مدل سازی ریاضی حذف گاز هیدروژن سولفاید در یک بیوفیلتر

محورهای موضوعی : مدیریت محیط زیست

امیر رحیمی ¹ (استادیار، گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان *(مسئول مکاتبات).)
سمانه سامی ² (دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان.)

تاریخ دریافت : 1387/07/15 تاریخ پذیرش : 1388/02/28 تاریخ انتشار : 1392/07/01

کلید واژه: بیوفیلتر, مدل‌سازی ریاضی, هیدروژن سولفاید,

چکیده مقاله :

در این مطالعه، یک مدل ریاضی به منظور توصیف فرآیند حذف H2S درحالت های عملکردی شبه پایدار و ناپایدار در یک بیوفیلتر ارایه شده است. مدل مربوط شامل معادلات موازنه جرم برای جزء آلاینده و اکسیژن در ناحیه گاز و توده فیلم میکروبی می باشد که بر اساس قوانین بقا استخراج گردیده است. حل همزمان و عددی این معادلات، تغییرات غلظت آلاینده را در طول ارتفاع بیوفیلتر و ضخامت توده زیستی به دست می دهد. محاسبات برای یافتن مقادیر بازده و ظرفیت حذف در سه شدت جریان مختلف گاز 03/0، 07/0 و m³/hr 14/0 با غلظت های ورودی متفاوت صورت گرفته و نتایج آن توسط نمودارهایی با داده های تجربی ارایه شده توسط Oyarzun و همکاران مورد مقایسه قرار گرفته است. در شرایط ناپایدار نیز مقایسه نتایج حاصل از مدل با نتایج تجربی در غلظت ورودی ppm1100 از آلاینده H2S ارایه شده است. یافته های حاصل از این بررسی ها نشان می دهد که این مدل با دقت قابل قبولی قادر به برازش نتایج تجربی بوده و بنابراین از آن می توان به عنوان یک ابزار مناسب، برای طراحی بیوفیلتر استفاده نمود. همچنین، اثر پارامترهای مختلف عملیاتی شامل: سطح مخصوص بستر، ارتفاع بستر پر شده، تخلخل بستر و شدت جریان حجمی گاز بر عملکرد بیوفیلتر مورد بررسی قرار گرفته است.

چکیده انگلیسی:

In this study, A mathematical model has been developed for H2S removal in a bio-filter. The modelis used for analyzing the bio-filter performance in steady and unsteady state operation conditions. Thegoverning equations including the concentration distribution equations for pollutant component andoxygen in the gas and biofilm phases were derived based on the conservation laws and solvednumerically. The change of pollutant concentration through the bio-filter length and bio-film thicknesswas obtained. The model predictions for removal efficiency and elimination capacity in three differentgas flow rates (0.03, 0.07 and 0.14 m3/hr) and different inlet concentrations, compared with theexperimental data reported by Oyarzun et al., and the accuracy of the model results was obtained. Alsothe results of the model for unsteady state operation condition were obtained for 1100 ppm of inletconcentration of H2S. These values compared with the existing experimental data too. Finally theeffect of some operation parameters such as: specific surface area of the bed, height of the bed,porosity of the bed and gas flow rate, on the removal efficiency of bio-filter was investigated.

منابع و مأخذ:

1. Devinny, J. S., Ramesh, J.,2007.A phenomenological review of biofilter models. Chemical Engineering Journal, Vol. 113, pp. 187-196.


2. Arjmand, M., Safekordi, A., Farjadfard, S.,2007.Simulation of biofilter used for removal of air contaminants (ethanol). International Journal of Environmental Science.  Techechnology, Vol. 2 (1), pp. 69-82.


3. Ottengraf, S. P. P., Van Den Oever, A. H. C.,1983.Kinetics of organic compound removal from waste gases with a biological filter. Biotechnology and Bioengineering, Vol. 25(12), pp. 3089-102.


4. Hodge, D. S.; Devinny, J. S.,1995. Modeling removal of air contaminants by biofiltration. Journal of Environmental Engineering Div, Vol. 121 (1), pp. 21-32.


5. Shareefdeen, Z., Baltzis, B. C., Oh, Y.-S., Bartha, R., 1993.Biofiltration of Methanol Vapour. Biotechnolology Bioengineering, Vol. 41, pp. 512.


6. Amannullah, Md., Farooq, S., Viswanathan, Sh., 1999.Modeling and Simulation of a Biofilter. Industrial Engineering Chemchemical Res, Vol. 38 (7), pp. 2765–2774.

1. Deshusses, M. A., Harmer, G., Dunn, I. J., 1995.Behavior of biofilters for wasted air biotreatment. 2. Experimental evaluation of a dynamic model. Environmental Science Technolology, Vol. 29(4), pp. 1059-1068.

8. Shareefdeen, Z., Baltzis, B. C.,1994. Biofiltration of toluene vapor under steady state and transient conditions: theory and experimental results. Chemical Engineering Science, Vol. 49, pp. 4347-4360.


9. Ottengraf, S. P. P.,1986. Exhaust gas purification. Rehm, Reed, editors. Biotechnology Verlag Chemistrary, Vol. 8.


10. Tang H. M., Hwang, S. J., Hwang, S. Z.,1996.Waste gas treatment in biofilters. Journal of Air Waste Management Associate, Vol. 46, pp. 349-354.


11. Alonso, C., Zhu, X., Suidan, M.T., Kim B.R., Kim, B.J.,2001. Mathematical model of biofiltration of VOCs: effect of nitrate concentration and backwashing. Journal ofEnvironmental Engineering, Vol. 127(7), pp. 655-664.


12. Agarwal, G. K., Ghoshal, A. S.,2008. Packed bed dynamics during microbial treatment of wastewater: Modelling and simulation, Vol. 99(9), pp. 3765-73.


13. Picioreanu, C., van Loosdrecht, M. C. M., Heijnen, J. J.,1998.Mathematical modeling of biofilm structure with a hybrid differential-discretecellular automaton approach. Biotechnology and Bioengineering, vol. 58, pp. 101-116.

 

1. Zarook, S. M., Shaikh, A. A.,1997. Analysis   and comparison of biofilter modes. Chemical Engineering Journal, Vol. 65, pp. 55–61.

15. Kyeoung-suk, C., Mitsuyo, H., Makoto, SH.,1991. Degradation Characteristics of Hydrogen Sulfide, Methanethiol, Dimethyl Sulfide and Dimethyl Disulfide by Thiobacillus thioparus DW44 Isolated from Peat Biofilter. Journal of Fermentation and Bioengineering, Vol. 71, pp. 6.


16. Oyarzun, P., Arancibia, F., Canales, Ch., Aroca, G., 2003.Biofiltration of high concentration of hydrogen sulfide using Thiobacillus thioparus, Vol. 39, pp. 165-170.