مدل ‌سازي راكتور لجن گرانولي هوازي براي بررسي اثر اكسيژن و بار ورودي بر حذف همزمان COD، نيتروژن و فسفر

Modelling of Granular Sludge Bioreactor to Study the Influence of Dissolved Oxygen Concentration and Loading Rates on Simultaneous COD, N and P-removal

در دهه اخير، راكتور با گرانول‌هاي هوازي به‌عنوان يك فناوري جديد براي حذف آلاينده‌ها از فاضلاب، مورد توجه زيادي قرار گرفته است. در اين پژوهش براي توصيف كارايي راكتور حاوي گرانول‌هاي هوازي با بچ‌هاي متوالي، براي حذف همزمان COD، نيتروژن و فسفر، يك مدل رياضي ارائه و با نتايج آزمايشگاهي مقايسه شد. يك راكتور آزمايشگاهي با حجم كاري سه ليتر به‌صورت بچ‌هاي متوالي براي حذف آلاينده‌ها مورد بهره‌برداري قرار گرفت. همچنين يك مدل با استفاده از نرم‌افزار آكواسيم ارائه و براي بررسي ساختار ميكربي و نيز كارايي سيستم، در غلظت‌هاي مختلف اكسيژن و بارهاي ورودي مختلف COD، نيتروژن و فسفر به‌كار گرفته شد. نتايج مدل نشان داد كه بخش عمده‌اي از گرانول‌ها، از ميكروارگانيسم‌هاي ذخيره‌كننده فسفات تشكيل شده‌اند. در حالي كه ميزان اكسيژن، بر حذف COD و فسفر تأثيري ندارد ولي حذف نيتروژن، كاملاً به ميزان اكسيژن وابسته است. حذف بيش از 98 درصد نيتروژن، در محدوده 40 تا 45 درصد غلظت اشباع اكسيژن در مدل و 35 درصد در راكتور آزمايشگاهي به‌دست آمد. نتايج مدل و آزمايش تجربي حذف نيتروژن و فسفر در بارهاي مختلف ورودي آلاينده‌ها، تطابق خوبي را نشان داد. نتايج حاصل از مدل در غلظت‌هاي مختلف اكسيژن و بارهاي مختلف ورودي COD، نيتروژن و فسفر تطابق كيفي مناسبي را با نتايج آزمايشگاهي نشان داد. به‌دليل پيچيده بودن سيستم گرانول‌هاي هوازي و طولاني بودن انجام آزمايش‌هاي تجربي، مدل پيشنهادي به‌خوبي مي‌تواند براي توصيف كيفي فرايندهاي پيچيده در سيستم گرانول‌هاي هوازي به‌كار برده شود.

Recently, aerobic granular sludge reactors have been extensively studied as a new technology for wastewater treatment. In this study, a mathematical model has been developed and compared with the experimental results to study the microbial distribution and overall conversions performance of the reactor at different conditions such as dissolved oxygen concentrations and COD, nitrogen and phosphorus loading rates. A laboratory reactor with working volume of 3 L was operated in sequencing batch mode. A model was developed using Aquasim software to investigate the structure and performance of the reactor at different dissolved oxygen concentrations and COD, nitrogen and phosphorus loading rates. The model results showed that the majority of the microorganisms inside the biofilm are phosphate accumulating organisms. Total COD and P-removal under the laboratory conditions at a dissolved oxygen (DO) concentration of 100% was reached, but the obtained N-removal was not sufficient. Therefore, the N-removal at lower oxygen concentrations was studied. The optimum value for nitrogen removal was obtained (more than 98%) with a DO concentration of 40-45% and 35% by simulation and in the laboratory reactor, respectively. The model describes the experimental data at different COD, nitrogen and phosphorus loading rates, sufficiently well. The results of the experimental data and model were in good agreement. Therefore, the model can be used for process understanding and optimization of this complex system.