عنوان پایان‌نامه
مطالعه تجربی و شبیه سازی بیوراکتور غشایی درمقیاس صنعتی برای تصفیه پساب شهری با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی- بیوتکنولوژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1235.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 56242
- تاریخ دفاع
- ۰۷ بهمن ۱۳۹۱
- دانشجو
- ارشاد امینی
- استاد راهنما
- نوید مستوفی, محمدرضا مهرنیا
- چکیده
- بیوراکتورهای غشایی یکی از فناوری¬های نوین و در حال توسعه بجای روش¬های متداول برای تصفیه¬ی پساب است. کارایی بیوراکتورهای غشایی بشدت تحت تاثیر شرایط عملیاتی سیستم می¬باشد. گرفتگی غشا از مهمترین مسائلی است که این سیستم¬ها با آن روبرو هستند. گرفتگی غشا عبارتست از تجمع مواد و ذرات بر سطح غشا یا درون آن که باعث کاهش کارایی تصفیه می¬شود. هوادهی با ایجاد تنش روی غشا بهترین روش برای کاهش گرفتگی محسوب می¬شود. هدف این پروژه شبیه¬سازی دو و سه فازی و سه بعدی یک بیوراکتور غشایی صنعتی با ماژول صفحه تخت با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و بررسی ویژگی¬های هیدرودینامیکی مختلف می¬باشد. نتایج شبیه¬سازی با داده¬های تجربی مقایسه شد و نشان داد که سرعت عمودی بین غشاها نقش مهمی در کنترل گرفتگی و تعیین قطر بحرانی ذرات جامد لجن دارد. برای رسیدن به شرایط عملیاتی بهینه قطر بحرانی ذرات لجن در سرعت هوادهی، قطر حباب، غلظت لجن و فلاکس¬های پرمیت مختلف محاسبه شد. در فلاکس پرمیت بیشتر از L/(m2.h) 24 و سرعت هوادهی m/s 1 قطر بحرانی لجن به µm 1 می¬رسد که بیشتر از اندازه¬ی باکتری¬ها و ذرات کلوئیدی است. همچنین نتایج نشان داد که غشاهای کناری بدلیل تنش کمتر روی آنها و سرعت عمودی کمتر، بیشتر در معرض گرفتگی هستند. اثر قطر حباب هوا بر تنش مایع برای بدست آوردن یک قطر بهینه (mm 3) نیز بررسی شد. نتایج شبیه¬سازی سه فازی نشان داد که فاز جامد بیشتر در پایین سیستم، ناودانی بیوراکتور و همچنین در نزدیکی غشاهای انتهایی تمایل به تجمع دارد. توزیع زمان اقامت در سیستم برای شرایط عملیاتی مختلف با شبیه¬سازی بدست آمد که در هوادهی کم شرایط سیستم به جریان پلاگ نزدیک بود. نتایج تجربی برای گرفتگی غشا نشان داد که افزایش 70 درصدی غلظت لجن باعث افزایش 42 درصدی مقاومت غشاها می¬شود.
- Abstract
- Membrane bioreactors (MBRs) are becoming more suitable alternative for conventional wastewater treatment devices. Performance of pressure-driven MBR is dominantly affected by hydrodynamic conditions of the system. This study was conducted to investigate various hydrodynamic characteristics including, shear stress, cross flow velocity and membrane resistance, using computational fluid dynamics (CFD). Simulation of two and three-phase flow for a submerged flat sheet membrane module was carried out and the results were compared with experimental data. The CFD simulation was implemented to analyze the fluid flow pattern, shear stress on membrane surfaces and cross flow velocity between membranes at various MLSS concentrations in the reactor. It was shown that the cross flow velocity plays an important role in the membrane fouling and determining the critical particle diameter. For this system which has far-reaching application in industry, the critical particle diameter was calculated at different air velocities and permeate fluxes for an identical MLSS concentration (7.6 g/L). Results of this work can be used to determine the appropriate air flow rate and permeate flux according to critical particle diameter by measuring particle size distribution. Critical particle diameters exceed the range of colloidal size for fluxes more than 24 L/(m2.h) and 1 m/s air flow rate. The CFD results showed that outermost membranes are more prone to fouling because of lower shear stress on their surface as well as lower cross flow velocity between them and the module wall. Moreover, effect of air bubble diameter on air and liquid shear stress was investigated to determine an optimal bubble size (3 mm). Residence time distribution (RTD) was investigated at various operating conditions. The lower the aeration the closer the system was to plug flow condition. Experimental results of fouling revealed that 70 percent increase in MLSS from 2.3 to 7.6 g/L is associated with 42 percent increase in fouling resistance.
