بررسی تصفیۀ فاضلاب در بیوراکتور غشایی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه تهران

2 دانشیار گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه تهران

3 استاد گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه تهران

4 استادیار گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ فنی و مهندسی، دانشگاه تهران

چکیده

بیوراکتور غشایی یکی از فناوری‌های پیشرفتۀ مورد توجه برای تصفیۀ فاضلاب و بازیافت آب است که با ترکیب فرایند تصفیۀ بیولوژیکی لجن فعال و فیلتراسیون غشایی صورت می‌گیرد. بیوراکتور غشایی در مقایسه با فرایندهای متداول تصفیۀ فاضلاب دارای مزایایی از ‌جمله بازدهی بالای تصفیه است و به فضای کمتری نیاز دارد. از مهم‌ترین مشکلاتی که فرایندهای غشایی با آن مواجه‌اند، گرفتگی غشاست که کارایی فرایند را کاهش و هزینه‌های آن را افزایش می‌دهد. بنابراین، شناسایی ویژگی‌های مؤثر در این پدیده و از جمله هیدرودینامیک سامانه از موضوعات مهم پژوهش است. دینامیک سیالات محاسباتی ابزاری قدرتمند برای درک ارتباط بین مکانیک سیالات و گرفتگی در بیوراکتورهای غشایی است. در این تحقیق اثر هیدرودینامیکی جریان چندفازی در گرفتگی غشا در یک بیوراکتور غشایی هواگرد با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در شرایط عملیاتی مختلف شامل چهار نرخ هوادهی و قطر حباب مربوطه و دو غلظت تودۀ زیستی مطالعه شد. شبیه‌سازی سه‌بعدی بیوراکتور غشایی به صورت دو و سه‌فازی با استفاده از مدل چندفازی اولرین و مدل اغتشاش k-ε انجام شده است. نتایج نشان داد با افزایش دبی هوادهی و غلظت تودۀ زیستی، تنش برشی گاز و مایع بر سطح غشا افزایش و در نتیجه گرفتگی غشا کاهش می‌یابد. همچنین، اثر توزیع و رفتار حباب بر نتایج بررسی شد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که استفاده از معادلات گرانولی اویلر در شبیه‌سازی سه‌فازی سامانه با در نظر گرفتن اندازۀ لخته‌ها، سبب نزدیک‌شدن نتایج شبیه‌سازی به حالت واقعی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی به خوبی با داده‌های آزمایشگاهی هم‌خوانی دارد که تأییدی بر صحت شبیه‌سازی و مدل موازنۀ جمعیتی مورد استفاده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

خلیلی‌گرکانی، ا. 1388. شبیه‌سازی بیوراکتورهای غشایی در تصفیۀ پساب‌های صنعتی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد، دانشکدۀ مهندسی شیمی، دانشگاه تهران.
Amini, E., Mehrnia, M.R., Mousavi, S.M., Mostoufi, N. 2013. Experimental study and computational fluid dynamics simulation of a full-scale membrane bioreactor for municipal waste water treatment application, Industrial & Engineering Chemistry Research, 52: 9930-9939.
Bohm, L., Drews, A., Prieske, H., Berube, P.R.,Kraume, M. 2012. The importance of fluid dynamics for MBR fouling mitigation, Bioresource Technology, 122: 50-61.
Brannock, M.W.D., Wever, H.D., Wang, Y., Leslie, G. 2009. Computational fluid dynamics simulations of MBRs: Inside submerged versus outside submerged membranes, Desalination, 236: 244-251.
Buetehorn, S., Volmering, D., Vossenkaul, K., Wintgens, T., Wessling, M., Melin T. 2011. CFD simulation of single- and multi-phase flows through submerged membrane units with irregular fiber arrangement, Journal of Membrane Science, 384: 184-197.
Cui, Z.F., Chang, S., Fane, A.G. 2003. The use of gas bubbling to enhance membrane processes, Journal of Membrane Science, 221: 1-35
Drews, A., Prieske, H., Meyer, E.L., Senger, G., Kraume, M. 2010. Advantageous and detrimental effects of air sparging in membrane filtration: Bubble movement, exerted shear and particle classification, Desalination, 250: 1083-1086.
Hosseinzadeh, M., Mehrnia, M.R., Mostoufi, N. 2013. Experimental study and modeling of fouling in immersed membrane bioreactors operating in constant pressure, Mathematical Problems in Engineering, 2013: 1-7.
Judd, S., 2006. The MBR Book: Principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment, 1st ed.; Elsevier.
Judd, S. 2008. The status of membrane bioreactor technology, Trends in Biotechnology, 26: 109–116.
Kang, C.W., Hua, J., Lou, J., Liu, W., Jordan, E. 2008. Bridging the gap between membrane bio-reactor (MBR) pilot and plant studies, Journal of Membrane Science, 325: 861-871.
Khalili-Garakani, A., Mehrnia, M.R., Mostoufi, N., Sarrafzadeh, M.H. 2009. Flow characteristics in an airlift membrane bioreactor, Chemical Product and Process Modeling, 4: Art. 18.
Khalili-Garakani, A., Mehrnia, M.R., Mostoufi, N., Sarrafzadeh, M.H. 2011. Analyze and control fouling in an airlift membrane bioreactor: CFD simulation and experimental studies, Process Biochemistry, 46: 1138-1145.
Meng, F., Chae, S. R., Drews, A., Kraume, M., Shin, H.S., Yang, F. 2009. Recent advances in membrane bioreactors (MBRs): membrane fouling and membrane material, Water Research, 43: 1489–1512.
Ndinisa, N.V., Fane, A.G., Wiley, D.E. 2006. Fouling control in a submerged flat sheet membrane system: Part I-Bubbling and hydrodynamic effects, Separation Science and Technology, 41: 1383–1409.
Ndinisa, N.V., Fane, A.G., Wiley, D.E., Fletcher D.F. 2006. Fouling control in a submerged flat sheet membrane system: PartII-Two-phase flow characterization and CFD simulations, Separation Science and Technology, 41: 1411-1445.
Nouri, N., Mehrnia, M.R., Sarrafzadeh, M.H., Nabizadeh, R. 2014. Performance of membrane bioreactor in presence of flocculants, Desalination and Water Treatment, 52: 2933-2938.
Pajoum Shariati, F., Mehrnia, M.R., Sarrafzadeh, M.H., Rezaee, S., Grasmick, A., Heran, M. 2013. Fouling in a novel airlift oxidation ditch membrane bioreactor (AOXMBR) at different high organic loading rate, Separation and Purification Technology, 105: 69–78.
Prieske, H., Drews, A., Kraume, M. 2008. Prediction of the circulation velocity in a membrane bioreactor, Desalination, 231: 219–226.
Wang, Y., Brannock, M., Cox, S., Leslie, G. 2010. CFD simulations of membrane filtration zone in a submerged hollow fibre membrane bioreactor using a porous media approach, Journal of Membrane Science, 363: 57-66.
White, F.M. 1986. Fluid Mechanics, McGraw-Hill, Inc., New York.
Zhang, K., Wei, P., Yao, M., Field, R. W., Cui, Z. 2011. Effect of the bubbling regimes on the performance and energy cost of flat sheet MBRs, Desalination 283: 221-226.