهشهاي پیشین در زمینه شبیهسازي فرآیندهاي بیهوازي، در این پژوهش یک بیوراکتور پیوسته بستر ثابت آزمایشگاهی به روش دینامیک سیالات محاسباتی شبیهسازي شده و نتایج حاصل از شبیهسازي با دادههاي تجربی موجود مقایسه و اعتبارسنجی شده است.
-2 پیشینه تحقیق
دینامیک سیالات محاسباتی نخستین بار براي طراحی استخرهاي پساب و به منظور تعیین الگوي جریان، توزیع سرعت، توزیع غلظت، و موقعیت خوراك ورودي استفاده شد. بررسیها نشان میدهد که رژیم جریان درون استخر بهشدت تحت تأثیر هندسه ورودي است .[10] وود و همکاران مدلی شبیهسازي شده براي طراحی بهینه حوضچههاي تصفیه پساب ارایه دادند .[11] استامو نیز با استفاده از شبیهسازي دینامیکی، مدلی براي بهبود رژیم هیدرولیکی استخرهاي تصفیه آب ارایه داد .[12]
بریجمن یک هاضم بیهوازي پساب شهري را در مقیاس آزمایشگاهی شبیهسازي کرد .[7] وو و چن مدلی ریاضی براي شبیهسازي سیالات غیرنیوتونی در هاضمهاي بیهوازي ارایه دادند .[13] وگا و همکاران اثر هندسه حوضچههاي بیهوازي بر رژیم جریان را بررسی کردند .[14] اثر همزدگی در هاضمهاي بیهوازي تخممرغی شکل توسط وو بررسی شده است .[15] کارتریس و همکاران توزیع دما درون یک حوضچه بیهوازي را شبیهسازي کردند .[9]
-3 تشریح روش انجام کار
-1-3 تعریف مسئله و مفروضات
در این پژوهش، بیوراکتور بستر ثابت بیهوازي ساخته شده توسط امانی و همکاران - مرجع - [3] با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics 5.0، به روش المان محدود1، شبیهسازي شده و نتایج حاصل با نتایج تجربی مقایسه و اعتبارسنجی شده است. شماتیک بیوراکتور آزمایشگاهی مذکور در شکل 1 آمده است.
