بهینه سازی فرآیند لجن فعال

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 مدلزیست محیطی یک مدل خوب برای پیش بینی عملکرد صحیح سیستم تصفیه لجن فعال و بهینه سازی این سیستم می باشد.

فهرست مطالب

فصل اول: کلیاتی درباره تغییر و تحول در طرز جمع آوری و تصفیه فاضلاب

1-1- مقدمه 2

1-2- تاریخچه مختصری درباره تغییر و تحول در طرز جمع آوری و تصفیه فاضلاب 2

1-3- هدف از تصفیه فاضلاب 4

1-4- انواع و خواص فاضلاب 6

1-4-1- فاضلاب خانگی 6

1-4-2- فاضلاب صنعتی 8

1-4-3- فاضلاب سطحی 8

1-5- تصفیه فاضلاب 9

1-5-1- تصفیه فاضلاب در مجاورت باکتری های هوازی 9

1-5-2- تصفیه و تجزیه فاضلاب در مجاورت باکتری های غیر هوازی 9

1-6- لزوم آزمایش فاضلاب 13

1-7- آزمایش تحلیلی فاضلاب 13

1-7-1- آزمایشات فیزیکی 13

1-7-2- مطالعات بهداشتی 13

1-7-3- آزمایشات شیمیایی 13

1-8- معیار شدت آلودگی 14

1-9- تعیین مقدار بی- او- دی (BOD) 15

1-10- درجهآلودگی فاضلاب های خانگی در شهر های ایران 15

فصل دوم: واحد هایی بکارگیری در تصفیه خانه فاضلاب

2-1- مقدمه 17

2-2- هدف تصفیه مقدماتی 17

2-3- تصفیه مقدماتی فاضلاب 18

2-4- آشغال گیری و آشغالگیرها 18

2-4-1- آشغالگیرهای دستی 19

2-4-2- آشغالگیرهای مکانیکی 20

2-4-3- بازده آشغالگیرها 22

2-4-4- دفع آشغال 22

2-5- آشغال خردکن ها 23

2-5-1- انواع آشغال خردکن و طرز کار با آنها 23

2-6- حوض های دانه گیر 26

2-6-1- تعریف دانه 26

2-6-2- اهداف احداث حوض های دانه گیری 26

2-6-3- تثبیت سرعت جریان 27

2-6-4- دفع مواد دانه ای 27

2-7- ته نشینی 27

2-7-1- ته نشینی ساده 28

2-7-2- ته نشینی شیمیایی 29

2-8- حوض های ته نشینی 29

2-9- انواع حوض های ته نشینی 29

2-9-1- حوض های ته نشینی نخستین 30

2-9-2- حوض های ته نشینی نهائی 30

2-10- کلر زنی 31

2-11- حوض کلر زنی 31

2-12- تصفیه و دفع لجن 32

2-13- هضم لجن 33

2-14- مخازن هاضم 33

2-15- حوض تغلیظ لجن 34

2-16- دفع لجن هضم شده 34

2-17- بسترهای لجن خشک کن 34

2-18- انتخاب محل تصفیه خانه 35

فصل سوم: انواع فرایندهای تصفیه زیستی فاضلاب

3-1- مقدمه 37

3-2- پخش فاضلاب در زمینهای زراعی 37

3-3- صافیهای ماسه ای متناوب 37

3-3-1- بازده صافیهای ماسه ای متناوب 38

3-4- برکه های تصفیه فاضلاب 38

3-5- صافیهای چکنده 39

3-5-1- تصفیه فاضلاب در صافیهای چکنده 39

3-5-2- معایب و محاسن صافیهای چکنده 39

3-6- تصفیه زیستی فاضلاب با کمک لجن فعال شده 41

3-6-1- لجن فعال شده 41

3-6-2- تصفیه فاضلاب با کمک لجن فعال شده 41

3-6-3- مایع مخلوط 41

3-6-4- حوض هوارسانی 42

3-6-5- مشخصات ظاهری لجن فعال شده 42

3-7- حوض های هوارسانی 42

3-7-1- هوارسانی به فاضلاب و طرق مختلف آن 42

3-8- مکانیسم های اساسی فرایند لجن فعال 42

3-9- وظایف اصلی فرایند لجن فعال 44

3-10- اهمیت بهینه سازی فرایند لجن فعال 44

3-11- مروری بر تحقیقات گذشته 44

فصل چهارم:بهینه سازی

4-1- مقدمه 47

4-2- رابطه سازی طرح بهینه 47

4-3- تاریخچه بهینه سازی 49

4-4- تابع هدف 49

4-5- روش بهینه سازی هوک جیوز 50

4-5-1- الگوریتم هوک جیوز 50

4-5-2- محاسبات عددی روش بهینه سازی هوک جیوز 51

فصل پنجم: معرفی مدل ها جهت بهینه سازی تصفیه خانه لجن فعال

5-1- فرایند های رشد معلق 58

5-2- اصول و قواعد کلی سیستم های رشد معلق 58

5-3- محاسبات عددی 62

5-4- معرفی مدل 63

5-4-1- حل مدل با روش هوک جیوز 65

5-4-2- ورودی های برنامه 65

5-4-3- برنامه روش هوک- جیوز به زبان فرترن 65

5-4- 4- خروجی های برنامه 65

5-4-5- نتایج و محاسبات 65

5-5- بهینه سازی فرایند لجن فعال بر پایه مدل زیست محیطی 71

5-5-1- معادلات حاکم بر فرایند لجن فعال 72

5-5-2- مواد و روش ها 75

5-5-3- معادلات ریاضی مدل زیست محیطی 76

5-5-4- چگونگی محاسبات بهینه سازی مدل زیست محیطی 83

5-5-5- برنامه مدل EBM به زبان فرترن 79

5-5-6- نتایج و محاسبات 79

5-5-7- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع 80

5-6- بحث و نتیجه گیری 83

منابع 85

پیوست 88

فهرست جداول

جدول 4-1- ارزیابی نقاط اطراف نقطه B جهت مینیمم کردن تابع 53

جدول 4-2- درون یابی نقاط اطراف نقطه B جهت مینیمم کردن تابع 55

جدول 4-3- محاسبه مقدار نهایی F(B) با کاهش سایز h 56

جدول 5-1- مقادیر، ، و در سیستم لجن فعال، با اختلاط کامل در دمای تقریبی

61

جدول 5-2- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(Steel and McGhee, 1960) 66

جدول 5-3- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(1)(Viessman and Hammer, 1993)

68

جدول 5-4- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(2)(Viessman and Hammer, 1993)

69

جدول5-5- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(3)(Viessman and Hammer, 1993)

70

جدول 5-6- مقایسه بین نتایج محاسباتی با داده های مرجع(4)(Viessman and Hammer, 1993)

71

جدول5-7- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع(lee and Lin.,1999) 80

جدول 5-8- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع) (Woodard.,200181

جدول 5-9- مقایسه نتایج محاسباتی با داده های مرجع) (Qin.,198982

فهرست شکل ها

شکل1-1- دوره بی انتهای در تجزیه هوازی مواد ازت دار، کربن دار و گوگرد دار در طبیعت 11

شکل1-2- دوره بی انتهای در تجزیه غیر هوازی مواد ازت دار، کربن دار و گوگرد دار در طبیعت 12

شکل2-1- نحوه قرار گیری آشغالگیر دستی 19

شکل 2-2- آشغالگیر دستی(دید کناری) 20

شکل 2-3- آشغالگیر مکانیکی ساده 21

شکل2-4- آشغالگیر میله ای مکانیکی کوچک در حین بهره برداری 21

شکل2-5- آشغالگیر میله ای مکانیکی در حین بهره برداری در تصفیه خانه های با فاضلابروهای ورودی عمیق 22

شکل2-6- آشغال خرد کن قبل از نصب 24

شکل2-7- آشغال خردکن در حین بهره برداری 24

شکل2-8- آشغال خردکن در حین بهره برداری(نوع آلمانی) 25

شکل 2-9- آشغال خردکن(نوع آلمانی) قبل از بهره برداری 25

شکل 2-10- حوض دانه گیری، مجهز به دانه روب مکانیکی 27

شکل2-11- حوض ته نشینی اولِیه 28

شکل2-12- حوض ته نشینی ثانویه 28

شکل2-13- شمای یک حوض کلرزنی 32

شکل2-14- نمایی از مخازن هاضم 33

شکل2-15- مخازن هاضم مجهز به ادوات بهمزن مکانیکی 33

شکل3-1- منظره عمومی برکه های تصفیه فاضلاب 38

شکل3-2- منظره عمومی تصفیه خانه فاضلاب با صافیهای چکنده 40

شکل3-3- صافی های چکنده با پخشان های دوار و پخش فاضلاب روی بستر خرده سنگی 41

شکل 5-1- عملکرد سیستم فرایند لجن فعال با اختلاط کامل 59

فهرست شکل ها و نمودارها

شکل 5-2- سیستم لجن فعال با اختلاط کامل با چرخه مواد جامد(Completely Mixed Biological Reactor With Solids Recycle) 60

شکل 5-3- چگونگی جریان فاضلاب در سیستم لجن فعال با تعریف پارامترهای مربوطه 75

نمودار 5-1- نسبت به 67

نمودار 5-2- نسبت به 67

نمودار 5-3- نسبت به 67