SUPERVISOR
Hamed Zilouei
حمید زیلوئی (استاد راهنما)
STUDENT
Behzad Kamiab
بهزاد کامیاب
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Investigation of Anaerobic Digestion of Potato Leachate in Two-Stage Mixed-UASB System
Developing processes of alternative energy for fossil fuel is increasing interest because of both environmental and economical aspects. Increasing price of fossil-based products together with increasing of environmental pollution are potentials for increasing interest for sustainable and renewable energy sources. Among the renewable energy technologies such as waterfall, solar, wind, and so on, biogas production from organic matter present in industrial wastes has had growing attention during last decades. Biogas is mainly composed of methane and carbon dioxide produced as a result of synergistic interaction of bacterial community so called anaerobic digestion. Anaerobic digestion involves the degradation and stabilization of degradable organic materials under anaerobic conditions by different bacterial groups including acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis bacteria, which lead to the formation of biogas and microbial biomass. High straight wastewaters from food, dairy, and beverage industries as well as agricultural wastes are good options for this purpose. Anaerobic digesters often exhibit significant stability problems that may be avoided only through appropriate control strategies. Such strategies require, in general, the development of appropriate mathematical models, which adequately portray the key processes that take place. In this research, modeling and simulation of a two stage system for anaerobic digestion of potato leachate was performed. In order to perform the anaerobic digestion under optimum conditions, hydrolysis and acidogenesis steps were performed in a mixed reactor followed by methanogenesis in a UASB reactor. Known amount of sliced potato was placed in a first reactor and after hydrolysis and acidogenesis activities, flow rate containing acetate was transferred to second reactor which methane and carbon dioxide were produced under methanogenesis activity. Both reactors were operated under mesophilic temperature at 37 °C. There were assumed that both mixed and UASB reactors were completely mixed and no methane was produced in the first reactor. The influence of hydraulic retention time and inlet concentration of wastewater on the response parameters of COD removal efficiency, methane production efficiency, concentration of volatile fatty acids leaving the first reactor, and concentration of acetate leaving the second reactor were predicted and compared with experimental data. By increasing the hydraulic retention time up to 4 days, removal efficiency of COD was increasing up to 80.65%, while removal efficiency of COD was constant at hydraulic retention times more than 14 days. Yield of methane production was decreased by increasing hydraulic retention time. These results have been observed in experimental data when system has been stabilized with respect to hydraulic retention time after 17 days. At hydraulic retention times less than 17 days, the concentration of volatile fatty acids especially acetate was increasing in the first reactor which cause inhibitory effects on the methanogenic activity of the second reactor. This shows the importance of control of the two-stage anaerobic digestion which utilization and conversion of acetate in the first reactor is not performed. Therefore, concentration of acetate and its inhibitory effect should be monitored. After this overload, system was checked and stabilized. After this time, system was working steadily and results of model were comparable to experimental data. Keywords: Biogas, anaerobic digestion, UASB reactor, potato leachate, two-stage, mesophilic
افزایش آلودگی های حاصل از مصرف انرژی های فسیلی در کنار افزایش روزافزون هزینه سوخت های فسیلی، استفاده ازچرخههای غیر آلاینده را امری حیاتی و اجتناب ناپذیرکرده که سبب توسعه و جایگزینی انرژی های تجدید پذیر شده است. مسائل زیست محیطی ونگرانی های ناشی از مهاجرت روستائیان و رشد بی رویه شهرنشینی ، بر لزوم تغییر نظامکنونی انرژی افزوده است. بدیهی است که نظام انرژی جایگزین باید مبتنی برمنابع انرژی تجدید پذیرباشد. استفاده اززیست توده به عنوان یک منبع انرژی، نه تنها از نظر زیست محیطی، بلکه به دلایلاقتصادی، اجتماعی و هم چنین سهولت کاربرد، جذاب است.تحقیقات گسترده ای جهت تبدیل ترکیبات آلی موجود در پساب صنایع به بیو گاز و دستیابی به یک منبع تجدید پذیر انرژی در حال انجام است. پساب صنایعی چون صنایع غذایی، لبنیات و شکر حاوی ترکیبات آلی بالایی به منظور تولید بیوگاز می باشند. هضم بی هوازی یکی از روش های متداول جهت تولید بیوگاز از اینگونه پساب ها به شمار می رود. در این پروژه از ضایعات سیب زمینی حاوی ترکیبات آلی نشاسته ای در یک سیستم دو مرحله ای جهت تولید بیوگاز در مدل سازی استفاده شده است. در سیستم مورد مطالعه ضایعات سیب زمینی وارد راکتور اول شده و در آنجا طی فرآیند هیدرولیز و اسیدوژنیک به اسید استیک تبدیل می شود. اسید استیک خروجی از راکتور اولبه عنوان خوراک وارد راکتور دومشدهو در آنجا طی فرآیند متانوژنیک به متان و دی اکسید کربن تبدیل می شود. در پروژه ی حاضر، از یک مدل سینتیکی برای توجیه رفتار سیستم دو مرحله ای با استفاده از نرم افزار متلب استفاده شده است. در نوشتن معادلات برای مدل سازی، در راکتور اول تغییرات با زمان در نظر گرفته شده است در حالی که در راکتور دوم، معادلات در دو فاز جامد و مایع و در حالت پایا نوشته شده است. بمنظور یررسی و ارائه سینتیک رشد باکتریایی از معادله مونود در مدل کردن سیستم استفاده شد. در این پروژه اثر تغییر زمان ماند هیدرولیکی و تغییر غلظت پساب ورودی بر روی بازده حذف ترکیبات آلی، بازده ی تولید گاز متان، بار آلی ورودی و غلظت اسید چرب خروجی از راکتور اول و غلظت استات خروجی از راکتور دوم مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم ها در دمای مزوفیلیک مورد بررسی قرار گرفته و از اثر مقاومت واکنش در لایه ی مرزی غلظت اطراف گرانول ها صرفنظر شده است. بر طبق مدل سازی انجام شده با افزایش زمان اقامت در کل سیستم تا 40 روز راندمان حذف COD تا 80 درصد افزایش یافت. افزایشزمان اقامت تا 5 روز سبب کاهش غلظت اسید استیک خروجی از سیستم تا مقدار صفر شده و این مقدار در افزایش زمان اقامت تا 40 روز ثابت بود. همچنین مدل ارائه شده افزایش راندمان حذف CODو کاهش بازده تولید گاز متان در اثر افزایش غلظت پساب ورودی را پیش بینی کرد. نتایج و بررسی های انجام شده نشان داد که مدل سازی صورت گرفته برای سیستم دومرحله ای در شرایط دمایی مزوفیلیک قابل استفاده بوده و مقاومت انتقال جرم داخلی در گرانول ها کنترل کننده فرآیند است. کلمات کلیدی :بیوگاز،هضم بی هوازی،ضایعات سیب زمینی، مزوفیلیک، راکتور بی هوازی با بستر جریان رو به بالا، اکسیژن خواهی شیمیایی