21118

۲۱۱۱۸

شبيه سازي CFD عملكرد فرآيند اسمز مستقيم به صورت هيبريدي با وجود گرفتگي بيولوژيكي

كارشناسي ارشد

طراحي فرآيند

1395-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۴/۱۹

دكتر نوراله كثيري بيدهندي

دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين پژوهش سيستم هيبريدي FO-RO كه در آن فرآيندهاي تصفيه پساب و نمك¬زدايي به طور همزمان صورت مي¬گيرد، مورد بررسي قرار گرفته است. نقش استفاده از فاصله دهنده در هر دو فرآيند اسمز مستقيم و اسمز معكوس، در عملكرد اين سيستم مورد ارزيابي قرار گرفت. از مهم¬ترين مشكلات اين سيستم هيبريدي، گرفتگي بيولوژيكي است كه در كاهش عملكرد فرآيند نقش بسزايي دارد. خصوصا گرفتگي بيولوژيكي غشاي اسمز مستقيم كه به علت توانايي بالقوه¬¬ي محلول خوراك (پساب) و كشنده (محلول بسيار شور) مورد استفاده در اين فرآيند جهت تشكيل بيوفيلم در هر دو سمت غشا، بسيار اهميت مي¬يابد. بنابراين جهت افزايش بازده اين سيستم، تمركز اصلي بايد بر روي فرآيند اسمز مستقيم معطوف گردد. بيوفيلم تشكيل¬شده بر روي سطح غشا، در اثر تجمع ميكروارگانيسم¬ها، تكثير، توليد مواد پليمري خارج سلولي و در نهايت مرگ سلول¬ها به وجود مي¬آيد. اين لايه به عنوان مانعي براي عبور آب از غشا عمل مي¬كند. بنابراين درك فرآيندهايي كه در داخل بيوفيلم رخ مي¬دهد، جهت كنترل و حذف آن ضروري است. در اين پژوهش، يك مدل دو بعدي براساس روش المان محدود جهت شبيه¬سازي رشد سلول¬هاي زنده، توليد مواد پليمري خارج سلولي و مرگ سلول¬ها در بيوفيلم روي سطح غشا اسمز مستقيم توسعه يافت. اين مدل با در نظرگرفتن انتقال جرم نمك و ماده مغذي، به طور همزمان شار آب و نمك، حركت سلول¬هاي زنده در اثر انبساط حجمي و توليد زيست¬توده فعال را تخمين مي¬زند. با افزايش غلظت سوبستراي ورودي به كانال خوراك، از 026/0 به 6/2 mol/m3، متوسط نرخ كلي توليد جرم سلولي در دو ساعت 11/84 % افزايش، متوسط كسر حجمي سلول¬هاي مرده، مواد پليمري خارج سلولي و سلول¬هاي زنده نيز به¬ترتيب 0032/0 % افزايش و 029/0 % كاهش يافت. با بررسي عملكرد سيستم هيبريدي FO-RO با درنظر گرفتن بيوفيلم تشكيل شده در هر دو ماژول اين نتيجه حاصل شد كه بيوفيلم تشكيل¬شده روي هر دو سمت غشا اسمز مستقيم، عملكرد فرآيند را بشدت تحت تأثير قرار مي¬دهد. بنابراين استراتژي¬هاي مختلف جهت شستشوي هيدروليكي بيوفيلم غشاي اسمز مستقيم مورد ارزيابي قرار گرفت. افزايش 2 برابري سرعت جريان عرضي از مقدار ثابت 086/0 m/s، همراه با ايجاد جريان پالس با فركانس 5 و بزرگي 6/1 برابري مقدار ثابت 086/0 m/s، با كمترين كسر حجمي سلول¬هاي زنده و بيشترين سرعت فرسايش در سطح بيوفيلم به عنوان روش بهينه تميزكاري بيوفيلم روي سطح لايه فعال غشا اسمز مستقيم انتخاب گرديد. واژه‌هاي كليدي: اسمز مستقيم، سيستم هيبريدي، شبيه¬سازي، بيوفيلم، شستشوي هيدروليكي

1398/07/10

CFD simulation of the performance of Forward Osmosis process as hybrid process with the presence of biofouling

10/2/2019 12:00:00 AM

In this project, the Forward Osmosis (FO) - Reverse Osmosis (RO) hybrid system, in which wastewater treatment and desalination processes are performed simultaneously, is investigated. The role of using spacer in both FO and RO processes in the performance of this system was evaluated. One of the most important problems of this hybrid system is biofouling, which plays a significant role in reducing the process performance. Particularly, the FO membrane biofouling is very important due to the potential ability of the feed (effluent) and draw solution (very saline solution) used in this process to form biofilm on both sides of the membrane. Therefore, in order to increase the efficiency of this system, the main focus should be on the FO process. The biofilm formed on the membrane surface results from the accumulation of microorganisms, reproduction, extracellular polymeric substances (EPS) production and ultimately the death of cells. This layer acts as an obstacle to the water passing from the membrane. Consequently, understanding the processes that occur inside the biofilm is necessary to control and eliminate it. In this study, a two-dimensional model based on finite element method was developed to simulate the growth of living cells, EPS production and the death of cells in biofilm on the FO membrane surface. This model estimates the water and salt fluxes, the movement of live cells due to volume expansion and active biomass production simultaneously, considering the mass transfer of salt and nutrient. By increasing the inlet substrate concentration to the feed channel, from 0.026 to 2.6 mol/m3, the average total cell mass production rate increased by 84.11%, the average volume fraction of dead cells, EPS and live cells, 0.0032% increased and 0.029% decreased, over two hours. By examining the performance of the FO-RO hybrid system, considering the biofilm formed in both modules, it was concluded that the biofilm formed on both sides of the FO membrane greatly affects the process performance. Therefore, various strategies for hydraulic cleaning of the FO membrane biofilm were evaluated. An increase of 2 times the cross-flow velocity from the constant value of 0.086 m/s, and with the creation of the pulsed flow with a frequency of 5 and a magnitude 1.6 times the constant value of 0.086 m/s, with the lowest volume fraction of living cells and the highest erosion rate at the biofilm surface was selected as an optimal cleaning method of the biofilm on the FO membrane active layer. Keywords: Forward Osmosis, hybrid system, simulation, biofilm, hydraulic cleaning