بررسي تصفيه فاضلاب در بيوراكتور غشايي با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي

Investigating wastewater treatment in MBRs using computational fluid dynamics

بيوراكتور غشايي يكي از فناوري‌هاي پيشرفته مورد توجه براي تصفيه فاضلاب و بازيافت آب است كه با تركيب فرايند تصفيه بيولوژيكي لجن فعال و فيلتراسيون غشايي صورت مي‌گيرد. بيوراكتور غشايي در مقايسه با فرايندهاي متداول تصفيه فاضلاب داراي مزايايي از ‌جمله بازدهي بالاي تصفيه است و به فضاي كمتري نياز دارد. از مهم‌ترين مشكلاتي كه فرايندهاي غشايي با آن مواجه‌اند، گرفتگي غشاست كه كارايي فرايند را كاهش و هزينه‌هاي آن را افزايش مي‌دهد. بنابراين، شناسايي ويژگي‌هاي موثر در اين پديده و از جمله هيدروديناميك سامانه از موضوعات مهم پژوهش است. ديناميك سيالات محاسباتي ابزاري قدرتمند براي درك ارتباط بين مكانيك سيالات و گرفتگي در بيوراكتورهاي غشايي است. در اين تحقيق اثر هيدروديناميكي جريان چندفازي در گرفتگي غشا در يك بيوراكتور غشايي هواگرد با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي در شرايط عملياتي مختلف شامل چهار نرخ هوادهي و قطر حباب مربوطه و دو غلظت توده زيستي مطالعه شد. شبيه‌سازي سه‌بعدي بيوراكتور غشايي به صورت دو و سه‌فازي با استفاده از مدل چندفازي اولرين و مدل اغتشاش k-? انجام شده است. نتايج نشان داد با افزايش دبي هوادهي و غلظت توده زيستي، تنش برشي گاز و مايع بر سطح غشا افزايش و در نتيجه گرفتگي غشا كاهش مي‌يابد. همچنين، اثر توزيع و رفتار حباب بر نتايج بررسي شد. علاوه بر اين، نتايج نشان داد كه استفاده از معادلات گرانولي اويلر در شبيه‌سازي سه‌فازي سامانه با در نظر گرفتن اندازه لخته‌ها، سبب نزديك‌شدن نتايج شبيه‌سازي به حالت واقعي مي‌شود. نتايج شبيه‌سازي به خوبي با داده‌هاي آزمايشگاهي هم‌خواني دارد كه تاييدي بر صحت شبيه‌سازي و مدل موازنه جمعيتي مورد استفاده است.

Membrane bioreactor (MBR) is a modern technology for wastewater treatment and water reuse which is the combination of activated sludge process and membrane filtration. The main obstacle to development of MBRs is membrane fouling which decreases system efficiency. Computational fluid dynamics (CFD) is a helpful tool to investigate the relationship between fluid mechanics and fouling in MBRs. In this study, effect of hydrodynamic characteristics on fouling in an airlift MBR was investigated using CFD simulation. Three-dimensional two and three-phase simulation was implemented using Eulerian approach and k-? turbulent model. Results indicated that by increasing air flow rate and MLSS concentration, shear stress on membrane surface increase and membrane fouling decreases. Also effect of considering population balance model in simulation was studied. In addition results indicated that using granular model in three-phase simulation would lead to a more realistic simulation. Simulation results were in good agreement with experimental data which demonstrate the ability of this CFD approach and population balance model as an efficient tool.