SUPERVISOR
Milad Aminzadeh,Masood Taherioun,Mohammad-Reza Chamani
میلاد امین زاده (استاد مشاور) مسعود طاهریون (استاد راهنما) محمدرضا چمنی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyed Mohsen Seyed Sharifi
سیدمحسن سیدشریفی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Numerical simulation and experimental study of oxygen transfer in diffused aeration systems
Aeration is an important step in water and wastewater treatment processes, in which, microorganisms break down soluble and insoluble organic constituents and produce biomass. The excess biomass (sludge) produced each day is processed and removed and the treated effluent discharged out of the plant. Because of the low solubility of oxygen and the consequent low rate of oxygen transfer, required oxygen for the aerobic treatment does not enter the basin through normal surface air-liquid interface highlighting the need for aeration systems. Diffused aerators have been extensively developed and used since 1980s due to several advantages, most importantly high oxygenation performance. However, aeration process can account for up to 70% of total energy consumption of a wastewater treatment plant. Therefore, the proper design of aeration systems and optimizing oxygen transfer can reduce energy consumption and operation costs as well as guarantee a reliable and efficient treatment. Oxygen transfer efficiency depends on many geometric and dynamic factors such as geometry of the tank and diffusers, inlet air flow rate and bubble diameter. There are numerous empirical studies that predict the oxygen transfer process often with focusing on a certain number of parameters, while investigations show that effective parameters must be considered concurrently. Accordingly, conceptual design and process control of the aeration systems are still based on general empirical guidelines and operators' experience. With the development and expansion of the computational fluid dynamics tools (CFD), study of bubbly flows and oxygen mass transfer has become more convenient and accurate. However, due to over-simplifications and some restrictions in modeling of bubbles and their behavior in some studies, they look inadequate and incomplete. The current research is aimed at studying the effects of all parameters affecting oxygen transfer and thus proposing a correlation to predict oxygen transfer and design diffused aeration systems. In this research, the main objective of using CFD is to provide a comprehensive and accurate means for modeling bubble generation and dispersion based on a robust population balance model and modeling oxygen mass transfer based on the standard two-phase mass transfer model known as two-film theory. Governing parameters in the oxygen transfer process were determined. We then used dimensional analysis to introduce dimensional groups. Afterwards, the laboratory observations and numerical results were analyzed based on image processing to obtain various flow and concentration contours. The contours of dissolved oxygen concentration indicated that the DO concentration is lower at the bottom of the tank. Accordingly, the effect of each parameter on oxygen mass transfer was measured and evaluated. The results revealed that increase in the air flow rate, diffuser submergence depth and diffuser diameter have positive effects on oxygen transfer coefficient. On the other side, decreasing the tank width and bubble diameter significantly increase oxygen transfer coefficient. Finally, obtained experimental and numerical data were fitted to reach a correlation predicting the oxygen mass transfer coefficient. The obtained correlation was evaluated by the measured experimental and numerical data. The correlation coefficient was calculated as 0.96 and most data were within the error range of ±20%. The proposed equation offers a practical means to design the diffused aeration systems and optimize the oxygen transfer. Keywords : Aeration; Oxygen transfer; Wastewater treatment; Diffuser aerator; Bubble
هوادهی نقشی اساسی در تصفیهی بیولوژیکی و فیزیکی آب و فاضلاب ایفا میکند. در این فرآیند میکروارگانیزمها با مصرف اکسیژن، ترکیبات آلی محلول و نامحلول در فاضلاب را به جرم سلولی (بیومس) تبدیل میکنند. جرم سلولی مازاد تولیدشده، از پساب تصفیهشده جدا شده و پساب تصفیهشده به خارج از تصفیهخانه تخلیه میشود. اکسیژن جزء گازهای کممحلول در آب است و به دلیل نرخ اندک انتقال جرم آن، اکسیژن انتقال یافته از سطح مشترک طبیعی آب و هوا کافی نبوده و برای جوابگویی به نیازهای تصفیهی هوازی فاضلاب، بایستی فرآیند هوادهی انجام شود. هوادههای دیفیوزری به دلیل مزایای متعددی منجمله عملکرد بالای اکسیژنرسانی، از دههی 1980 بهبعد توسعه و استفاده گستردهای یافتهاست. با این وجود، فرآیند هوادهی بسیار هزینهبر بوده، به گونهای که بیش از 70% انرژی موردنیاز واحد تصفیهخانه در این فرآیند مصرف میشود. بههمین دلیل طراحی مطلوب و صحیح سیستمهای هوادهی و بهینهسازی انتقال اکسیژن، برای بهبود بهرهوری انرژی و کاهش هزینهها بسیار با اهمیت است. راندمان انتقال اکسیژن بستگی به فاکتورهای هندسی و دینامیکی متعددی همچون ابعاد و هندسه مخزن و دیفیوزر، دبی هوای ورودی و قطر حباب دارد. علیرغم وجود مطالعات تجربی متعدد در زمینه پیشبینی کیفیت انتقال اکسیژن، و باتوجه به اینکه در این مطالعات تعداد مشخصی از پارامترها مطالعه و بررسی شدهاند، این نیاز احساس میشود که تا حدامکان تمامی پارامترهای اثرگذار باهم بررسی و مطالعه شوند. بههمین دلیل طراحی بهینه و مفهومی سیستمهای هوادهی دیفیوزری هنوز هم براساس مطالعات محدود، دستورالعملهای کلی و تجربی اپراتورها و پیمانکاران انجام میشود. با پیشرفت نرمافزارهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، و افزایش قدرت پردازش رایانهها، مطالعهی جریانهای حبابی و انتقال جرم اکسیژن امکانپذیر شده است. اما در مطالعات معدودی که در این زمینه انجام شده، بهدلیل محدودیتها و سادهسازیهای بیش از اندازه در مدلسازی تولید حبابها و شبیهسازی رفتار آنها، مدلسازیهای مذکور دارای دقت و صحت کافی نیستند. در پژوهش پیشرو هدف اصلی مطالعه و بررسی اثر تمامی پارامترهای اثرگذار بر انتقال اکسیژن و ارائهی یک رابطهی بیبعد برای پیشبینی انتقال اکسیژن و طراحی سیستمهای هوادهی دیفیوزری است. در این پژوهش هدف اصلی از شبیهسازی عددی ارائهی یک مدلسازی دقیق و جامع برای تولید و پراکندگی حبابها براساس مدل قدرتمند موازنهی جمعیت (Population balance)، و مدلسازی انتقال جرم اکسیژن براساس مدل انتقال جرم دوفازی استاندارد تئوری دو لایهی مقاوم است. در این مطالعه ابتدا پارامترهای هندسی و دینامیکی اثرگذار بر انتقال جرم اکسیژن تعیینشده و با استفاده از آنالیز ابعادی این پارامترها به یکدیگر مرتبطشده و گروههای بیبعد محاسبه شدند. در مرحلهی بعد، مشاهدات آزمایشگاهی با استفاده از پردازش تصویر و مشاهدات عددی با استخراج کانتورهای مختلف شرح دادهشدند. کانتورهای غلظت اکسیژن محلول نشاندهندهی کمتر بودن غلظت اکسیژن در کف مخزن و بیشتر بودن میزان آن در بالای مخزن است. در ادامه اثر هریک از متغیرهای تعیینکننده بر انتقال اکسیژن، اندازهگیری و ارزیابی شدند که نتایج بهدست آمده نشاندهندهی اثرات مثبت افزایش دبی هوا، عمق قرارگیری دیفیوزر و قطر دیفیوزر بر ضریب انتقال اکسیژن است، از سوی دیگر کاهش عرض مخزن و قطر حباب تاثیر بسیار قابلتوجهای بر افزایش ضریب انتقال اکسیژن داشتند. درنهایت از دادههای آزمایشگاهی و عددی بهدست آمده برای برازش یک رابطهی بیبعد مناسب برای پیشبینی انتقال جرم اکسیژن استفاده شد. پس از استخراج رابطهی نهایی دقت آن با دادههای اندازهگیری شدهی آزمایشگاهی و عددی سنجیدهشد، که نشاندهندهی دقت مناسب رابطهی پیشنهادی است. برای این رابطه ضریب همبستگی 96/0 محاسبهشده و اکثر دادهها در محدودهی خطای 20%± قرار گرفتند. از رابطهی پیشنهادی ارائهشده میتوان برای طراحی بهینه سیستمهای هوادهی دیفیوزری و بهینهسازی انتقال اکسیژن استفاده کرد. کلمات کلیدی: هوادهی، انتقال اکسیژن، تصفیهی فاضلاب، دیفیوزر، حباب