بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازي فرآیند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان (SND) در راکتور بیوفیلمی
بسترسیال
چکیده – در این پژوهش انجام فرآیند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان (SND) در یک بیوراکتور بستر سیال سه فازي (TFBBR)
توسط مدل ریاضی بررسی شده است. این مدل اثر پدیده هاي جابجایی و پخش در فاز مایع علاوه بر نفوذ و واکنش در بیوفیلم را بررسی ، و میزان حذف COD وNH4+-N را در تصفیه فاضلاب برآورد می کند. از روش تفاضل محدود براي گسستن معادلات موجود در مدل استفاده و الگوریتمی براي شبیه سازي عددي فرآیند((SND نوشته شده است. مقایسه نتایج حاصل از مدل سازي و نتایج تجربی، تطابق خوبی را بین این دو نشان می دهد.این مدل ریاضی می تواند بعنوان ابزاري مناسب براي پیشگویی رفتار حالت پایدار و دینامیکی فرآیند (SND) در TFBBR در تصفیه
فاضلاب مورداستفاده قرار گیرد.
کلید واژه- بیوراکتور بستر سیال سه فازي ، تصفیه فاضلاب ، مدل ریاضی ، نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان .
-1 مقدمه
حذف بیولوژیکی نیتروژن شـامل نیتریفیکاسـیون آمونیـوم بـه نیتـرات بهمراه دنیتریفیکاسیون نیترات به نیتروژن گازي می باشد که وارد هـوا می شود. نیتریفیکاسیون فرآیندي هـوازي بـوده و دنیتریفیکاسـیون در غیاب اکسیژن اتفاق می افتد. براي حـذف کامـل نیتـروژن معمـولا" از سیسـتم هـایی بـا چنـد راکتـور ، بـا بکـار گیـري فرآینـدهاي هـوازي نیتریفیکاسـیون و بیهـوازي دنیتریفیکاسـیون بطـور متـوالی، اسـتفاده می شود. هنگامی که هر دو محیط در یک راکتور فراهم شود، فرآینـد نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون همزمان((SND نامیده مـی شـود[1]
، که نیاز به دو راکتور مجزا با هوادهی مکرر را برطرف میکند .
در مورد تشکیل بیوفیلم ، در حالت کلی وقتی که بیـومس ثابـت باشـد فعالیت بیشتري داشته و نسبت بـه بیـومس آزاد نـرخ رشـد و مصـرف سوبستراي بیشتري را دارد. مطالعات نشان داده که محیط تثبیت شـده نسبت به محیط معلق اثر پذیري کمتري به تغییرات محیط مانند دما ،
pH ،غلظت مواد مغـذي ، مـواد سـمی و محصـولات متابولیـک نشـان می دهد.[2] ویژگی مهم دیگر اینکه بیوفیلم یک اکوسیسـتم بـوده کـه بدلیل شرایط یکسان محیطی درون بیوفیلم گونه هاي مختلـف میکـرو ارگانیسم ها با هم همزیستی و براي مکان و مواد مغذي با هـم رقابـت
می کنند.[3]
راکتورهاي بستر سیال (FBRs) بدلیل مسـدود نشـدن بسـتر و انـدازه کوچک بیوحامل ها ،که سطح ویـژه بسـیار بزرگـی را بـراي چسـبیدن بیومس فراهم می کنند، کارایی بسیار زیادي در سیسـتم هـاي تصـفیه فاضلاب دارند. نوعا" راندمان FBR ده برابر راکتـور لجـن فعـال بـوده و
%10 از فضاي مورد نیاز تانک همـزن دار بـا همـان ظرفیـت را اشـغال می کند .[1,3]
در این تحقیق از یک مـدل ریاضـی اسـتفاده شـده کـه بـا اسـتفاده از پارامترهــاي فیزیکــی و بیولــوژیکی درك بهتــري از فرآینــد SND در راکتورهاي بستر سیال سه فازي (TFBBR) ،کـه شـامل بـاکتري هـاي هتروتـروف (HB) و اتـوتروف اکسـنده آمونیـوم (AOB) بـوده اسـت را امکان پذیر می کند.
-2 مواد و روش ها
-1-2 شکل راکتور
راکتوردر نظر گرفته شده براي مدل سـازي ، یـک FBR آزمایشـگاهی استفاده شده در مرجع 3 است (شکل .(1 راکتـور از سـتون پلاسـتیکی
او ن ھما ش م ی ا ژی و ط ز ت دا ه ید با ر مان ٢٨ -٢٩ ماه١٣٨٩
شفاف به ارتفاع 1.5mو قطر 70mm تشکیل شـده اسـت. از پلاسـتیک تکه شده با قطر متوسط 3mm و دانسیته1.10 gcm3 بعنوان بیوحامل استفاده و درصد ترکیب جامـد 25% بـوده اسـت. نـرخ جریـان ورودي0.75 l h -1 بوده که زمان ماند هیدرولیکی (HRT) برابر بـا 4 h را می دهد. نرخ هوادهی 100-150 l h -1 بوده که غلظت متوسط DO در راکتور 1.0-5.0 mg l-1 بوده اسـت. میـزان PH در راکتـور 7.0-8.5 می باشـد. خـوراك ورودي راکتـور در زمـان عملکـرد پایـدار فاضـلاب مصنوعی بوده که مقادیر ترکیبات مهم بصورت زیر می باشند: [3]
COD 300–400 mg l-1 , ammonia-N 25–40 mg l-1 TN 30–45 mg l-1،
شکل FBR :1 آزمایشگاهی براي فرآیند .[3] SND
-2-2 مدل ریاضی
در این تحقیق، یک مدل ریاضی برروي راکتـور بیولـوژیکی بـا بیـومس ثابت شده نوشته شده است. کـه پروفایـل غلظـت سوبسـترا را در یـک TFBBR با بررسی اثرات پخـش و جابـه جـایی در جریـان ، و نفـوذ و واکنش درون بیوفیلم را توضیح می دهد.
معـادلات حـاکم در مـدل حاضـر منـتج از چنـد فـرض سـاده کننـده می باشند: (1) حامل ها به شکل کروي و به اندازه یکنواخت که توسط بیوفیلم بـا ضـخامت یکسـان پوشـیده شـده ، فـرض شـده انـد، (2) از گرادیان غلظت شعاعی جاذب در سه فاز صرفنظر شده اسـت، (3) یـک لایه ثابت مایع بیوفیلم را می پوشاند، (4) تغییرغلظـت سوبسـترا درون بیوفیلم تنها در جهـت نرمـال سـطح بیـوفیلم فـرض شـده اسـت، (5)
سوبسترا از توده مایع توسط نفوذ مولکولی از لایـه ثابـت مـایع بـه فـاز بیوفیلم انتقال می یابد[4] و (6) انفصال ذرات ،کـه شـامل جـدا شـدن بیومس می باشد، بررسی نشده است.
حذف بیولـوژیکی در TFBBR شـامل مراحـل زیـر مـی باشـد: انتقـال اکسیژن از توده گاز به سطح حباب، انتقال اکسیژن از سطح حبـاب بـه
توده فاز مایع ، انتقال اکسیژن محلول و سوبستراهاي دیگر ازتوده مایع به سطح بیوفیلم و نفوذ و واکنش همزمان همه مواد درون بیوفیلم .
براساس نفوذ (قانون فیـک) و واکـنش بیولوژیـک (سـنیتیک مونـود) ، موازنه مواد شامل DO ، COD ، NH 4 و NO3 در بیوفیلم (فاز جامد)
بصورت معادله زیر بیان می شود :
D نفوذ مولکولی سوبستراي i در بیوفیلم (برگرفته از ([5] ، Cil غلظت سوبســترا در تــوده مــایع ، r شــعاع حامــل ، δ ضــخامت بیــوفیلم و ri سـرعت تولیـد یـا مصـرف ذرات درون بیـوفیلم مـی باشـد. ضـرائب استوکیومتري و واکنش هاي سرعت در جدول 1 نشان داده شده اند.
در فاز گاز و مایع ، معادلات انتقال سوبسترا بر اساس ترم هاي تجمـع ، نفوذ و جابه جایی بصورت زیر می باشند :
غلظت مقادیر ورودی در فاز گاز و مایع ،Z مکان محوری ، ضریب پخـش محـوري فـاز مـایع [6] معادلـه 13،Kl ضـریب انتقال جرم بین فاز گاز و مایع، a سطح مشترك متوسط حباب گـاز بـر واحد حجم راکتور ، مقدار اشغال شده توسـط فـاز گـاز وجامـد و مــایع holdup ،M ثابــت هنــري ، As ســطح ویــژه حامــل، Dc قطر ستون، U g و Ul سرعت متوسط گازو مایع و L ضـخامت لایه ثابت مایع می باشد.
-3-2 فرمولاسیون عددي
معادلات حاصل از فرآیند انتقال جـرم و واکـنش بیوشـیمیایی بهمـراه معادلات سنیتیکی اصلاح شده مونود در یک راکتور بیو فیلمی در زمان و مکان با استفاده از روش تفاضل محدود بصورت عددي حل شدند. در این مطالعه از یک مش بندي ثابت نقاط ، فرمولاسیون صریح و آرایش کنارهم گذاري متغیر ها، براي جاگذاري متغیر ها در شبکه محاسـباتی استفاده شد.
الگوریتم محاسباتی درMATLAB نوشته شـد. معـادلات توسـط روش تکراري ، تا زمانی که به میـزان همگرایـی در اخـتلاف غلظـت ( ( 10-6
برسد، حل شد. براي حل عددي این تحقیق از مش بندي با 50 گره در جهت z و 10گره در بیوفیلم عمود بر جریان (در جهت (x انتخاب شد.
-3 بحث و نتایج
شکل 1 مقایسه اي بین نتایج آزمایشگاهی و نتایج بدست آمده توسـط مدل را نشان می دهـد. بـا توجـه بـه مقـادیر در نظـر گرفتـه شـده در مدلسـازي ، 50µm ضـخامت بیـوفیلم ، L=5 µm و دانسـیته یکسـان بــاکتري هــاي هتروتــروف((HBو اتــوتروف هــاي اکســنده آمونیــوم
(AOB) برابربا 19 × 103 g COD/m3، ( YA=0.24(gCOD/g N 1
و( YH=0.66(gCOD/g COD 1 و دیگــر ثوابــت ســنیتیکی (گرفتــه شده از ([7] و Kl a در حدود 600 d 1 و [8,9] εl 0.52 واختلاف زمــان 1 × 10-8 day ، تطــابق قابــل قبــولی بــین نتــایج تئــوري و آزمایشگاهی با وجود محدوده وسیعی از شرایط وجود دارد.
