مدل‌سازی راکتور لجن گرانولی هوازی برای بررسی اثر اکسیژن و بار ورودی بر حذف همزمان COD، نیتروژن و فسفر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده

در دهه اخیر، راکتور با گرانول‌های هوازی به‌عنوان یک فناوری جدید برای حذف آلاینده‌ها از فاضلاب، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. در این پژوهش برای توصیف کارایی راکتور حاوی گرانول‌های هوازی با بچ‌های متوالی، برای حذف همزمان COD، نیتروژن و فسفر، یک مدل ریاضی ارائه و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. یک راکتور آزمایشگاهی با حجم کاری سه لیتر به‌صورت بچ‌های متوالی برای حذف آلاینده‌ها مورد بهره‌برداری قرار گرفت. همچنین یک مدل با استفاده از نرم‌افزار آکواسیم ارائه و برای بررسی ساختار میکربی و نیز کارایی سیستم، در غلظت‌های مختلف اکسیژن و بارهای ورودی مختلف COD، نیتروژن و فسفر به‌کار گرفته شد. نتایج مدل نشان داد که بخش عمده‌ای از گرانول‌ها، از میکروارگانیسم‌های ذخیره‌کننده فسفات تشکیل شده‌اند. در حالی که میزان اکسیژن، بر حذف COD و فسفر تأثیری ندارد ولی حذف نیتروژن، کاملاً به میزان اکسیژن وابسته است. حذف بیش از 98 درصد نیتروژن، در محدوده 40 تا  45 درصد غلظت اشباع اکسیژن در مدل و 35 درصد در راکتور آزمایشگاهی به‌دست آمد. نتایج مدل و آزمایش تجربی حذف نیتروژن و فسفر در بارهای مختلف ورودی آلاینده‌ها، تطابق خوبی را نشان داد. نتایج حاصل از مدل در غلظت‌های مختلف اکسیژن و بارهای مختلف ورودی COD، نیتروژن و فسفر تطابق کیفی مناسبی را با نتایج آزمایشگاهی نشان داد. به‌دلیل پیچیده بودن سیستم گرانول‌های هوازی و طولانی بودن انجام آزمایش‌های تجربی، مدل پیشنهادی به‌خوبی می‌تواند برای توصیف کیفی فرایندهای پیچیده در سیستم گرانول‌های هوازی به‌کار برده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Maryam Hosseini
  • Younes Beygi Khosrowshahi
  • Samira Agbolaghi
Assist. Prof., Dept. of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده [English]

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 a good agreement. Therefore, the model can be used for process understanding and optimization of this complex system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • COD removal
  • Nitrogen Removal
  • Phosphorus Removal
  • Aerobic Granules
  • Modeling
  • Sequencing Batch Reactor

Beun, J. J., Heijnen, J. J. & van Loosdrecht, M. C. M. 2001. N-Removal in a granular sludge sequencing batch airlift reactor. Biotechnology and Bioengineering, 75, 82-92.

Clesceri, L. S. 2005. Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association (APHA), Washington, DC, USA.

De Kreuk, M. K., Heijnen, J. J. & van Loosdrecht, M. C. M. 2005. Simultaneous COD, nitrogen, and phosphate removal by aerobic granular sludge. Biotechnology and Bioengineering, 90, 761-769.

De Kreuk, M. K., Picioreanu, C., Hosseini, M., Xavier, J. B. & van Loosdrecht, M. C. M. 2007. Kinetic model of a granular sludge SBR: influences on nutrient removal. Biotechnoloy and Bioengineering, 97, 801-815.

Furumai, H. & Rittmann, B. E. 1994. Interpretation of bacterial activities in nitrification filters by a biofilm model considering the kinetics of soluble microbial products. Water Science and Technology, 30, 147-156.

Hao, X., van Loosdrecht, M. C. M. & Heijnen, J. J. 2001. Model-based evaluation of denitrifying P removal in a two-sludge system. Journal of Environmental Engineering, 127, 112-118.

Mijer, S. C. F. 2004. Theoretical and practical aspects of modelling activated sludge processes. PhD Thesis, Delft Technical University, Netherlands.

Morgenroth, E. & Wilderer, P. A. 1998. Modelling of enhanced biological phosphorus removal in a sequencing batch biofilm reactor. Water Science and Technology, 37, 583-587.

Reichert, P. 1995. Design techniques of a computer program for the identification of processes and the simulation of water quality in aquatic systems. Environmental Software, 10, 199-210.

Van Loosdrecht, M. C. M., Eikelboom, D., Gjaltema, A., Mulder, A., Tijhuis, L. & Heijnen, J. J. 1995. Biofilm structure. Water Science and Technology, 32, 35-43.

Wiesmann, U. 1994. Biological nitrogen removal from wastewater. Advanced in Biochemical Engineering-Biotechnology, 51, 113-154.

Zhang, T. C. & Bishop, P. L. 1994. Experimental determination of the dissolved oxygen boundry layer and masss transfer resistance near the fluid biofilm interface. Water Science and Technology, 30, 47-58.