مقاله بهینه سازی فرآیند لجن فعال

دانلود مقاله بهینه سازی فرآیند لجن فعال

چکیده :
صنعت تصفیه آب و فاضلاب، از صنایع زیربنایی هرکشور محسوب می شود، که در دهه های اخیر، توجه دولت ها را بیش از پیش به خود معطوف کرده است. به علت تنزل کیفیت عمومی منابع آب، ضرورت استفاده از سیستم های تصفیه پیشرفته آب و فاضلاب، دغدغه بسیاری از این کشورها (به ویژه کشورهای در حال توسعه) می باشد. چالش های زیست محیطی فراوانی، در زمینه تصفیه فاضلاب، به ویژه سیستم لجن فعال وجود دارد. این چالش ها اغلب در زمینه مقدار حجم هوای مورد نیاز جهت حذف مواد آلی فاضلاب، تولید و دفع لجن مازاد می باشد. بزرگ ترین عیب سیستم های تصفیه فاضلاب، بعد از تولید بو، تولید لجن مازاد می باشد. دفع این لجن مستلزم صرف هزینه زیاد خواهد بود. در این مطالعه با معرفی دو مدل، به بهینه سازی فرایند لجن فعال خواهیم پرداخت. در مدل اول، هدف،کمینه کردن مقدار حجم هوای مورد نیاز جهت حذف مواد آلی فاضلاب وکاهش لجن تولیدی می باشد. بهینه سازی مدل با استفاده از روش بهینه سازی هوک جیوز انجام شده است. با مقادیر بهینه این متغیرها، یک سیستم لجن فعال با بهترین کارآیی وکمترین مقدار حجم هوای مورد نیاز جهت حذف BOD5 و کمترین سرعت تولید لجن، طراحی خواهد شد. مدل دوم، مدل زیست محیطی، بر پایه معادلات مونود و تئوری تعادل توده ها استوار می باشد. در مدل زیست محیطی، مینیمم حجم حوضچه هوادهی، تابع هدف مسئله می باشد. براساس مقدار فاضلاب و خصوصیات میکروبیول ها، حجم حوضچه هوادهی در این مدل، به عنوان یک پارامتر قاطع برای طراحی سیستم های تصفیه فاضلاب، که تاثیر ویژه ای روی زمان ماند و مقدار فاضلاب برگشتی دارد، معرفی شده است. در نهایت، ارزیابی نتایج نشان می دهد، که مدل زیست محیطی یک مدل خوب برای پیش بینی عملکرد صحیح سیستم تصفیه لجن فعال و بهینه سازی این سیستم می باشد.

واژه های کلیدی: فرآیند لجن فعال، لجن مازاد، هوک جیوز، مدل زیست محیطی، حجم حوضچه هوادهی.

مقدمه
آب شرط وجود حیات می باشد. اکثر واکنشهای شیمیایی در محیط آبی صورت می گیرد. آب به علت خواص ویژه، نقش تنظیم کننده ای در طبیعت داشته و آن را در برابر تغییرات ناگهانی دما حفظ می کند.آب بعد از مصارف گوناگون (خانگی، کشاورزی، صنعتی و …) تبدیل به پساب می شود. برای جلوگیری از آلودگی آب و محیط زیست، توسط این پساب ها، باید راهکارهایی برای تصفیه و استفاده مجدد از آن اتخاذ کرد( امیر زمانخانی، ۱۳۸۸). لزوم اجرای طرح های آب و فاضلاب و درک مشکلات ناشی از آن از دیر باز برای بشر مطرح بوده و در این راه طی قرون متمادی پیشرفتهای عظیمی نیز نصیب معماران و مهندسانی که علوم را از طریق تجربه و ممارست آموخته بودند، گردید( آصف خلدانی، ۱۳۵۶).
۱-۲- تاریخچه مختصری درباره تغییر و تحول در طرز جمع آوری و تصفیه فاضلاب
قدیمی ترین کانالیزاسیون را می توان در آثار تمدن هندیان مشاهده نمود. در خرابه های شهر بابل و نینوا و نیز در جزیره کرت، آثاری از مجراهای فاضلاب و آبریزگاههای همگانی دیده شده اند. در شهرهای یونان و روم قدیم آثار فاضلاب روهایی به قطر های ۲ تا ۳ متر دیده شده اند، که ساختمان آنها را به ۲۰۰۰ سال پیش از میلاد نسبت می دهند. در بمبئی، باقیمانده گندآبروهایی مشاهده می شود، که ساختمان آنها را به حدود ۱۹۰۰ سال پیش مربوط می دانند. تا حدود یکصد سال پیش، بیشتر گندآبروها و به ویژه کانال های فرعی فاضلاب به صورت روباز ساخته می شدند. پس از آشکار شدن اثر این قبیل کانالها در پخش بیماریهای واگیردار، کوشش به عمل آمد، که تمام گندآبروها و فاضلابروها در زیر زمین ساخته شوند. کانال های اصلی شبکه های فاضلاب(اگو) شهر پاریس به طول ۳۶ کیلومتر، در سال ۱۷۸۹ میلادی ساخته شده اند. شهر لندن پس از کشتاری که بیماری وبا در آن انجام داد و طی آن ۲۵۰۰۰ نفر تلف شدند، در سالهای ۱۸۳۲ تا ۱۸۴۸، دارای شبکه زیر زمینی جمع آوری فاضلاب شد. هامبورگ در سال ۱۸۴۲ و برلن در سال ۱۸۵۲ دارای شبکه های کانالیزاسیون گردیدند(محمد تقی منزوی،۱۳۶۰). در ایران نیز در زمینه آبرسانی و فاضلاب کارهایی بزرگ و ابداعاتی جالب به چشم می خورد. احداث هزارن کیلومتر قنات و همچنین بنای سد و تونل انتقال آب و بالاخره دفع فاضلاب در چاه، از ابتکارات معماران و مهندسان ایرانی است. از اواخر قرن هیجدهم که انقلابات صنعتی مردم را با سرعتی غیر قابل کنترل به شهر نشینی وادار ساخت، تامین آب سالم و دفع فاضلاب خانگی به صورت دو موضوع حاد از نظر امکان زندگی، ولو با حداقل بهداشت ممکن، بروز کرد. برای دفع آب باران اولین بار طرح جوی سازی بوجود آمد، تا بدین ترتیب آبهای سطحی در خیابانهای شهر جمع آوری و به اولین منبع طبیعی آب نظیر نهر، رودخانه و یا دریا هدایت و دفع گردد. فاضلاب خانه ها نیز به صورت منفرد در زمینهای پشت منازل یا چاهها و در پاره ای موارد مستقیما به داخل رودخانه دفع میشد. به تدریج با توسعه و تورم ناگهانی شهرها، وضع شهرنشنی بکلی دگرگون شد. این تغییرات و تحولات دو مشکل جدید در شهرها به همراه داشت، اول تامین آب و به خصوص آب سالم برای مصرف اهالی و دوم جلوگیری از دفع فاضلاب خانگی به داخل جوی ها بود. به وجود آمدن محیطی کاملا غیر بهداشتی در شهرها، مهندسان و معماران را وادار به تجدید نظر در طرز جمع آوری فاضلاب ساخت، تا آنکه مجبور به جدا کردن شبکه فاضلاب از آب بارا ن، یعنی ابداع شبکه مجزا شدند. این راه حل نیز اگرچه تا مدتی کوتاه مسئله را پایان یافته جلوه میداد، ولی با توجه به کم شدن فواصل بین شهرهای صنعتی که اکثرا در کنار رودخانه ها و سواحل دریا گسترش می یافت، عملا مجالی برای تصفیه طبیعی فاضلاب دفع شده در رودخانه باقی نمی ماند. به این ترتیب مشکل تامین آب سالم در شهرهای پایین دست به وجود آمد. بر اساس همین معضلات بود، که اولین بار برای تامین آب مصرفی شهر لندن، مهندسی به نام چلسی) (Chelsea به این فکر افتاد، که با حفر چاه هایی در امتداد مسیر رودخانه تایمز آب سالم تهیه نماید. این اقدام بزودی نتایج رضایتبخشی به بار آورد و در نتیجه تصفیه آب با عبور دادن آن از لایه های ماسه ای در همه جا تحت عنوان تصفیه آب با صافیهای ماسه ای معمول گشت. به وجود آمدن امکاناتی در زمینه تصفیه آب تا حدودی مشکل دفع فاضلاب خام در منابع طبیعی را به طور موقت برطرف نمود، ولی با افزایش مقدار پساب صنعتی و تراکم منازل و ازیاد جمعیت در شهر، آب رودخانه ها آنچنان آلوده گردید، که بوی تعفن حاصل از تجزیه مواد در کنار رودخانه ها در فصول گرم و بعلاوه خطر شیوع امراض واگیر مردم شهرها را سخت نگران ساخت. از این به بعد بود، که شهرداریها در مقابل فشار افکار عمومی، علیرغم مخارج زیادی که می بایست در اجرای طرح های فاضلاب متحمل می شدند، اقدام به یافتن راه حل های اساسی نمودند. در اواخر قرن نوزدهم جمع آوری و به خصوص تصفیه فاضلاب به صورت مسئله ای جدی در امر نوسازی شهرها و اجرای طرح های شهرسازی مطرح گردید( آصف خلدانی، ۱۳۵۶). صنعت تصفیه آب، از صنایع زیر بنایی هر کشور محسوب می شود. در دهه های اخیر، توجه دولت ها را پیش از پیش به خود معطوف کرده است. به علت تنزل کیفیت عمومی منابع آب، ضرورت استفاده از سیستم های تصفیه پیشرفته آب و فاضلاب دغدغه بسیاری از این کشورها (به ویژه کشورهای در حال توسعه) می باشد. علاوه بر سعی در حفظ و بهبود کیفیت منابع آب، با افزایش روند تحقیق و توسعه و استفاده از فناوری نوین در صنعت تصفیه آب در صدد رسیدن به نقطه مطلوب بوده و در این راه قدم های اساسی را نیز برداشته اند (از کشور مالزی و کره جنوبی، می توان به عنوان نمونه های موفق در این زمینه یاد کرد). اما در کشور ما اغلب مشاهده می شود، هنوز در اجرای طرح های مختلف صنعت تصفیه آب و فاضلاب، از فناوری های قدیمی استفاده می شود. به طوری که باید اذعان داشت واقعا تصفیه خانه های آب در کشورمان مظلوم واقع شده اند. متاسفانه حتی در مواردی مشاهده می شود، با توجه به تغییر کیفیت آب خام و افزایش مواد آلی خطرناک در آب ورودی تصفیه خانه های قدیمی، روش بهره برداری از تاسیسات هنوز دستخوش تغییر و بازنگری نشده است. حدود ۴۰ سال است، که در دنیا صافی های دو لایه و مخلوط در تصفیه خانه های آب شرب وارد مدار شده اند. حتی صافی های موجود تک لایه تبدیل به دو لایه شده اند. اما هنوز، ما، در بکارگیری این فناوری تردید داریم. باید باور کرد، دنیا شتابان و به سرعت در حال حرکت است، اما ما غافل مانده ایم. نه مشاور قادر است تحولی در این زمینه ایجاد کند، نه سازندگان، توانایی این کار را دارند. علت هم این است، که در صنعت آب و فاضلاب ما، کمتر علم گرایی وجود دارد. ما فقط تولید می کنیم و به فکر کنترل کیفیت نیستیم. تا وقتی صنعت تصفیه آب و فاضلاب، علم گرا نشود، تحقیق به وجود نمی آید و تا تحقیق به وجود نیاید، توسعه ای در کار نیست و طبیعتا سنت گرایی باقی می ماند( امیر زمانخانی، ۱۳۸۸).

فهرست مطالب
فصل اول: کلیاتی درباره تغییر و تحول در طرز جمع آوری و تصفیه فاضلاب
۱-۱- مقدمه ۲
۱-۲- تاریخچه مختصری درباره تغییر و تحول در طرز جمع آوری و تصفیه فاضلاب ۲
۱-۳- هدف از تصفیه فاضلاب ۴
۱-۴- انواع و خواص فاضلاب ۶
۱-۴-۱- فاضلاب خانگی ۶
۱-۴-۲- فاضلاب صنعتی ۸
۱-۴-۳- فاضلاب سطحی ۸
۱-۵- تصفیه فاضلاب ۹
۱-۵-۱- تصفیه فاضلاب در مجاورت باکتری های هوازی ۹
۱-۵-۲- تصفیه و تجزیه فاضلاب در مجاورت باکتری های غیر هوازی ۹
۱-۶- لزوم آزمایش فاضلاب ۱۳
۱-۷- آزمایش تحلیلی فاضلاب ۱۳
۱-۷-۱- آزمایشات فیزیکی ۱۳
۱-۷-۲- مطالعات بهداشتی ۱۳
۱-۷-۳- آزمایشات شیمیایی ۱۳
۱-۸- معیار شدت آلودگی ۱۴
۱-۹- تعیین مقدار بی- او- دی (BOD) 15
۱-۱۰- درجهآلودگی فاضلاب های خانگی در شهر های ایران ۱۵
فصل دوم: واحد هایی بکارگیری در تصفیه خانه فاضلاب
۲-۱- مقدمه ۱۷
۲-۲- هدف تصفیه مقدماتی ۱۷
۲-۳- تصفیه مقدماتی فاضلاب ۱۸
۲-۴- آشغال گیری و آشغالگیرها ۱۸
۲-۴-۱- آشغالگیرهای دستی ۱۹
۲-۴-۲- آشغالگیرهای مکانیکی ۲۰
۲-۴-۳- بازده آشغالگیرها ۲۲
۲-۴-۴- دفع آشغال ۲۲
۲-۵- آشغال خردکن ها ۲۳
۲-۵-۱- انواع آشغال خردکن و طرز کار با آنها ۲۳
۲-۶- حوض های دانه گیر ۲۶
۲-۶-۱- تعریف دانه ۲۶
۲-۶-۲- اهداف احداث حوض های دانه گیری ۲۶
۲-۶-۳- تثبیت سرعت جریان ۲۷
۲-۶-۴- دفع مواد دانه ای ۲۷
۲-۷- ته نشینی ۲۷
۲-۷-۱- ته نشینی ساده ۲۸
۲-۷-۲- ته نشینی شیمیایی ۲۹
۲-۸- حوض های ته نشینی ۲۹
۲-۹- انواع حوض های ته نشینی ۲۹
۲-۹-۱- حوض های ته نشینی نخستین ۳۰
۲-۹-۲- حوض های ته نشینی نهائی ۳۰
۲-۱۰- کلر زنی ۳۱
۲-۱۱- حوض کلر زنی ۳۱
۲-۱۲- تصفیه و دفع لجن ۳۲
۲-۱۳- هضم لجن ۳۳
۲-۱۴- مخازن هاضم ۳۳
۲-۱۵- حوض تغلیظ لجن ۳۴
۲-۱۶- دفع لجن هضم شده ۳۴
۲-۱۷- بسترهای لجن خشک کن ۳۴
۲-۱۸- انتخاب محل تصفیه خانه ۳۵
فصل سوم: انواع فرایندهای تصفیه زیستی فاضلاب
۳-۱- مقدمه ۳۷
۳-۲- پخش فاضلاب در زمینهای زراعی ۳۷
۳-۳- صافیهای ماسه ای متناوب ۳۷
۳-۳-۱- بازده صافیهای ماسه ای متناوب ۳۸
۳-۴- برکه های تصفیه فاضلاب ۳۸
۳-۵- صافیهای چکنده ۳۹
۳-۵-۱- تصفیه فاضلاب در صافیهای چکنده ۳۹
۳-۵-۲- معایب و محاسن صافیهای چکنده ۳۹
۳-۶- تصفیه زیستی فاضلاب با کمک لجن فعال شده ۴۱
۳-۶-۱- لجن فعال شده ۴۱
۳-۶-۲- تصفیه فاضلاب با کمک لجن فعال شده ۴۱
۳-۶-۳- مایع مخلوط ۴۱
۳-۶-۴- حوض هوارسانی ۴۲
۳-۶-۵- مشخصات ظاهری لجن فعال شده ۴۲
۳-۷- حوض های هوارسانی ۴۲
۳-۷-۱- هوارسانی به فاضلاب و طرق مختلف آن ۴۲
۳-۸- مکانیسم های اساسی فرایند لجن فعال ۴۲
۳-۹- وظایف اصلی فرایند لجن فعال ۴۴
۳-۱۰- اهمیت بهینه سازی فرایند لجن فعال ۴۴
۳-۱۱- مروری بر تحقیقات گذشته ۴۴
فصل چهارم:بهینه سازی
۴-۱- مقدمه ۴۷
۴-۲- رابطه سازی طرح بهینه ۴۷
۴-۳- تاریخچه بهینه سازی ۴۹
۴-۴- تابع هدف ۴۹
۴-۵- روش بهینه سازی هوک جیوز ۵۰
۴-۵-۱- الگوریتم هوک جیوز ۵۰
۴-۵-۲- محاسبات عددی روش بهینه سازی هوک جیوز ۵۱
فصل پنجم: معرفی مدل ها جهت بهینه سازی تصفیه خانه لجن فعال
۵-۱- فرایند های رشد معلق ۵۸
۵-۲- اصول و قواعد کلی سیستم های رشد معلق ۵۸
۵-۳- محاسبات عددی ۶۲
۵-۴- معرفی مدل ۶۳
۵-۴-۱- حل مدل با روش هوک جیوز ۶۵
۵-۴-۲- ورودی های برنامه ۶۵
۵-۴-۳- برنامه روش هوک- جیوز به زبان فرترن ۶۵
۵-۴- ۴- خروجی های برنامه ۶۵
۵-۴-۵- نتایج و محاسبات ۶۵
۵-۵- بهینه سازی فرایند لجن فعال بر پایه مدل زیست محیطی ۷۱
۵-۵-۱- معادلات حاکم بر فرایند لجن فعال ۷۲
۵-۵-۲- مواد و روش ها ۷۵
۵-۵-۳- معادلات ریاضی مدل زیست محیطی ۷۶
۵-۵-۴- چگونگی محاسبات بهینه سازی مدل زیست محیطی ۸۳
۵-۵-۵- برنامه مدل EBM به زبان فرترن ۷۹
۵-۵-۶- نتایج و محاسبات ۷۹
۵-۵-۷- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع ۸۰
۵-۶- بحث و نتیجه گیری ۸۳
منابع ۸۵
پیوست ۸۸
فهرست جداول
جدول ۴-۱- ارزیابی نقاط اطراف نقطه B جهت مینیمم کردن تابع ۵۳
جدول ۴-۲- درون یابی نقاط اطراف نقطه B جهت مینیمم کردن تابع ۵۵
جدول ۴-۳- محاسبه مقدار نهایی F(B) با کاهش سایز h 56
جدول ۵-۱- مقادیر، ، و در سیستم لجن فعال، با اختلاط کامل در دمای تقریبی
۶۱
جدول ۵-۲- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(Steel and McGhee, 1960) 66
جدول ۵-۳- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(۱)(Viessman and Hammer, 1993)
۶۸

جدول ۵-۴- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(۲)(Viessman and Hammer, 1993)
۶۹
جدول۵-۵- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(۳)(Viessman and Hammer, 1993)
۷۰
جدول ۵-۶- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(۴)(Viessman and Hammer, 1993)
۷۱
جدول۵-۷- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع(lee and Lin.,1999) 80
جدول ۵-۸- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع) (Woodard.,200181
جدول ۵-۹- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع) (Qin.,198982
فهرست شکل ها
شکل۱-۱- دوره بی انتهای در تجزیه هوازی مواد ازت دار، کربن دار و گوگرد دار در طبیعت ۱۱
شکل۱-۲- دوره بی انتهای در تجزیه غیر هوازی مواد ازت دار، کربن دار و گوگرد دار در طبیعت ۱۲
شکل۲-۱- نحوه قرار گیری آشغالگیر دستی ۱۹
شکل ۲-۲- آشغالگیر دستی(دید کناری) ۲۰
شکل ۲-۳- آشغالگیر مکانیکی ساده ۲۱
شکل۲-۴- آشغالگیر میله ای مکانیکی کوچک در حین بهره برداری ۲۱
شکل۲-۵- آشغالگیر میله ای مکانیکی در حین بهره برداری در تصفیه خانه های با فاضلابروهای ورودی عمیق ۲۲
شکل۲-۶- آشغال خرد کن قبل از نصب ۲۴
شکل۲-۷- آشغال خردکن در حین بهره برداری ۲۴
شکل۲-۸- آشغال خردکن در حین بهره برداری(نوع آلمانی) ۲۵
شکل ۲-۹- آشغال خردکن(نوع آلمانی) قبل از بهره برداری ۲۵
شکل ۲-۱۰- حوض دانه گیری، مجهز به دانه روب مکانیکی ۲۷
شکل۲-۱۱- حوض ته نشینی اولِیه ۲۸
شکل۲-۱۲- حوض ته نشینی ثانویه ۲۸
شکل۲-۱۳- شمای یک حوض کلرزنی ۳۲
شکل۲-۱۴- نمایی از مخازن هاضم ۳۳
شکل۲-۱۵- مخازن هاضم مجهز به ادوات بهمزن مکانیکی ۳۳
شکل۳-۱- منظره عمومی برکه های تصفیه فاضلاب ۳۸
شکل۳-۲- منظره عمومی تصفیه خانه فاضلاب با صافیهای چکنده ۴۰
شکل۳-۳- صافی های چکنده با پخشان های دوار و پخش فاضلاب روی بستر خرده سنگی ۴۱
شکل ۵-۱- عملکرد سیستم فرایند لجن فعال با اختلاط کامل ۵۹
فهرست شکل ها و نمودارها
شکل ۵-۲- سیستم لجن فعال با اختلاط کامل با چرخه مواد جامد(Completely Mixed Biological Reactor With Solids Recycle) 60
شکل ۵-۳- چگونگی جریان فاضلاب در سیستم لجن فعال با تعریف پارامترهای مربوطه ۷۵
نمودار ۵-۱- نسبت به ۶۷
نمودار ۵-۲- نسبت به ۶۷
نمودار ۵-۳- نسبت به ۶۷