بهینه‌سازی هم‌زنی در هاضم بی هوازی گاز- بالابر لجن فاضلاب شهری

ماشین های کشاورزی

مقاله 11، دوره 14، شماره 1 - شماره پیاپی 31، فروردین 1403، صفحه 35-47   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی لاتین

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2023.83626.1182

نویسندگان

داود باولی بهمئی¹؛ یحیی عجب شیرچی²؛ شمس اله عبداله‌پور^{* 2}؛ سامان آبدانان مهدی زاده³

¹دانشجوی دکتری، گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

²گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

³گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشکده مهندسی زراعی و عمران روستائی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، اهواز، ایران

چکیده

این تحقیق با هدف بهینه‌سازی هم‌زنی در هاضم‌های بی‌هوازی گاز-بالابر لجن فاضلاب شهری انجام شد، زیرا هم‌زنی یکنواخت برای ارتباط مؤثر بین باکتری‌های متانوژن و مواد مغذی مهم است. نمونه‌برداری لجن فاضلاب شهری در تصفیه‌خانه غرب اهواز (چنیبه) در تابستان 1401 انجام شد. یک مدل برای شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و تایید فرآیند شبیه‌سازی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) توسط نرم افزار ANSYS Fluent 19.0 ارائه شد. سرعت گاز ورودی به هاضم تعیین شد و یک لوله گاز- بالابر و بافل آویزان مخروطی به طرح هاضم اضافه شد. سرعت‌های مختلف گاز ورودی برای بهینه‌سازی اختلاط در هاضم مورد بررسی قرار گرفت و شاخص‌های ارزیابی مانند سرعت ذرات لجن، گرادیان سرعت ذرات لجن، انرژی جنبشی تلاطم و ویسکوزیته گردابی ذرات لجن مورد ارزیابی قرار گرفت. سرعت بهینه گاز ورودی 0.3 ms^-1 تعیین شد. نتایج شبیه‌سازی با استفاده از روش سرعت‌سنجی تصویری ذرات (PIV) تایید شد و درصد همبستگی کافی بین کانتورهای CFD و PIV وجود داشت (98.8% در محل اتصال دیواره به کف هاضم). نتایج نشان داد که مدل مورداستفاده برای شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و تأیید فرآیند شبیه‌سازی موفق بوده است و می‌توان آن را برای هاضم‌های بی‌هوازی گاز- بالابر استوانه‌ای شکل با نسبت ارتفاع به قطر 1.5، نسبت قطر لوله گاز- بالابر به قطر هاضم 0.2، نسبت ارتفاع لوله گاز- بالابر به ارتفاع سیال 0.75، فاصله بافل آویزان مخروطی از سطح سیال 0.125 برابر ارتفاع سیال و قطر بیرونی بافل به قطر هاضم 2/3 توصیه کرد.

کلیدواژه‌ها

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)؛ سرعت‌سنجی تصویر ذرات (PIV)؛ شبیه‌سازی؛ هضم

مراجع

1. ANSYS-Fluent Inc. (2008). Fluent 12.0. ANSYS-Fluent Inc, Lebanon, N.H.
2. Baveli Bahmaei, D., Ajabshirchi, Y., Abdollah poor, Sh., & Abdanan Mehdizadeh, S. (2022). Step-by-step Simulation of Gas-lift Anaerobic Digester of Municipal Wastewater Sludge. Iranian Journal of Biosystem Engineering, 53(1), 91-108. (In Persian). https://doi.org/10.22059/ijbse.2022.328388.665428
3. Celik, I. B., Ghia, U., Roache, P. J., Freitas, C. J., Coleman, H., & Raad, P. E. (2008). Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. Journal of Fluids Engineering, 130, 078001. https://doi.org/10.1115/1.2960953
4. Dapelo, D., Alberini, F., & Bridgeman, J. (2015). Euler-Lagrange CFD modeling of unconfined gas mixing in anaerobic digestion. Water Researches, 85, 497-511. https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.08.042
5. Dapelo, D., & Bridgeman, J. (2018). Euler-Lagrange Computational Fluid Dynamics simulation of a full-scale unconfined anaerobic digester for wastewater sludge treatment. Advances in Engineering Software, 117, 153-169. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2017.08.009
6. Dawkins, M. S., Cain, R., & Roberts, S. J. (2012). Optical flow, flock behavior and chicken welfare. Animal Behavior, 84(1), 219-223. https://doi.org/10.1016/j.anbehav.2012.04.036
7. Hu, Y., Zhang, Sh., Wang, X., Peng, X., Hu, F., Wang, Ch., Wu, J., Poncin, S., & Li, H. Z. (2021). Visualization of mass transfer in mixing processes in high solid anaerobic digestion using Laser Induced Fluorescence (LIF) technique. Waste Management, 127, 121-129. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.04.038
8. Karim, Kh., Varma, R., Vesvikar, M., & Al-Dahhan, M. H. (2004). Flow pattern visualization of a simulated digester. Water Research, 38(17), 3659-3670. https://doi.org/10.1016/j.watres.2004.06.009
9. Karim, Kh., Klasson, K. T., Hoffmann, R., Drescher, S. R., DePaoli, D. W., & Al-Dahhan, M. H. (2005). Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mixing. Bioresource Technology, 96(14), 1607-1612. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.12.021
10. Karim, K., Thoma, G. J., & Al-Dahhan, M. H. (2007). Gas-lift digester configuration effects on mixing effectiveness. Water Researches, 41(14), 3051-3060. https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.03.042
11. McFarland, M. J. (2001). Biosolids Engineering. McGraw-Hill Education, New York.
12. Menter, F. R. (1993). Zonal Two Equation k-cl, Turbulence Models for Aerodynamic Flows. 24th Fluid Dynamics Conference. Orlando, Florida.
13. Meynell, P. J. (1976). Methane: Planning a Digester. London: Prism Press: 55-57.
14. Raffel, M., Willert, C. E., & Kompenhans, J. (1998). Paeticle Image Velocimetry, A Practical Guide. Springer Verlage, first edition.
15. Sawyer, C. N., & Grumbling, A. M. (1960). Fundamental consideration in high-rate digestion. Inc. Sewage Engineering Division. ASCE, 86-92.
16. Stukenberg, J. R., Clark, J. H., Sandino, J., & Naydo, W. R. (1992). Egg-shaped digesters: from Germany to the U.S. Water Environment Technology, 4, 42-51.
17. U. EPA. (1979). Process design manual for sludge treatment and disposal, Center for environmental research in formation technology transfer. pp.
18. Varma, R., & Al-Dahhan, M. H. (2007). Effect of sparger design on hydrodynamics of a gas recirculation anaerobic bioreactor. Biotechnology Bioengineering, 98(6), 1146-1160. https://doi.org/10.1002/bit.21500
19. Vesvikar, M. S., & Al-Dahhan, M. (2016). Hydrodynamics investigation of laboratory-scale Internal Gas-lift loop anaerobic digester using non-invasive CAPRT technique. Biomass and Bioenergy, 84, 98-106. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2015.11.014
20. Wei, P., Uijttewaal, W., Spanjers, H., Lier, J. B., & Kreuk, M. (2023). Optimising flow and mixing in a full-scale gas-mixed anaerobic digester by integrating sludge rheological data using computational fluid dynamics. Chemical Engineering Journal, 468. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143647
21. Wu, B. (2010). CFD simulation of gas and non-Newtonian fluid two-phase flow in anaerobic digesters. Water Research, 44(13), 3861-3874. https://doi.org/10.1016/j.watres.2010.04.043
22. Wu, B. (2014). CFD simulation of gas mixing in anaerobic digesters. Computers and Electronics in Agriculture, 109, 278-286. https://doi.org/10.1016/j.compag.2014.10.007
23. Yang, J., Yang, Y., Ji, X., Chen, Y., Guo, J., & Fang, F. (2015). Three-Dimensional Modeling of Hydrodynamics and Biokinetics in EGSB Reactor. Journal of Chemistry. https://doi.org/10.1155/2015/635281