توصيفگر ها :
شبيه‌سازي , ديناميك سيالات محاسباتي , بيوراكتور غشايي مقياس صنعتي , شرايط هيدروديناميكي , تنش برشي , لجن فعال , گرفتگي غشا
چكيده فارسي :
چكيده
بيوراكتورهاي غشايي از فناوري‌هاي نوين و كارآمد در تصفيه انواع پساب‌ها بوده كه در دهه‌هاي اخير به علت مزايايي همچون افزايش كيفيت پساب خروجي و كاهش فضاي مورد نياز، توجهات بسياري را به خود جلب كرده‌است. در اين پايان‌نامه هدف شبيه‌سازي سه‌فازي يك نمونه بيوراكتور غشايي مقياس صنعتي به وسيله ديناميك سيالات محاسباتي جهت بررسي شرايط هيدروديناميكي حاكم بر سيستم و بهبود اين شرايط و درنتيجه كاهش گرفتگي واحدهاي غشايي موجود در سيستم مي‌باشد. از اين جهت سيسستم بيوراكتور غشايي غوطه‌ور مجهز به غشاهاي الياف توخالي با ظرفيت تصفيه 500 مترمكعب بر روز واقع در شهر پكن جهت شبيه‌سازي درنظر گرفته‌شد. تاثير پارامترهاي مختلف عملياتي و طراحي همچون دبي هواي ورودي، غلظت لجن فعال موجود در سيستم، قطر حباب‌هاي هوا، فاصله بين واحدهاي غشايي، محل قرارگيري پخش‌كننده‌هاي هوا و همچنين جاي‌نمايي واحدهاي غشايي بر روي شرايط هيدروديناميكي شامل تنش‌هاي برشي اعمال شده و سرعت سيال مايع مورد تجزيه و تحليل قرارگرفت. نتايج نشان داد، افزايش دبي هوادهي منجر به افزايش تنش‌هاي برشي مايع و هوا و سرعت عمودي بين واحدهاي غشايي و همچنين افزايش ميزان حذف ذرات لجن فعال از واحدهاي غشايي شده كه اين خود باعث كاهش گرفتگي غشا و همچنين كاهش نواحي سكون بين واحدهاي غشايي و درنتيجه بهبود فرآيند فيلتراسيون مي‌شود، به‌نحوي كه افزايش دبي هوادهي از 5000 به 12500 متر مكعب بر روز باعث افزايش 57/70 درصدي در تنش برشي مايع و سه برابر شدن تنش برشي هوا شد. ميزان تغييرات به‌وجود آمده با كاهش اندازه حباب‌هاي هوا در سيستم‌هاي بيوراكتور غشايي مقياس صنعتي بر روي تنش‌هاي برشي اعمال شده كم بوده و در حالت كلي با كاهش آن، تنش‌هاي برشي و ميزان حذف لجن افزايش مي‌يابد كه در اين پژوهش قطر 3 ميلي متر بهترين عملكرد را از خود نشان داد. افزايش غلظت لجن منجر به افزايش ويسكوزيته مخلوط مايع و جامدات معلق شده كه از طرفي تنش برشي را افزايش داده و از طرف ديگر باعث كاهش سرعت سيال و درنتيجه كاهش تنش‌هاي برشي اعمال شده بر سطح غشا مي‌شود. از اين رو در غلظت‌هايي كه اين افزايش ويسكوزيته مخلوط مايع و جامدات معلق بتواند بر كاهش سرعت رخ داده غلبه كند، منجر به افزايش تنش برشي مي‌شود. كاهش فاصله بين واحدهاي غشايي افزايش تنش‌هاي برشي و همچنين افزايش سرعت عمودي سيال مايع در بين واحدهاي غشايي را درپي دارد، به‌نحوي كه كاهش اين فاصله از 45 تا 30 ميلي متر باعث افزايش 91/17 و 15/36 درصدي در تنش‌هاي مايع و هوا شد. افزايش فاصله بين دمنده‌هاي هوا و واحدهاي غشايي در ابتدا باعث افزايش تنش‌هاي برشي و در ادامه باعث كاهش آن‌ها شد، به‌طوري كه استفاده از فاصله 75 نسبت به فواصل 50، 100 و 125 ميلي متري به ترتيب باعث افزايش 63/3، 81/3 و 41/4 درصدي در تنش مايع، افزايش 119/0، 81/5 و 52/11 درصدي تنش هوا و كاهش كسر حجمي لجن به ميزان 60/10، 41/9 و 55/8 درصد شد. افزايش فاصله واحدهاي غشايي از انتهاي مخزن نيز باعث كاهش تنش‌هاي برشي، توزيع غيريكنواخت سرعت و همچنين افزايش تجمع ذرات لجن بر روي واحدهاي غشايي شد، به‌نحوي كه استفاده از فاصله 220 نسبت به فواصل 320 و 420 ميلي متري افزايش 32/3 و 98/19 درصدي در تنش مايع، 84/17 و 67/55 درصدي در تنش هوا و كاهش 51/7 و 23/8 درصدي در كسر حجمي لجن تجمع‌يافته را درپي داشت. نتايج شبيه‌سازي در حالت درنظر گرفتن واحدهاي غشايي به عنوان محيطي متخلخل نيز نشان داد، نرخ تغيير بزرگي سرعت در درون واحدهاي غشايي همانند نواحي بين واحدهاي غشايي بوده‌است. درحقيقت در نواحي بالايي به علت آشفتگي بالاتر جريان چندفازي و همچنين پايين‌تر بودن كسر حجمي لجن و ميزان ماند هوا، سيال مايع با سرعت بالاتري جريان يافته و درنتيجه باعث كاهش نواحي سكون و افزايش تنش‌هاي برشي در اين نواحي مي‌شود.
چكيده انگليسي :
Abstract
Membrane bioreactors are the new and efficient technologies in treatment of different types of wastewater that because of advantages such as increasing the quality of the effluent and decreasing required spaces, have attracted a lot of attention in recent decades. The purpose of this thesis is simulation of a Full-scale membrane bioreactor in three phase by CFD to investigation of hydrodynamic conditions that governing the system, improve this situation and as a result, decreasing the fouling of the membrane modules. Therefore, the hollow fiber submerged membrane bioreactor with filtration capacity of 500 m3/day located at Beijing was simulated. Effects of different operating and design parameters like inlet air flow rate, concentration of activated sludge, diameter of air bubbles, space between membrane modules, location of aerators and also placement of membrane modules on hydrodynamic conditions including shear stresses and velocity of liquid were analyzed. The results showed increasing air flow rate led to an increase liquid and air shear stress and vertical velocity between membrane modules and also increasing the removal rate of activated sludge particles with itself cause decreasing membrane fouling and dead zones and as a result, lead to improving filtration process. In such a way that increasing air flow rate from 5000 to 12500 m3/day caused an increase of 70.57 percent in liquid shear and tripling of the air shear. The amount of changes made on shear stresses with decreasing diameter of air bubbles has been small in Full-scale membrane bioreactors and generally by reducing that, shear stresses and sludge removal rate increase. So in this study the diameter of 3 mm had the best performance. Increasing concentration of sludge led to increasing the viscosity of mixed liquid and suspended solids that on the one hand increasing the shear stresses and on the other hand reducing liquid velocity and as a result cause to decreasing the shear stress. So in the concentrations that this increasing of the viscosity of mixed liquid and suspended solids can overcome the slowdown, leading to increasing shear stress. Decreasing space between membrane modules cause to increasing the shear stresses and vertical velocity of liquid between membrane modules, in such a way that decreasing this space from 45 to 30 mm cause to increasing liquid and air shear by 17.91 and 36.15 percent respectively. Increasing distance between aerators and membrane modules at first, lead to increasing shear stresses and then reduce them. So using distance of 75 mm than 50, 100 and 125 mm cause to increasing the liquid shear by 3.63, 3.81 and 4.41 percent, the air shear by 0.119, 5.81 and 11.52 percent and reduced volume fraction of sludge by 10.6, 9.41 and 8.55 percent respectively. Increasing the distance of membrane modules from the end of the tank also lead to decreasing shear stresses, non-uniform velocity distribution and increasing accumulation of sludge particles on membrane modules. In such a way using the distance of 220 mm than 320 and 420 mm led to increasing the liquid shear stress by 3.32 and 19.98 percent, the air shear by 17.84 and 55.67 percent and decreasing accumulated particle sludges by 7.51 and 8.23 percent respectively. Simulation results in a way that assuming the membrane modules as porous mediums showed, rate of change of velocity magnitude is the same like zones of between membrane modules, in fact in the upper zones because of higher turbulence of multiphase flow, also lower volume fraction of sludge and air retention rate, liquid flows at higher velocity and as a result, cause to reducing dead zones and increasing shear stresses in this zones.
