شبیه سازی فرآیند پالایش خاکهای آلوده شده به مشتقات نفتی از طریق کمپوستینگ هوازی

آلوده شدن خاک توسط مواد نفتی یک مشکل گسترده و مهم در دنیا و مخصوصاً کشور ما می-باشد. امروزه پالایش خاکهای آلوده به مواد نفتی یک امر ضروری می باشد. به همین دلیل در دهه گذشته روش هایی جهت تصفیه خاک های آلوده به مواد نفتی، توسعه و بهبود یافته اند. از میان روش-های پیشنهاد شده برای پاکسازی خاکهای آلوده به مواد نفتی، روش کمپوستینگ به دلیل پایین تر بودن سرمایه گذاری اولیه و هزینه های عملیاتی، سادگی عملکرد و طراحی، و بازدهی نسبتا بالای آن نسبت به بقیه تکنیک ها کاملاً ارجحیت دارد. در این پایان نامه با مشخص شدن اهمیت فرایند کمپوستینگ و بررسی فرایند کمپوستینگ هوازی برای پالایش خاکهای آلوده به مواد نفتی، یک مدل ریاضی برای فرایند پالایش خاکهای آلوده به دیزل و نفت خام براساس متغیرهای مورد نیاز برای مدلسازی، سینتیک و استوکیومتری واکنشها و همچنین روابط انتقال جرم وانرژی حاکم بر فرآیند کمپوستینگ ارائه شده است. در فرایند کمپوستینگ مواد آلی موجود در فرایند توسط میکرواورگانیزمها در یک فرایند بیولوژیکی تجزیه و تثبیت می شوند. این فرایند اکسیداسیون بیولوژیکی به صورت مرتبه اول در نظر گرفته می شود و بعد از مشخص شدن میزان تجزیه مواد آلی موازنه جرم و انرژی روی فرایند انجام می گیرد. چون در ابتدای فرایند دمای فرایند مشخص نیست با یک حل حدس و خطا موازنه کلی جرم و انرژی انجام می گیرد و دمای فرایند تعیین می شود. بعد از انجام مدلسازی برای ارزیابی مدل ریاضی، نتایج مدلسازی را در شرایط یکسان با نتایج کارهای تجربی [6،7] مقایسه کرده و صحت مدل را اثبات کرده که خطای نسبی میانگین برای مدل ریاضی بین 86/10 تا 47/25درصد می باشد. با توجه به پیچده بودن فرایندکمپوستینگ و زیاد بودن پارامترهای موثر در این فرایند مدلسازی ریاضی پیچیده و زمان انجام و توسعه مدل نیز بالا بوده و همچنین مدل ریاضی دارای خطای نسبتاً کمی می باشد، بنابراین یک مدل هوشمند شبکه عصبی نیز برای پیش بینی فرایند کمپوستینگ توسعه داده شده است. مدل شبکه عصبی ارائه شده در این پایان نامه شامل یک شبکه با سه لایه می باشد. لایه اول دارای 6 نرون که متناسب با پارامترهای ورودی به مدل می باشند. پارامترهای ورودی به مدل (متغیرهای مستقل) شامل وزن خاک بر مبنای وزن مرطوب (برحسب ton)، غلظت اولیه دیزل (برحسب g/kg dry soil)، نسبت اصلاح کننده ها به خاک بر مبنای وزن مرطوب (ضایعات حیاط و چیپس چوب)، زمان انجام فرایند (برحسب day)، درصد رطوبت همراه فرایند و نرخ جریان هوا (برحسب m3/day kg bvs) می باشند. لایه دوم یا لایه مخفی دارای 14 نرون مخفی می باشد. لایه سوم دارای یک نرون و متناسب با پارامتر خروجی از مدل (متغییر وابسته) درصد تجزیه دیزل می باشد. تابع انتقال سیگموئیدی لگاریتمی logsig برای لایه مخفی و تابع انتقال خطی purelin برای لایه خروجی شبکه در نظر گرفته می شود. برای آموزش، تست و ارزیابی شبکه عصبی از داده های مدل ریاضی استفاده می شود و خطای نسبی میانگین و ضریب همبستگی برای ارزیابی مدل شبکه عصبی به ترتیب برابر با 3671/0 و 99981/0 می باشند. فرایند کمپوستینگ برای پالایش خاکهای آلوده به دیزل و نفت خام با استفاده از اصلاح کننده های لجن فاضلاب، پسماند غذایی، چیپس چوب و ضایعات باغچه توسط مدلسازی ریاضی بررسی شده و اثر پارامترهای موثر (نوع ونسبت اصلاح کننده، میزان رطوبت همراه فرایند و نرخ جریان هوا) را روی فرایند نشان داده و حدود شرایط بهینه برای فرایند تعیین شده است. برای بدست آوردن شرایط بهینه دقیق برای پالایش خاکهای آلوده به دیزل و پالایش خاکهای آلوده نفت خام توسط فرایند کمپوستینگ از الگوریتمهای بهینه سازی ژنتیک و توده ذرات استفاده شده که نتایج بدست آمده از الگوریتم توده ذرات نسبت به الگوریتم ژنتیک بهتر هستند زیرا دامنه پارامترها پیوسته می باشند و الگوریتم توده ذرات در فضای پیوسته پارامترها بهتر جواب می دهد. با توجه به نتایج ارائه شده توسط مدل ریاضی و الگوریتمهای بهینه سازی، شرایط فیزیکی مناسب برای تجزیه دیزل و نفت خام موجود در خاک بوسیله فرایند کمپوستینگ، استفاده از اصلاح کننده ضایعات حیاط و عامل حجم دهنده چیپس چوب با نسبت ترکیب این اصلاح کننده و عامل حجم دهنده به خاک برابر با 656/4 برای تجزیه دیزل و 503/4 برای تجزیه نفت خام می باشد. البته از لحاظ اقتصادی نسبت بهینه ترکیب اصلاح کننده و عامل حجم دهنده به خاک 3 برای حذف دیزل و نفت خام می باشد. شرایط عملیاتی بهینه برای بیشینه حذف دیزل توسط فرایند کمپوستینگ در نسبت ترکیب ضایعات حیاط و چیپس چوب به خاک برابر با 656/4 شامل میزان رطوبت 119/63 درصد و نرخ جریان m3/day kg bvs 5306/0 می باشد که میزان تجزیه دیزل 475/90 درصد می باشد. شرایط عملیاتی بهینه در نسبت ترکیب ضایعات حیاط و چیپس چوب به خاک برابر با 3 شامل میزان رطوبت 5/62 درصد و نرخ جریان هوای m3/day kg bvs 5305/0 می باشد که میزان تجزیه دیزل 32/90 درصد می باشد. شرایط عملیاتی بهینه برای بیشینه حذف نفت خام توسط فرایند کمپوستینگ در نسبت ترکیب ضایعات حیاط و چیپس چوب به خاک برابر با 503/4 شامل میزان رطوبت 121/63 درصد و نرخ جریان m3/day kg bvs 5323/0 می باشد که میزان تجزیه نفت خام 757/88 درصد می-باشد. شرایط عملیاتی بهینه در نسبت ترکیب ضایعات حیاط و چیپس چوب به خاک برابر با 3 شامل میزان رطوبت 5/62 درصد و نرخ جریان هوای m3/day kg bvs 5215/0 می باشد که میزان تجزیه نفت خام 55/88 درصد می باشد.