مدل‌سازي عملكرد بيوفيلتر در حذف سولفيد هيدروژن از جريان هوا

The Mathematical Modeling of Biofilter Performance in Hydrogen Sulfide Removal from AirStreams

مقدمه: بيوفيلتراسيون يكي از روش‌هاي موثر در حذف آلاينده‌هاي گازي نظير سولفيد هيدروژن از يك جريان هوا مي‌باشد. وجود يك مدل رياضي جهت پيش‌بيني بازده جداسازي مي‌تواند در طراحي و بهينه‌سازي اين دستگاه و همچنين مطالعه فرايند بيوفيلتراسيون مفيد واقع گردد. هدف از انجام اين تحقيق، مدل‌سازي رياضي عملكرد بيوفيلتر در فرايند حذف بيولوژيكي سولفيد هيدروژن از جريان هوا مي‌باشد. همچنين تاثير پارامترهاي مهمي نظير ضريب نفوذپذيري در بيوفيلم و ضخامت بيوفيلم بر پيش‌بيني نتايج مورد بررسي قرار مي‌گيرد. روش‌ها: براي رسيدن به اهداف فوق، معادلات حاكم كه در نتيجه به كارگيري قوانين بقاي جرم بر روي يك المان در فضاي گاز و بيوفيلم مي‌باشند، حل گرديد. با حل اين معادلات توزيع غلظت سولفيد هيدروژن در تمامي نقاط گاز و بيوفيلم مشخص شد و با كمك اين توزيع، بازده جداسازي محاسبه گرديد. يافته‌ها: اين مدل قادر به پيش‌بيني تغييرات ضخامت بيوفيلم با زمان، كه در اثر رشد باكتري‌ها و همچنين كنده شدن بيومس از سطح بيوفيلم رخ مي‌دهد، مي‌باشد. نتايج به دست آمده از مدل رياضي توسعه‌يافته با داده‌هاي تجربي توافق خوبي را نشان مي‌دهند. نتيجه‌گيري: نتايج حاصل از مدل رياضي نشان مي‌دهند كه بازده حذف سولفيد هيدروژن با افزايش ضريب نفوذ، افزايش سطح ويژه پركن‌ها و كاهش سرعت گاز ورودي زياد مي‌گردد. همچنين بازده حذف سولفيد هيدروژن با افزايش ضخامت بيوفيلم، براي مقادير ضخامت پايين بيوفيلم (20-5 ميكرومتر)، بيشتر مي‌گردد. اين امر نمايانگر اين نكته مي‌باشد كه در ضخامت‌هاي كم بيوفيلم، سرعت واكنش كنترل‌كننده مي‌باشد و مقاومت بيوفيلم تاثير چنداني بر نرخ جداسازي ندارد. افزايش بيشتر در ضخامت بيوفيلم (100-20 ميكرومتر) باعث كاهش بازده حذف سولفيد هيدروزن مي‌شود. به نظر مي‌رسد دليل اين امر افزايش اثر تاثير نفوذ بر نرخ انتقال جرم مي‌باشد.

Abstract Background: Biofiltration is one of the most effective methods for pollutant removal from a gas stream. An accurate mathematical model to predict removal efficiency can be applied in design and optimization of such equipment and also in investigating biofiltration process. The objective of this study was to develop a mathematical model for predicting biofiltration process performance in hydrogen sulfide removal from a gas stream and also examining the influence of several main parameters such as biofilm diffusivity and biofilm thickness on the predicted results. Methods: In order to achieve the goals, the governing equations expressing mass conservation for a differential control volume in both gas and biofilm phases were solved. Hydrogen sulfide concentration distributions in gas and biofilm phases were determined by solving these equations. Findings: The presented model is capable of predicting the variation of biofilm thickness through time due to bacteria growth and biofilm surface abrasion. The results from the expanded mathematical model were well in agreement with empirical data. Conclusion: The results revealed that hydrogen sulfide removal efficiency increases by increments in packing specific surface area and biofilm diffusivity along with decreasing entering gas velocity. In addition, the results of the model showed that increasing biofilm thickness tends to raise the removal efficiency for biofilm thickness of less than 5 micrometer. This fact reveals that the reaction rate is the rate-controlling step for lower biofilm thickness and the biofilm-diffusion resistance does not affect mass transfer rate significantly. However, further increasing biofilm thickness (to more than 20 micrometers) causes hydrogen sulfide removal efficiency to decrease. It can be attributed to magnifying the influence of biofilm diffusion on mass transfer rate.