وبلاگ

سیکل بیولوژیکی نیتروژن نقش مهمی در حیات بر روی کره زمین ایفا می کند. در 100 سال گذشته مطالعات بر روی سیکل تولید نیتروژن به علت بررسی آلودگی آب ها، گرم شدن کره زمین، مشکل انتشار گازهای گلخانه ای افزایش یافته است. با افزایش جمعیت شهرها و گسترش استفاده از کودهای شیمیایی در کشاورزی و رشد فعالیت های صنعتی، بسیاری از کشورهای پرجمعیت با مشکلات زیست محیطی مرتبط با افزایش میزان آمونیاک در پساب ها مواجه شده اند. آلودگی آبهای زیرزمینی و سطحی یکی از مشکلات عمده زیست محیطی است به خصوص آلودگی ناشی از پساب های حاوی نیتروژن و فسفر آلی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. حذف آمونیاک از پسابها به دلیل ایجاد سمیت برای محیط های آبی به طور مخصوص مورد توجه است.
آمونیاک به روش های مختلفی از پساب ها حذف می شود مثل روش های فیزیکی – شیمیایی و روش بیولوژیکی. به علت ارزان بودن و تأثیر مناسب روش های بیولوژیکی در حذف نیتروژن از پسابها این روش نسبتاً به روش فیزیکی – شیمیایی ارجحیت دارد مطالعات گسترده ای در زمینه حذف بیولوژیکی نیتروژن از پسابهای شهری و صنعتی مورد مطالعه قرار گرفته است فرایند حذف نیتروژن به روشو بیولوژیکی، به دلیل حضور میکروارگانیسم ها، بسیار آهسته صورت می گیرند. روش بیولوژیکی سنتی حذف نیتروژن از پسابها شامل دو مرحله مجزا می باشد: نیترات زائی هوازی و نیترات زدایی بی هوازی، ولی کنترل شرایط هوازی و بی هوازی برای انجام این دو مرحله به صورت مجزا یکی از مشکلات اجرای این فرایند است. برای برطرف کردن این مشکل و بالا بردن کارایی حذف نیتروژن بیوراکتورهای متعددی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته به عنوان مثال فرایندهای اجرا شده شامل: فرایند ترکیبی نیترات زائی و نیترات زدائی همزمان، تثبیت

2-1- اهداف
اهداف اصلی از انجام این تحقیق شامل:
– شرح کامل فرایند آناموکس و شناخت مکانیزم ها و عواملی که در فرایند اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک موثر می باشد.
– ارایه مدلی برای پیش بینی تغییرات غلظت سوبسترا و بیومس در فرآیند آناموکس.
– مدلسازی یک راکتور ناپیوسته متوالی و بررسی تغییرات غلظت آمونیوم و نیتریت و باکتری آناموکس در طول انجام فرایند آناموکس است.
3-1- ضرورت اجرای پروژه
امروزه روش های بیولوژیکی حذف مواد مغذی (ترکیبات فسفر و نیتروژن) از فاضلاب های خانگی و صنعتی در مقایسه با روش های فیزیکی و شیمیایی در اغلب موارد به عنوان روش برتر شناخته شده اند. هرچند در بسیاری از مواقع روش های بیولوژیکی تنها راه حل ممکن هستند، اما هزینه زیاد احداث تاسیسات مورد نیاز و بهره برداری از آنها در بسیاری از مواقع فشار زیادی را بر منابع مالی محدود جامعه وارد می سازد. از طرفی وضع قوانین و استانداردهای سختگیرانه تر جهت حفظ محیط زیست و جلوگیری از آلودگی آن موجب شده است که در اغلب موارد احداث تاسیسات اضافی یا ارتقاء تاسیسات موجود برای حذف مواد مغذی تا حد استانداردهای تعیین شده اجتناب ناپذیر شود.
روش های موجود حذف بیولوژیکی نیتروژن که مبتنی بر انجام جداگانه نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون هستند علیرغم کارآیی مناسب اغلب هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری زیادی را در بردارند. در صورتی که بتوان با کنترل شرایط عملیاتی و اصلاح فرایند تصفیه، فرایندهای نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون و حذف مواد آلی را همزمان و در یک راکتور انجام داد. هزینه های سرمایه گذاری و بهره برداری به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. از طرفی می توان با اصلاح فرایند و کنترل شرایط عملیاتی، بسیاری از واحدهای موجود را که تنها برای حذف مواد آلی طراحی شده اند متناسب با معیارها و نیازهای جدید و با کمترین هزینه برای حذف نیتروژن اصلاح کرد.
بر مبنای کشف باکتری آناموکس، فرایندهای بیولوژیکی جدیدی برای حذف نیتروژن از پسابها مورد توجه قرار گرفته است. فرایندهای آناموکس، شارون، کانون و اولند از جمله این روشها می باشد. از جمله کاربردهای این فرایندها، می توان به تصفیه پساب هایی که میزان نیتروژن به کربن آنها بالا می باشد اشاره کرد. اجرای هریک از این روشها هزینه های مربوط به هوادهی، افزودن منبع کربن اضافی را به مقدار قابل توجهی نسبت به روش های بیولوژیکی پیشین کاهش می دهد.

فیتوریمیدیشن و یا گیاه پالایشی به صورت بکارگیری گیاھان سبز جھت زدودن، ذخیره و مجتمع کردن و یا تجزیه آلاینده ھای آلی از خاک تعریف می شود. برخی گیاھان قادر به تاثیر بر آلاینده ھا جھت جذب آنھا به درون سیستم آوندی عروقی خود بوده و برخی دیگر، ترکیبات مذکور را تجزیه نموده و یا آنھا را به ترکیبات متابولیزه شده کمتر سمی تغییر شکل می دھند. اخیرا گیاھانی کشف شده اند، که با جذب 

آلودگی توسط ریشه ھا، آنھا را درون ساختار سلولی و یا برگ و میوه ذخیره می کنند. آخرین سرنوشت مکمل تبخیر شدن و رھایی درون اتمسفر می باشد.

ریشه ھای گیاھان قادر به ترشح آنزیم ھایی ھستند که انواع و فعالیت میکروبی را افزایش می دھند.
ریزوسفر (ناحیه از خاک که ریشه را احاطه کرده است) مقادیر بسیار افزایش یافته ای از جمعیت ھای میکروبی را در مقایسه با خاک فاقد گیاه در خود دارا می باشد. ترشحات ریشه ھای آزاد شده توسط گیاه و ترکیب فیزیکی و شیمیایی ناحیه ریزوسفر از جمله ویژگیھای یک گیاه می باشد. گیاھان مختلف عامل حمایت و تامین جمعیت ھایی از میکروارگانیسم ھا ھستند ک خود ویژگیھای تجزیه کنندگی خاص خود را نسبت به یک آلاینده دارا می باشند. در نتیجه ازریابی عملکرد و گونه ھای مختلف گیاھی در خاکھایی با مواد آلی خطرناک آلوده شده اند، بسیار حائز اھمیت است. با وجود آنکه تاکنون تحقیقات تجربی زیادی در این زمینه صورت گرفته ولی به علت پیچیدگی ھای موجود کمتر به بحثھای مدلسازی و ریاضی آن توجه شده است ممکن است در نگاه اول روش تجربی از دقت بالاتری برخوردار باشد ولی با توجه به تنوع گیاھان مورد استفاده، تنوع آلاینده ھای موجود در خاک، تنوع نوع خاک ھر محل و نیز تنوع روشھایی که بوسیله آن گیاھان باعث کاھش غلظت انواع آلاینده ھا در خاک می گردند، در موارد بسیار نادری می توان از نتایج تجربی بدست آمده برای یک آزمایش، برای سایر مکانھای آلوده شده استفاده نمود.
ارائه یک مدل ریاضی با امکان تغییر در پارامترھا و متغیرھای تجربی علاوه بر آنکه به درک بھتر این پدیده کمک خواھد نمود، می تواند به پیش بینی رفتار این پدیده در سایر مکانھا، کمک شایانی بنماید. به منظور استفاده از گیاھان در تصفیه خاک بطور عملی، می بایست مکانیزم انجام فرآیند بررسی، و با نتایج تجربی مقایسه گردند.
در متن حاضر ابتدا نگاھی گذرا به اصول این روش خواھیم داشت. تعاریف و تاریخچه مختصری جھت آشنایی خواھد آمد و در ادامه به موضوع اصلی یعنی مدلسازی ریاضی آن پرداخته خواھد شد.
بخشھای برنامه نویسی و حل عددی معادلات با استفاده از Matlab نوشته شده اند که در قسمت ضمائم آورده شده اند. در تمامی مراحل مدلسازی و برنامه نویسی این نکته مد نظر بوده است که تمامی پارامترھای ھندسی، پارامترھای مربوط به آلاینده ھا، پارامترھای مربوط به خاک، پارامترھای مربوط به ریشه و… قابل تغییر بوده و در نتیجه مدل ارائه شده برای طیف وسیعی از گیاھان، آلاینده ھا و مناطق و شرایط مختلف قابل تعمیم است.

گاز طبیعی، سوختی پاک و خوراکی مناسب برای صنایع شیمیایی است؛ اما به دلیل ویژگی های خاص خود، انتقال آن به سمت بازار مصرف دشوارتر و گران تر از انتقال نفت خام است. با توجه به اهمیت روزافزون علمی – صنعتی گاز طبیعی در جهان، یکی از راه های استفاده از گاز طبیعی تبدیل آن به مواد ارزشمند دیگر است. فناوری تبدیل گاز طبیعی به فراورده های مایع (Gas to Liquids)، به فرآیندی اطلاق می گردد که در آن، بتوان گاز طبیعی را به فرآورده های باارزش، از جمله متانول، دی متیل اتر و سایر فرآورده های میان تقطیر (مانند بنزین، گازوییل و نفت سفید) تبدیل نمود. امروزه کشورهای زیادی به این فرایند رو آورده اند و تحقیقات انجام گرفته در زمینه تبدیل گاز به مایع (GTL) خصوصاً سنتز فیشر – تروپش (کاتالیزورها، راکتورها و فرآیند آن) به سرعت در حال پیشرفت است. سنتز فیشر – تروپش فرآیندی است که طی آن گاز سنتز (مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن) حاصل از گاز طبیعی یا زغال سنگ به هیدروکربن های خطی و محصولات اکسیژن دار تبدیل می شود. سنتز فیشر – تروپش به حدود 75 سال قبل برمی گردد. نخستین پژوهش ها بر روی سنتز هیدروکربن ها، نظیر پارافین ها و الفین ها از گاز سنتز در سال 1925 توسط فیشر و تروپش در آلمان صورت گرفت. به طور ساده می توان سنتز فیشر – تروپش را با معادله کلی به صورت زیر نشان داد:
nCO+2nH2>-[CH2]n-+nH2O

می توان گفت که سنتز فیشر – تروپش از طریق یک نوع پلیمریزاسیون احیایی مونوکسید کربن و هیدروژن، هیدروکربن های خطی، الفین ها و الکل های مختلف را تولید می کند.
میزان تولید و توزیع محصولات فرآیند فیشر – تروپش را می توان با انتخاب کاتالیزور مناسب و شرایط عملیاتی تغییر داد. کاتالیزورهایی که در سنتز فیشر – تروپش کاربرد زیادی دارند عموما کاتالیزورهایی هستند که فاز فعال آن ها عناصر کبالت و آهن است. انتخاب کاتالیزور مناسب برای سنتز فیشر – تروپش بستگی به پارامترهای مختلفی همچون محصول مورد نظر، منبع تهیه خوراک گاز سنتز، میزان تبدیل مورد نظر، طول عمر و قیمت پایین دارد.
انتخاب راکتور مناسب برای هر فرآیند شیمیایی یکی از مهم ترین مراحل طراحی فرآیند است. به طور کلی راکتورهای کاتالیزوری از نظر نحوه تماس خوراک با کاتالیزور به دو دسته کلی بستر ثابت و بستر سیال تقسیم می شوند. سه نوع راکتور مورد استفاده در مقیاس صنعتی عبارت است از: راکتورهای بستر ثابت لوله ای (TEBR). راکتورهای بستر سیال (FBR). راکتورهای بستر دوغابی (SBR).
علاوه بر شرکت های شل و ساسول که بزرگترین شرکت های فعال در زمینه سنتز فیشر – تروپش هستند، شرکت های دیگری نیز انرژی اینتر نشنال، اکسون، گلف / چورون، استات اویل، سینترولئوم، رنتیک در این زمینه فعال هستند.
اقتصاد فرآیند فیشر – تروپش به قیمت گاز و نفت خام، ظرفیت واحد و محصول مورد نظر بستگی دارد. فرآیند کلی شامل سه مرحله تهیه گاز سنتز، سنتز فیشر – تروپش و بهسازی هیدروکربن حاصل است. اقتصادی بودن آن در مقایسه با مواد نفتی (که از نفت خام به دست می آید) بستگی به قیمت محصولاتی دارد که از این واکنش حاصل می شود. مقایسه GTL با نفت خام، حاکی از برتری کیفی فرآورده های حاصل از تبدیل گاز نسبت به فرآورده های پالایشی نفت خام است. کیفیت بهتر و درجه خلوص بیشتر، از جمله مشخصات تولیدات حاصل از GTL است. فرآورده هایی همچون نفت سفید و نفت گاز حاصل از فرآیند GTL، به دلیل محتوای کم گوگرد و مواد آروماتیکی، همسویی بهتری با محیط زیست دارند. بعلاوه، هیدروکربن های اشباع شده (پارافین ها) حاصل از این فرآیند، همانند واکس ها و روغن های روان ساز، با توجه به کیفیت مطلوب آنها، دارای ارزش افزوده بالایی در تولید دیگر فرآورده ها هستند. استفاده از روش GTL در ظرفیت های بالا ضمن ایجاد منابع ارزی جدید، پتانسیل حفظ ظرفیت تولید نفت در آینده برای کشور را افزایش می دهد. به دلیل وجود زمینه های علمی و تخصصی GTL در ایران، در صورت حمایت همه جانبه دستگاه های ذیربط و انجام سرمایه گذاری های تحقیقاتی لازم، دورنمای روشی از توانمندی های کشور در این عرصه را می توان متصور دانست.

امروزه استفاده از التراسوند در کلینیک های پزشکی مدرن، جایگاه مهمی در میان سایر شیوه های تشخیصی و عکس برداری از بدن بیمار را پیدا کرده است. شاید یکی از مهم ترین دلایل استفاده از آن، سهولت و بی خطر بودن آن باشد. التراسوند، امواج صوتی با فرکانس هایی بالاتر از توان آشکارسازی آن توسط گوش انسان می باشد که از حدود 20KHz تا صدها مگاهرتز تعریف می شود. لوازم پزشکی عمدتا در طیف یک تا 10 مگاهرتز از این امواج استفاده می کنند که دلیل عمده آن، دقت و میزان نفوذپذیری مناسب آن در این طیف می باشد. این امواج توسط مبدل های الکتریکی التراسوند تولید و در محل مورد نظر بر روی سطح پوست قرار می گیرد. این امواج به داخل بافت ها انتشار پیدا کرده و بخش هایی از آن به خاطر وجود خواص متفاوت صوتی و سطوح مرزی بسیاری که بین بافت ها وجود دارد، منعکس می شوند. تعدادی از این سطوح مشترک مرزی بسیار فاحش و نشان دهنده مرزهای اصلی اندام هستند و برخی دیگر بسیار تدریجی تغییر پیدا می کنند.
در لوازم و تجهیزاتی که در مد B کار می کنند مبدل ها پالس هایی را ارسال می کنند به طوری که انعکاس آنها، یک سری امواج با دامنه های

 مختلف می باشد که زمان ارسال و دریافت پالس، عمق انعکاس مرزی بافت ها را نمایش می دهد. در ساختاری دیگر، سرعت سنج داپلر را می شناسیم که سطح انعکاس دهنده متحرک می باشد (همانند سلول های قرمز متحرک در رگ ها) که امواج صوتی منعکس شده در فرکانسی متناسب با سرعت ساطع کننده ها متغیر خواهد بود.

از آنجایی که امواج صوتی خارج از بدن تولید شده و برای ورود به بدن نیاز به هیچ ماده خارجی و واسطه برای انجام واکنش نمی باشند، التراسوند، تکنیکی غیر مهاجم خوانده می شود.
فصل اول
کلیات
تصویر بردای التراسوند، اغلب با رادیوگرافی (عکسبرداری با اشعه x) از لحاظ تأثیر و دقت تصاویر تولید شده مقایسه می شود. در اینجا دو تفاوت اساسی و بارز بین این دو روش وجود دارد: اول اینکه، التراسوند روشی بی خطر است، در صورتی که خطر استفاده از اشعه x به اثبات رسیده است و بخصوص اثر آن بر روی سلول های در حال تکثیر (برای موارد پزشکی زنان و زایمان) قابل توجه می باشد.
تفاوت اصلی دیگر که بین این دو وجود دارد مربوط به ویژگی های بافت هایی است که از آنها عکسبردای می شود. البته اشعه x در یک رابطه قانون توان برحسب چگالی الکترون ها در بافت هایی که در راستای اشعه x بین مولد و فیلم روبرو می شود، تضعیف می شود (جذب و تفرق از مسیر مستقیم) به طوری که اشعه x، اختلاف چگالی بافت ها را به صورت تفاوت های سطوح تابیده شده به فیلم نمایش می دهد. به همین علت بافت های تراکمی مانند استخوان را به خوبی از دیگر بافت های با تراکم کمتر، نظیر عضله به نمایش می گذارد. اما متأسفانه، در تضعیف اشعه x، تفاوت بسیار کمی بین اغلب بافت های نرم وجود دارد و بنابراین در رادیوگرافی از بافت های نرم، شاهد تفاوت محسوسی در انواع بافت های نرم نخواهیم بود. به عنوان مثال اگر یک تومور نرم در درون یک اندام بافت نرم قرار گرفته باشد، مشاهده و تشخیص آن بسیار مشکل است مگر اینکه یک موج متمایز رادیویی رنگی به صورت غیرمخرب به محل تزریق شود.
از سوی دیگر، انتشار امواج التراسوند در بافت ها و مایعات به خوبی صورت می گیرد و همان طور که قبلا ذکر شد، این امواج در سطوح مشترک مرزی انواع بافت های نرم منعکس می شوند. بنابراین یک اسکن امواج التراسوند نسبت به تغییرات در نوع بافتهای نرم در مقایسه با رادیوگرافی می تواند بسیار حساس تر باشد و این ویژگی است که در بخش مامایی  از آن استفاده می شود.
با این وجود باید خاطرنشان کرد مزیتی که التراسوند در نواحی بافت نرم دارد در نواحی استخوانی و یا نقاطی که دارای هوا می باشد، به راحتی نفوذ نمی کند که این مسئله آن را برای اسکن کردن شش ها (حداقل در فرکانس های بالاتر) و عکسبردای نواحی که با استخوان محدود شده است مثل مغز در پشت جمجمه، غیرعملی می سازد.
هنگامی که ویژگی های فیزیکی بافت های مختلف را بررسی می کنیم، مشاهده می گردد که التراسوند و رادیولوژی به عنوان رقبای یکدیگر در نظر گرفته نمی شوند، چرا که آنها شیوه های مکمل یکدیگر می باشند و نسبت به خصوصیات متفاوت بافت ها از خود عکس العمل نشان می دهد. آنچه که یک تکنیک از دست می دهد، تکنیک دیگر می تواند ارائه دهد. شکستگی های استخوان به خوبی با اشعه x مشخص می شوند و اسکن های بارداری به بهترین صورت با التراسوند انجام می شود. تومورهای شکمی مشکوک یا ناهنجاری های دریچه قلب می تواند از هر دو تکنیک مورد ارزیابی قرار گیرند.

آشوب (با تلفظ انگلیسی کیاس با کاف مکسور) در لغت به معنی هرج و مرج، درهم ریختگی، شلوغی، آشفتگی و بی نظمی آمده است. در مباحث فلسفی نیز به وضعیتی که در آن تصادف حکم فرماست، اطلاق می شود. در تئوری آشوب به وجود نظم در بی نظمی اطلاق می شود و عمدتا از شناخت رموز و قوانین موجود در طبیعت و خلقت نشات گرفته است. این الگوها در طول تاریخ و زمان دچار بی نظمی گردیده اند

 که در ذرات خود الگوی خاصی را دنبال می کنند. حضور قاعده های مستتر در رفتار این الگوها آنها را از اغتشاشات تصادفی متمایز می کند. برای لمس پدیده می توان دود سیگار و یا نحوه جوش آمدن آب را مثال زد که در ابتدای امر منظم و در ادامه دچار تلاطمات و بی نظمی می شوند.

2-1) تعریف آشوب
لذا این پدیده به این صورت باز تعریف می شود که آشوب عبارت است از:
بی نظمی در یک سیستم پویای منظم به طوری که در کوتاه مدت، رفتاری قابل پیش بینی دارد اما در بلندمدت، رفتار آن غیرقابل پیش بینی می باشد. همین غیر قابل پیش بینی بودن این سیستم ها ما را متوجه حساسیت آنها به شرایط اولیه می نماید. به هر روی رفتار آشوب گونه یک رفتار تصادفی نیست اما برای ناظر خارجی قابلیت تشخیص آن از رفتار تصادف گونه بدون اطلاع به سادگی امکان پذیر نمی باشد. از آنجا که مقدار لحظه ای سیگنال به دقت محاسبات بستگی دارد حتی در صورت شناخت مولد سیگنال باز هم عدم قطعیت در تعیین رفتار سیگنال خواهیم داشت. اینکه گفته می شود رفتار آشوب گونه رفتاری معین و قطعی اما با تظاهرات تصادفی است. به این معنی است که مولد سیگنال آشوب گونه مبتنی بر قوانین قطعی و معادلات معین می باشد اما اندازه گیری و محاسبه و مدلسازی دارای تقریب و خطا می باشد نمونه هایی از سیستم هایی که در آنها آشوب حضور دارند عبارتند از:
سوسو زدن یک لامپ نئون، نقطه بروز و شدت زلزله، مسیر حرکت سیال در یک لوله، رشد جمعیت جانداران شکل صاعقه و… را می توان نام برد. به هرحال تحقیق و مطالعه در حوزه دینامیک های آشوبی دسترسی به نتایج مفید و موثر را در پی خواهد داشت که چند مورد آن به شرح زیر خواهد بود:
– امکان توضیح و کشف علل بسیاری از حوادث طبیعی
– توانایی پیش بینی بسیاری از حوادث غیر مترقبه
– تصحیح رفتار و عملکرد برخی از سیستم ها در جهت مطلوب
– شناخت روندهای منتهی به آشوب و جلوگیری از وقوع آن و یا کنترل
– ایجاد آشوب در محدوده ای مشخص و تحت شرایط کنترل شده برای رسیدن به نتایج مطلوب
– تصحیح الگوریتم ها و منطق های اندازه گیری، محاسباتی، اجرایی و عملیاتی