تصفیه بیهوازی- هوازی فاضلابها با COD بالا با روش RBC-MBBR با هدف بازیافت گاز متان

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده 
دراین پژوهش هدف، ابداع روشی جهت تصفیه فاضلابها با COD بالا است ، که سه ویژگی مهم را داشته باشد: 1- دستیابی به درصد بالای حذف مواد آلاینده، 2- بازیافت گاز متان 3- هزینه عملیاتی و راه¬اندازی اندک. به همین منظور از یک راکتور دیسک دوار بیولوژیکی به عنوان واحد بی¬هوازی(AnRBC) و از یک راکتور بیوفیلمی با بستر متحرک(MBBR) به عنوان واحد هوازی استفاده شده است. این دو واحد بهم به صورت سری متصل شده اند و یک سیستم یکپارچه بیهوازی-¬ هوازی تشکیل داده¬اند. قابل ذکر است که مخزنی جهت جمع¬آوری بیوگاز تولید شده در بیوراکتور بی¬هوازی تعبیه شده است. آزمایشات بر روی فاضلاب سنتز شده انجام گرفته و تاثیر پارامترها بر روی درصد حذف و بازیافت بیوگاز بررسی شده است و میزان کارائی این روش سنجیده شده است. پی¬آمد به دست آمده از این پژوهش نشان می¬دهد که، غلظت COD خوراک ورودی از mg/l  2250 تا 22500 متغیر بوده است و به درصد حذف بین 89-54% رسیده¬ایم .در طول آزمایشات زمان ماندها در بیوراکتور بی¬هوازی بین 5/4 -3 روز و در بیوراکتور هوازی بین 3-1 روز متغیر بوده است. بالاترین درصد حذف ,COD 89.43% در زمان ماند کل 5 روز ، سرعت چرخش دیسکها rpm 15 و غلظت COD ورودی mg/l 7000بوده است، که 42.86% آن دربیوراکتور بی¬هوازی و بقیه در بیوراکتور هوازی بوده است. بیشترین نرخ تولید بیوگاز به میزان  ml/d 6/19با COD ورودی   mg/l 7000 سرعت چرخش دیسکها rpm 5/6 و مدت زمان ماند 3بوده است. مشاهده گردید با افزایش COD ورودی ، درصد حذف افزایش یافته است، که این بهبود درصد حذف تا COD ، mg/l20000 بوده و مقادیر بالاتر از این برای سیستم شوک محسوب شود و راندمان حذف پایین آمده است. با افزایش زمان ماند، درصد حذف COD افزایش یافته است. نرخ تولید کلی بیوگاز (بر حسب لیتر بیوگاز تولید شده بر روز) زمانی افزایش یافته که زمان ماند کاهش داده شده و یا COD  ورودی زیاد شده است. بیشترین میزان گاز تولیدی در زمان ماند سه روز به دست آمده است. تا سرعت rpm 5/6 با افزایش سرعت چرخش دیسکها تولید بیوگاز افزیش داشته است و بعد از آن با افزایش سرعت چرخش دیسکها کاهش تولید گاز را داشته ایم. علاوه بر این ، بررسی مدل¬های سنتیکی موجود نشان داد که مدل Stover–Kincannon برای توضیح ضرایب سینتیکی حذف مواد آلی در کل راکتورAnRBC-MBBR با عملکرد بی¬هوازی- هوازی برای فاضلاب‌ سنتزی مدلی کاربردی¬تر و قابل اعتماد می¬باشد. 
کلمات کلیدی: راکتور بی¬هوازی RBC، راکتور هوازی MBBR، بیوگاز، تصفیه بی¬هوازی- هوازی 
فهرست مطالب
1    کلیات    
1-1    ضرورت تحقیق    2
1-2    هدف تحقیق    4
1-3    روش تحقیق    5
1-4    ساختار پایان نامه    7
2    توضیح مفاهیم پایه    
2-1    کلیات تصفیه بیولوژیکی    9
2-1-1    تصفیه‎ی‎ بیولوژیکی    9
2-1-2    اهداف تصفیه‎ی بیولوژیکی    9
2-1-3    انواع فرايندهاي متعارف تصفيه بيولوژيکي فاضلاب    10
2-1-4    تقسیمبندی تصفیه‎ی بیولوژیکی از نقطه نظر بستر رشد میکروارگانیسمها    10
2-1-5    مزایا و معایب فرآیند های رشد چسبیده    14
2-1-6    آشنایی با سوخت و ساز میکروبی (متابولیسم میکروارگانیسمها و تقسیمبندی ‎آن‎ها)    15
2-1-7    انواع سوخت و ساز میکروبی    17
2-2    فرآیند هضم بی هوازی    19
2-2-1    محصولات    20
2-2-2    چگونگی تولید بیوگاز    26
2-2-3    روند مرحله به مرحله‎ی هضم بیهوازی    27
2-2-4    میکروارگانیسمهای موثر در تصفیه‎ی  بی هوازی    29
2-2-5    مزايا و معايب هاضم‎های بي هوازي    30
2-2-6    انواع هاضم‎هاي بي‎هوازی    30
2-2-7    عوامل کنترل کننده‎ی هضم بیهوازی    31
2-2-8    محاسبه ی مقدار گاز تولیدی    47
3    فصل سوم    
3-1    دیسک دوار بیولوژیکی RBC))    50
3-1-1    مقدمه    50
3-1-2    مشخصات فرآيندي دیسک دوار بيولوژيكي    53
3-1-3    شيوه طراحي تجربي سيستم    54
3-1-4    ملاحظات طراحی فرآیند    55
3-1-5    مرحله بندی واحد های  RBC    56
3-1-6    معایب سیستم RBC    58
3-1-7    مروری بر تاریخچه پیشینه استفاده از سیستمهای بی هوازی دیسک دوار بیولوژیکی ( AnRBC)    59
3-2    راکتورهای بیوفیلمی با بستر متحرک ( MBBR)    64
3-2-1    فاکتورهای موثر در فرآیند MBBR    64
3-2-2    حذف مواد آلی    66
3-2-3    ویژگیهای کاربردی مهم    66
3-2-4    فشردگی راکتورها    68
3-2-5    سرعت راهاندازی سیستم    68
3-2-6    تحمل در برابر تغییرات دما    69
3-2-7    تحمل در برابر تغییرات میزان بارگذاری( پایداری و خود کنترل کنندگی)    70
3-2-8    رژیم هیدرولیکی کاملا" مخلوط    71
3-2-9    توان تصفیه فاضلابها با غلظت مواد آلی کم    71
3-2-10    انعطاف پذیری در طراحی فرایند    72
3-2-11    انعطاف پذیری در طراحی راکتور    73
3-2-12    معایب سیستم MBBR    73
3-2-13    نحوه عملکرد سیستم در حالت هوازی و بی هوازی    73
3-2-14    سیتم MBBR هوازی    74
3-2-15    مروری بر پیشینه استفاده از راکتور بیولوژیکی با بستر متحرک  (MBBR)    74
3-3    فرآیند بیهوازی- هوازی    79
3-3-1    مزایای فرآیندهای بیهوازی-هوازی    80
3-3-2    دسته بندی سیستمهای بیهوازی-هوازی    81
3-3-3    بیوراکتور یکپارچه بر اساس مجموع کشت میکروبی هوازی-بیهوازی    82
3-3-4    کنترل فرآیند و بهینه سازی حذف COD در سیستمهای بیهوازی-هوازی با استفاده از بیوراکتورهای نرخ بالا    83
3-3-5    مروری بر پیشینه استفاده از سیستمهای بی هوازی-هوازی    84
3-4    پیشینه استفاده از یک سیستم هوازی بعد از AnRBC    89
3-5    سینتیک واکنش های بیولوژیکی    90
3-5-1    مدل Monod    91
3-5-2    مدل اصلاح شده‌ی  Stover–Kincannon    91
3-5-3    مدل Grau    92
3-5-4    مدل درجه اول حذف سوبسترا    93
4    مواد و روش تحقیق    
4-1    ساختار پایلوت    95
4-1-1    راکتور AnRBC    98
4-1-2    واحد ته نشی اولیه    105
4-1-3    راکتور MBBR    107
4-1-4    واحد ته نشینی ثانویه    111
4-2    نحوه‎ی تهیه‎ی خوراک    112
4-3    محل استقرار پایلوت و روش آزمایشهای انجام شده    113
4-3-1    درصد غوطه وری دیسکها    114
4-3-2    درصد پرشوندگی راکتور MBBR با آکنه    115
4-4    آزمایش‎های انجام شده    115
4-4-1    COD و روش تعیین آن    116
4-4-2    اندازه گیری مواد جامد معلق    118
4-4-3    اندازه گیری مواد جامد معلق فرار    118
4-4-4    اندازه گیری اسیدیته، دما، کدورت    119
4-4-5    كنترل كيفيت و اطمینان از نتایج آزمایشات    120
5    بحث و بررسی نتایج    
5-1    روند تغییرات COD    122
5-1-1    روند تغییرات PH    127
5-2    حذف مواد آلی    130
5-2-1    تاثیر تغییرات COD برروی درصد حذف AnRBC    130
5-2-1    تاثیر تغییرات COD برروی درصد حذف MBBR    131
5-2-2    بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی درصدحذف AnRBC    131
5-2-3    بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی درصدحذف MBBR    132
5-3    بازیافت گاز متان    134
5-3-1    بررسی تاثیر تغییرات غلظت COD ورودی بر روی تولید گاز متان    134
5-3-2    بررسی تاثیر تغییرات سرعت چرخش بر روی تولید گاز متان    134
5-3-3    بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی تولید گاز متان    136
5-4    تعیین ضرایب سینتیکی برای بیوراکتور دیسک دوار بیولوژیکی (RBC)    137
5-4-1    مدل Monod    137
5-4-2    مدل Stover–Kincannon    138
5-4-3    مدل Grau    138
5-4-4    مدل درجه اول حذف سوبسترا    139
5-5    تعیین ضرایب سینتیکی برای راکتور بیوفیلمی با بستر متحرک ( MBBR)    140
5-5-1    مدل Monod    140
5-5-2    مدل Stover–Kincannon    141
5-5-3    مدل Grau    141
5-5-4    مدل درجه اول حذف سوبسترا    142
5-6    تعیین ضرایب سینتیکی برای کل سیستم    143
5-6-1    مدل Monod    143
5-6-2    مدل Stover–Kincannon    144
5-6-3    مدل Grau    144
5-6-4    مدل درجه اول حذف سوبسترا    145
6    نتیجه گیری و پیشنهادات    
6-1    نتایج    149
6-2    پیشنهادات    155
7    منابع    

فهرست اشکال 
شکل‏1 1: انتشار جهانی متان ناشی از زباله ها[1]    3
شکل‏2 1. تصویر شماتیک از خصوصیات لایه‎ی بیوفیلمی [8]    12
شکل ‏2 2. تصویر شماتیک تشکیل بیومس روی سطح [8]    13
شکل‏2 3. تصویر شماتیک عوامل موثر بر جدا شدن بیومس از سطح آکنه [8]    13
شکل‏2 4. مکانيزم رشد چسبيده میکروارگانیسم ها در سيستم ديسک دوار بيولوژيکي [4]    14
شکل‏2 5 : مخزن بیوگاز با میله‎های محافظتی رعد و برق و مشعل گاز [10]    23
شکل‏2 6: ماده‎ی هضم شده‎ی اسیدوژنیک حاصل از هضم بی هوازی [10]    25
شکل‏2 7: شمای واکنش های  هضم بي هوازی [13]    27
شکل‏2 8: اثرSRT  بر اجزای قابل تجزیه و تولید متان [17]    33
شکل‏2 9: اثرات دما و SRT بر تولید متان و تجزیه جامدات فرار [17]    35
شکل‏2 10: رابطه بین pH و غلظت بیکربنات در 35درجه [21]    37
شکل‏2 11. کاهش جامدات فرار نسبت به زمان ماند جامدات [25]    45
شکل‏3 1: یک واحد RBC متداول: الف) RBCمتداول با نیروی محرکه متداول و هوای ورودی اختیاری،    52
شکل‏3 2: منحني طراحي فرايند سيستم ديسک دوار بيولوژيکي بر مبناي درصد تخليه BOD [16]    55
شکل‏3 3: منحني طراحي فرايند سيستم ديسک دوار بيولوژيکي بر مبناي ميزان تخليه BOD محلول و کل [26]    55
شکل‏3 4: آرایش معمول RBC مرحله ای: الف) جریان موازی باشفت، ب) جریان عمود بر شفت،    57
شکل‏3 5:انواع سیستمهای بی هوازی-هوازی    82
شکل‏4 1: نمای کلی از پایلوت    96
شکل ‏4 2: نمایی از شماتیک پایلوت بی هوازی- هوازی RBC-MBBR    97
شکل ‏4 3: نمایی ازمخزن AnRBC    99
شکل ‏4 4: دیسک پلی-اورتان قبل از راه اندازی پایلوت    101
شکل‏4 5: دیسکها بعد از تشکیل بیوفیلم    101
شکل‏4 6: موتور القایی    102
شکل‏4 7: دستگاه توزیع کننده SV004ic5-1    102
شکل‏4 8: توزیع کننده و تایمر    103
شکل‏4 9:سرپوش جمع آوری گاز بیوراکتور RBC    103
شکل ‏4 10: دستگاه جریان سنج    104
شکل ‏4 11: بخاری آکواریوم    105
شکل‏4 12: واحد ته نشینی اولیه    106
شکل‏4 13:بیوراکتور MBBR به همراه آکنه های کالدنس    108
شکل‏4 14: آکنه کالدنس قبل از راه اندازی راکتور    110
شکل‏4 15:آکنه های کالدنس بعد از تشکیل شدن بیوفیلم روی آنها    110
شکل‏4 16:سنگ هوا    111
شکل‏4 17:فاضلاب سنتز شده    113
شکل ‏4 18: راکتور حرارت COD    117
شکل‏4 19: دستگاه اسپكتروفتومتر    117
شکل‏4 20: ترازو    118
شکل ‏4 21: دستگاه اندازه گیری اسیدیته،دما،EC، TDS    119
شکل ‏4 22: دستگاه کدورت سنج به همراه ظرف های نمونه    119
شکل ‏5 1: روند تغییرات COD در مراحل مختلف پایلوت    123
شکل‏5 2: مقایسه روند تغییرات COD در آزمایشات    124
شکل‏5 3: مقایسه درصد حذف کلی و درصد حذف در مرحله AnRBC و مرحله MBBR    125
شکل‏5 4: مقایسه COD خوراک رودی ،  COD خروجی بیوراکتور AnRBC ، COD خروجی بیوراکتور MBBR    126
شکل‏5 5: روند حذف COD در بهینه ترین آزمایش    127
شکل‏5 6: روندو بازه تغییرات PH در مراحل آزمایش    128
شکل‏5 7:تاثیر تغییرات PH بر روی درصد حذف    129
شکل‏5 8: بررسی تاثیر تغییرات غلظت  COD بر روی درصد حذف AnRBC    130
شکل ‏5 9:بررسی تاثیر تغییرات غلظت COD بر روی درصدحذف MBBR    131
شکل ‏5 10: بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی درصدحذف AnRBC    132
شکل‏5 11: بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی درصدحذف MBBR    133
شکل‏5 12:بررسی تغییرات غلظت COD بر روی تولید گازمتان    134
شکل‏5 13: بررسی تاثیر تغییرات سرعت چرخش بر روی تولیدگاز    135
شکل ‏5 14: بررسی تاثیر تغییرات زمان ماند بر روی تولید گاز    136
شکل‏5 15: تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل مونود    137
شکل‏5 16. تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Stover–Kincannon    138
شکل‏5 17. تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Grau    139
شکل ‏5 18 تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل حذف درجه‌ی اول سوبسترا    139
شکل ‏5 19 تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل مونود    140
شکل ‏5 20: تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Stover–Kincannon    141
شکل ‏5 21: تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Grau    142
شکل ‏5 22:  تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل حذف درجه‌ی اول سوبسترا    142
شکل ‏5 23:  تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل مونود    143
شکل ‏5 24. تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Stover–Kincannon    144
شکل ‏5 25:  تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل Grau    145
شکل ‏5 26: تعیین ضرایب سینتیکی بر حسب COD برای مدل حذف درجه‌ی اول سوبسترا    145
‏شکل مقادیر بهینه.6 1-جدول:    152
فهرست جداول
جدول‏2 1: انواع سوخت و ساز تنفسی در واکنش باکتریایی [9]    18
جدول ‏2 2: محتویات بیوگاز [11]    21
جدول ‏2 3: ویژگی مراحل مختلف شرایط بی هوازی [13،4و14]    28
جدول ‏2 4: ویژگیهای میکروارگانیسمهای مؤثر در تصفیه‎ی بی هوازی [14]    29
جدول‏2 5. الزامات مواد مغذی برای تصفیه بی هوازی [8]    39
جدول ‏2 6. مواد آلی سمی و بازدارنده در هضم بی هوازی [20]    40
جدول ‏2 7. مواد غیرآلی سمی و بازدارنده در هضم بی هوازی [20]    41
جدول ‏2 8. زمان ماند جامدات توصيه شده براي هاضم پر سرعت [20]    44
جدول ‏3 1. اطلاعات متعارف طراحی تماس دهنده های بیولوژیکی چرخان [4]    56
شکل‏3 2.مروری بر تاریخچه پیشینه استفاده از سیستمهای AnRBC    60
جدول ‏3 3: پیشینه استفاده از راکتور بیولوژیکی با بستر متحرک  (MBBR)    76
جدول‏3 4: مقایسه فرایندهای بی هوازی و هوازی]2[    79
شکل‏3 5: پیشینه استفاده از سیستمهای بی هوازی-هوازی ]2[    85
جدول‏4 1: مشخصات راکتور AnRBC    98
جدول‏4 2: مشخصات آکنه های استفاده شده    109
جدول‏4 3: ترکیبات خوراک ورودی    112
جدول ‏5 2: مقایسه مدلهای واکنش جهت پیش بینی رفتار سیستم    146
جدول‏5 3:ضرایب سینتیکی به دست آمده برای مدل Stover-Kincannon    147

         فصل اول
      کلیات

1    کلیات
1-1    ضرورت تحقیق
تخمین زده میشود 1500 km3/d فاضلاب تجزیه¬پذیر بیولوژیکی در جهان تولید می¬شود. فاضلابها از نظر بارآلی موجود متقاوتند، فاضلابها با COD کم (COD ≤ 700  mg/l) " آب خاکستری"  نامیده میشوند ، فاضلابها با COD بالا که " آب سیاه"  نامیده میشوند ( COD بالای 1500 mg/l) و جریانهای قویتر COD ای نزدیک 35000 mg/l دارند. این نوع فاضلابها اگر در شرایط بی¬هوازی قرار بگیرند تا زمانیکه تمام مواد قابل تجزیه بیولوژیکی آنها تجزیه شوند، متان تولید خواهند کرد. 
بر اساس بیانیه آژانس محافظت محیط زیست آمریکا   ، متان منتشر شده از فاضلابها، 6 درصد ، معادل 450 میلیون تن  CO2  گاز گلخانه ای جهان را در سال 2010 تولید کرده اند. 
گاز گلخانه¬ای منتشر شده از زباله و فاضلاب در شکل 1-1 نشان داده شده است. از آنجا که مقدار زیادی متان از فاضلابها و زباله منتشر می¬شود و این روند رو به رشد است، جمع¬آوری آن امری ضروری به نظر میرسد.]1[
 
شکل‏1 1: انتشار جهانی متان ناشی از زباله ها[1]
 هاضمهای بی¬هوازی با سرعت بالا چنین امکانی را فراهم خواهند آورد ،که با این کار علاوه بر کنترل گازهای گلخانه¬ای ، یک منبع پاک برای انرژی خواهد بود. صنایعی که آلودگی زیادی تولید می¬کنند ترجیحا" از راکتورهای بی¬هوازی به علت COD بالا، پتانسیل تولید انرژی و تولید لجن مازاد کم استفاده می¬کنند. برخلاف بهره¬برداری بالای فرآیندهای بی¬هوازی و مزایای آنها به علت سرعت ته¬نشینی کم ، نیاز به پس تصفیه برای فاضلابهای حاوی NH4+ و HS- استفاده از آنها محدود شده است. برای رفع این مشکل ،پس تصفیه توسط روشهای هوازی برای پساب حاصل از راکتورهای بی¬هوازی مناسب خواهد بود. به عنوان مثال ، تصفیه فاضلابهایی مانند فاضلاب کارخانه زیتون سبز با COD متغییر بین 100000-25000  میلی¬گرم بر لیتر مشاهده شده است که نه فرآیند بی¬هوازی و نه فرآیند هوازی به تنهایی نمی¬توانند جوابگو باشند و نه صرفه اقتصادی خواهند داشت و تنها استفاده از سیستم بیهوازی-هوازی می¬تواند جوابگو باشد، که نتیجه استفاده از این سیستم بهره¬وری بالای حذف مواد ارگانیک، مقدار کم لجن در قسمت هوازی و عدم نیاز به تصیحح PH می¬باشد.[2]
 بنابراین استفاده از یک سیستم بی¬هوازی-هوازی که مجهز به سیستم جمع¬آوری گاز باشد عملی¬ترین روش برای داشتن درصد حذف بالا و بازیافت متان به عنوان منبعی برای انرژی خواهد بود. با این کار علاوه بر کنترل گازهای گلخانه¬ای ، یک منبع پاک برای انرژی خواهیم داشت.
1-2    هدف تحقیق
دراین پژوهش هدف، ابداع روشی جهت تصفیه فاضلابها با COD بالا است، که سه ویژگی مهم را داشته باشد:  1- دستیابی به درصد بالای حذف مواد آلاینده   2- بازیافت گاز متان  3- هزینه عملیاتی و راه اندازی اندک
استفاده از یک سیستم بی¬هوازی- هوازی که مجهز به سیستم جمع¬آوری گاز باشد عملی¬ترین روش برای داشتن درصد حذف بالا و بازیافت متان به عنوان منبعی برای انرژی خواهد بود. با این کار علاوه بر کنترل گازهای گلخانه¬ای ، یک منبع پاک برای انرژی خواهیم داشت. فرآیندهای بی¬هوازی- هوازی در تصفیه فاضلابهای صنعتی قوی با جمع کردن مزایای تجزیه بی¬هوازی(تولید بیوگاز) و مزایای تجزیه هوازی( حذف بهتر COD و مواد آلی محلول)  به نظر میرسد که برای این مقصود مناسب باشند.
به همین منظور در این پژوهش از یک راکتور دیسک دوار بیولوژیکی به عنوان واحد بی¬هوازی و از یک راکتور بیوفیلمی با بستر متحرک به عنوان واحد هوازی استفاده شده است، این دو واحد بهم به صورت سری متصل شده¬اند و یک سیستم یکپارچه بیهوازی-هوازی تشکیل داده¬اند. قابل ذکر است که مخزنی جهت جمع¬آوری بیوگاز تولید شده در بیوراکتور بیهوازی تعبیه شده است. آزمایشات بر روی فاضلاب سنتز شده انجام گرفته و تاثیر پارامترها بر روی درصد حذف و بازیافت گاز متان بررسی شده¬است و میزان کارائی این روش سنجیده شده است.