بهینه سازی عملکرد بیوفیلتر جذب کننده سولفید هیدروژن از گاز دفنگاه

پایان ­نامه کارشناسی ارشد

عنوان پایان­نامه:

بهینه سازی عملکرد بیوفیلتر جذب کننده سولفید هیدروژن از گاز دفنگاه

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 146  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

فهرست مطالب

عنوان                                           صفحه

فصل اول

مقدمه…………………………………… 2

1-1-اهمیت موضوع و لزوم انجام مطالعه……… 3

1-2-اهداف……………………………… 5

1-3-نوآوری پایان نامه…………………… 5

فصل دوم

کلیات و تئوری…………………………… 7                                                              

2-1- تاریخچه لندفیل…………………….. 7

2-2- لندفیل های جدید…………………… 11

2-3- ساختار لندفیل…………………….. 14

2-4- بیوگاز لندفیل…………………….. 16

2-5- استفاده از گاز لندفیل……………… 17

2-5-1- روش های فیزیکی-شیمیائی…………. 23

2-5-2- روش های بیولوژیکی……………… 23

2-5-3- اصول روش تصفیه با بیوفیلتر……… 26

2-6- تصفیه گاز لندفیل………………….. 33

2-7- بررسی مدل­های بیوفیلتر……………… 33

2-7-1- شرح تئوری مدل Ottengraf…………… 34

2-7-2- شرح تئوری مدل Zarook……………. 38

2-7-3- بررسی مدل Hodge ……………….. 39

2-7-4- بررسی مدل Li…………………… 42

2-7-5- تئوری و آنالیز مدل Deshusses …….. 45

2-7-6- پارامترهای طراحی………………. 49

فصل سوم

پیشینه تحقیق……………………………. 54            ……………………………………………

3-1- مروری بر پژوهش های انجام شده……….. 54            …………………………………………..

فصل چهارم

مواد و روش کار………………………….. 67            ……………………………………………              ………………………………………..

4-1- مواد و روش­های اندازه­گیری…………… 67            ………………………………………              ………………………………………

4-1-1- روش‌های اندازه‌گیری……………… 82

4-2- روش انجام آزمایش………………….. 83            …………………………………………..

فصل پنجم

نتایج و بحث…………………………….. 85

فصل ششم

نتیجه گیری و پیشنهادات………………….. 104

6-1- نتیجه گیری……………………….. 104

6-2- پیشنهادات………………………… 105

منابع ………………………………… 106             …………………………………………………           …………………………………………….

فهرست شکل­ها

عنوان                                                            صفحه

شکل 2-1- تولید بیوگاز متان در لندفیل………. 12

شکل 2-2- انتقال بیوگاز لندفیل به نیروگاه و تولید برق    14

شکل 2-3- نمونه ای از ساختار بیوفیلتر ساده … 26

شکل 2-4- شماتیک مفهوم مدل بیوفیلم در یک مقطع عرضی در طول ستون بیوفیلتر……………………………….. 35

شکل 2-5- مدل بیوفیزیکی برای بیوفیلتر………. 39

شکل 2-6- ساختار کلی مدل برای موازنه جرم ….. 46

شکل 2-7- توضیح شماتیک مدل برای یک بخش ستون .. 46

شکل 4-1- رشد باکتری در محیط کشت مایع………. 70

شکل 4-2- کلنی های باکتری در محیط کشت جامد…. 72

شکل 4-3- کمپرسور استفاده شده……………… 75

شکل 4-4- بیوفیلتر استفاده شده…………….. 76

شکل 4-5- سکوی سیمانی ساخته شده……………. 77

شکل 4-6- نصب اتاقک فلزی………………….. 77

شکل 4-7- اتاقک فلزی نصب شده ……………… 78

شکل 4-8- استقرار بیوفیلتر در داخل اتاقک فلزی 78

شکل 4-9- خروجی بیوگاز از چاه (شیر سمت راست) و اتصال به شبکه (شیر میانی)…………………………………. 79

شکل 4-10- اتصال خروجی بیوگاز از چاه به کمپرسور 79

شکل 4-11- اتصال پمپ آب از طریق شیر تنظیم به ستون    80

شکل 4-12- پمپ آب استفاده شده جهت چرخش آب درون ستون 80

شکل 4-13- لوله تخلیه شیرابه از درون چاه ….. 81

شکل 14-4- ثبت غلظت سولفید هیدروژن ستون با دستگاه سنسور 81

شکل 4-15- سنسور گاز سولفید هیدروژن……….. 82

شکل 4-16- pH متر ……………………….. 83

شکل 5-1- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن خروجی ستون بیوفیلتر بر حسب دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250………………………… 87

شکل 5-2- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن خروجی ستون بیوفیلتر بر حسب دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350………………………… 89

شکل 5-3- تغییرات ظرفیت حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250………………………… 90

شکل 5-4- تغییرات ظرفیت حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350………………………… 91

شکل 5-5- تغییرات راندمان حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 92

شکل 5-6- تغییرات راندمان حذف بر حسب بار جرمی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 93

شکل 5-7- تغییرات راندمان حذف بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 94

شکل 5-8- تغییرات راندمان حذف بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 95

شکل 5-9- تغییرات راندمان حذف بر حسب دبی ورودی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 96

شکل 5-10- تغییرات راندمان حذف بر حسب دبی ورودی با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 97

شکل 5-11- تغییرات غلظت خروجی بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 250…………………. 98

شکل 5-12- تغییرات غلظت خروجی بر حسب زمان ماند با غلظت سولفید هیدروژن ورودی حدودppm 350…………………. 99

شکل 5-13- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 1 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان………………. 99

شکل 5-14- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 2 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان……………… 100

شکل 5-15- تغییرات غلظت سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی 3 لیتر بر دقیقه بر حسب زمان……………… 101

شکل 5-16- تغییرات راندمان حذف سولفید هیدروژن ستون بیوفیلتر با دبی ورودی متفاوت بر حسب لیتر بر دقیقه…….. 102

فهرست جدول­ها

عنوان                                           صفحه

جدول 2-1- نمونه­ای از ترکیب گاز دفنگاه……… 15

جدول 2-2- مشخصات سه سیستم بیولوژیکی……….. 24

جدول 2-3- نمونه­ای از بسترهای استفاده شده در بیوفیلتراسیون گازها………………………………………. 29

جدول 2-4 خصوصیات مهم برخی از باکتری‌ها که در تجزیه سولفید هیدروژن و دیگر ترکیبات گوگرددار استفاده شده‌اند 32

جدول 2-5- پارامترهای عملیاتی بیوفیلتر……… 52

جدول 4-1- محیط کشت استفاده شده برای باکتری Thiobacillus thioparus  69

جدول 5-1- ترکیب گاز دفنگاه شهر شیراز در منطقه برمشور    85

جدول 5-2- ترکیب ورمی­کمپوست بر اساس گزارش آزمایشگاه  86

فهرست نشانه­های اختصاری

ضریب نفوذ مؤثر

ضخامت لایه بیولوژیکی

k          ثابت سرعت واکنش درجه صفر

عدد Thiele

مختصه بی­بعد طول

m         ضریب تقسیم

h          ارتفاع بستر بیوفیلتر

سطح لایه بیولوژیکی

سرعت ظاهری گاز

غلظت آلاینده در فاز گاز

غلظت آلاینده در فاز بیوفیلم

ماکزیمم سرعت رشد ویژه

ثابت سینتیکی

غلظت اکسیژن در بیوفیلم

ضریب پراکندگی

V    سرعت درون شبکه­ای محوری

تخلخل ماده فیلتر

ثابت سرعت بیولوژیکی

جرم دی­اکسید کربن به جرم سوبسترا

L    طول بیوفیلتر

متوسط غلظت ورودی آلاینده

H    ثابت هنری

ضریب انتقال فیلم گاز-بیوفیلم

سطح نفوذ مؤثر به ازای واحد حجم بستر

زمان اقامت

تخلخل بستر بیوفیلتر

R    شعاع متوسط ماده پکینگ بیوفیلتر

قابلیت نفوذ در فاز بیوفیلم

G    دبی کل گاز

W    تعداد کل لایه­ها

J    شار نفوذ

سرعت تجزیه بیولوژیکی

N    تعداد کل زیربخش­های بیوفیلم

ثابت بازدارندگی

EC   ظرفیت حذف

فصل اول

مقدمه

مهمترین هدف از تشکیل حوزه های دفن زباله شهری و جمع آوری بیوگاز تولیدی آنها، جلوگیری از تصاعد ‏گازهای گلخانه ای مانند متان و نیز استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجود در بیوگاز آن می باشد. ‏امروزه در اغلب کشورهای جهان، دفن زباله به علت ارزان بودن، نسبت به دیگر روشهای موجود مانند سوزاندن ‏زباله و یا تبدیل آن به کود و غیره، ترجیح داده می شود . اما در گذشته مقررات خاصی در مورد مکان دفن زباله ها ‏وضع نشده بود و لندفیل ها مکانهایی بدبو و بدون پوشش بودند که معضلات زیست محیطی فراوانی ایجاد می ‏کردند. با رشد آگاهی نسبت ‏به تأثیر سوء لندفیل های غیرمهندسی بر روی محیط زیست و وضع قوانین و مقررات خاص، دفن در گودال ‏های بدون پوشش را رها شده و به تشکیل لندفیل های مهندسی با رعایت قوانین و مقررات محیط زیست پرداخته ‏شده است.

لندفیل مهمترین روش برای دفع پسماند جامد شهری است که در مورد بیش از 80% از مقدار کل پسماندها در چین به کار می‌رود. بوهای نامطبوع در لندفیل عمدتاً توسط ترکیبات گازی خروجی از لندفیل که در طول فعالیت‌های شیمیایی و فیزیکی برای تجزیه مواد زائد ایجاد می‌شوند مانند سولفید هیدروژن H₂S، متیل مرکپتانز و متیل سولفید و یکی از موارد عمده شکایات توسط افراد ساکن در اطراف لندفیل است. بیش از 100 ترکیب به عنوان منابع اصلی ایجاد بوی نامطبوع در لندفیل شناخته شده است. H₂S بعنوان عامل اصلی در ایجاد بوی نامطبوع در لندفیل در غلظت‌های کمتر‌ از 1% در لندفیل‌ها موجود است. سولفید هیدروژن نه تنها باعث رنجش مردم می‌گردد، بلکه در غلظت‌هایی حدود ppm200-100 موجب مرگ می‌گردد. تکنولوژی‌های مختلفی برای کاهش H₂S خروجی توسعه داده شده است که شامل جذب توسط کربن فعال اکسیداسیون به وسیله ازن، بیوفیلترها و لجن فعال است (1).

1-1- اهمیت موضوع و لزوم انجام مطالعه

مشکل انرژی امروزه یکی از مشکلات اساسی تمامی کشورهای جهان بخصوص کشورهای در حال توسعه می ‏باشد. سوخت رسانی به روستاهای دور افتاده حتی در کشوری مانند ایران که منابع غنی انرژی را در اختیار دارد ‏بسیار مشکل و هزینه بر می باشد. استفاده از انرژی های تجدید پذیر و محلی یکی از راه حلهایی می باشد که ‏امروزه پیشنهاد می گردد. بیوگاز یکی از این انرژی های تجدید پذیر می باشد که علاوه بر تولید انرژی باعث ایجاد ‏کودهای کشاورزی و افزایش سطح بهداشت عمومی جامعه و کنترل بیماریها می شود و یک راه حل مناسب برای ‏دفع مواد زائد جامد می باشد. فاضلاب و مواد زائد جامدی که توسط صنایع و جوامع تولید می گردد باعث آلودگی ‏شدید محیط می شود که می توان با استحصال بیوگاز خطرات ناشی از این مواد را به شدت کاهش داد و از انژی و ‏کود تولیدی نیز استفاده نمود. استحصال بیوگاز را می توان از فرایند های بی هوازی تصفیه فاضلاب‏ ‏و همچنین از محل های دفن زباله نیز انجام داد و بخشی از هزینه های مصرفی را جبران نمود. بطور مثال یکی از ‏مشکلاتی که دامداریها با آن دست به گریبان هستند، کنترل فضوات دامها برای کاهش میزان بو و فرآورده هایی می ‏باشد که باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی می گردد. بیوگاز می تواند ما را در مواجهه با این مشکلات یاری ‏دهد. منافع زیست محیطی سیستمهای بیوگاز فراتر از سیستمهای تصفیه مرسومی است که تاکنون مورد استفاده ‏قرار می گرفتند (همانند مخازن ذخیره ، برکه ها ولاگون ها). این منافع زیست محیطی شامل کنترل بو، بهبود ‏کیفیت آب و هوا، بهبــود ارزش غذایی کــود تولیدی، کاهش میزان انتشار گازهای گلخــانه ای و دست یابی به ‏بیوگاز به عنوان یک منبع انرژی می باشد (2و3).

سیستمهای بیوگاز از فرآیندی که هضم بی هوازی نامیده می شود ، استفاده می نمایند. در طی فرآیند هضم بی هوازی باکتریها کود را در یک محیط خالی از اکسیژن تجزیه ‏می نمایند . یکی از فرآورده های طبیعی هضم بی هوازی تولید بیوگاز می باشد که این گاز به طور معمول حاوی ‏‏60 تا 70 درصد گاز متان و 30 تا 40 درصد گاز دی اکسیدکربن می باشد. مقداری از گازهای دیگر نیز مانند سولفید هیدروژن در ‏بیوگاز شناسایی شده اند. ‎بیوگاز حاصله می تواند برای تولید حرارت، آب گرم، الکتریسیته (با قیمت ارزان تر) از سایر سوختهایی همانند ‏گاز طبیعی، پروپان و نفت سیاه به کار رود، حتی در صورت عملی نبودن بازیابی انرژی بیوگاز این سیستم در ‏کنترل بو به شدت مؤثر می باشد . سوزاندن و یا استفاده از بیوگاز می تواند باعث کاهش اثرات سوختهای فسیلی ‏مرسوم می گردد. تولیـد متان از هاضم های بی هوازی باعث ایجاد شرکتهای تعاونی تولید برق روستایی می شود ‏که منبع انرژی آنها دوستار طبیعت می باشد. این شرکت ها برق تولیدی خود را به افرادی که متقاضی برق تولید ‏شده با منابع تجدیدپذیر هستند می فروشند. بیوگاز همچنین می تواند به عنوان یک منبع انرژی روستایی برای ‏کمک در برق تولید و توزیع شده توسط سایر روشهای تولید برق مفید باشد.‏ به علت کاهش اتلاف نیتروژن در تجزیه بی هوازی کود تولیدی در فرآیند بیوگاز دارای ارزش بالایی از لحاظ ‏نیتروژن برای پرورش گیاهان می باشد. در کود حاصل از بیوگاز به علت عدم انجام فرایند نیتریفیکاسیون که تنها در ‏حضور اکسیژن به مقدار کافی انجام می شود نیتروژن به صورت یون امونیوم در کود وجود دارد که که جذب آن ‏برای گیاه ساده تر می باشد. پیش از انقلاب صنعتی، زباله­ها عمدتاً شامل خاکستر، چوب، استخوان، لاشه حیوانات و ضایعات سبزیجات بود. این مواد در خاک دفن می­شدند و به عنوان کمپوست[1] عمل کرده و به تقویت خاک کمک می­کرده­اند. در گذشته هر آنچه که قابل استفاده مجدد بوده به کار گرفته می­شد، جمعیت انسان­ها کم بود و مردم در گروه­های متمرکز کوچک زندگی می­کرده­اند، بنابراین تولید زباله مسئله مهمی محسوب نمی­شد ولی با تحول زندگی انسان­ها از دوره­ی چادرنشینی به زندگی کشاورزی رها کردن زباله­ها در محیط زندگی انسان تبدیل به مشکلی در حال رشد شد. بنابراین با افزایش جمعیت شهرها فضای کافی برای دفع زباله­ها کاهش یافت و جوامع به فکر توسعه سیستم­های دفع ضایعات افتادند. بدین ترتیب دفنگاه[2] که ساختاری با طراحی دقیق، در زیر زمین یا روی خاک، برای جداسازی زباله و ضایعات از محیط اطراف می­باشد، ساخته شد (4).

بهمراه تعداد رفرنس بالا

و......