بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدل سازی ریاضی عملکرد بیوفیلترها برای حذف سولفید هیدروﮊن از گاز
چکیده
بیوفیلتراسیون یکی از روشهايموثر در حذف آلایندهها از جریانهاي گازي می باشد. هـدف از انجـام این تحقیق، مدل سازي ریاضی رفتار بیوفیلتر جهت پیش بینی حذف سولفید هیدروژن از جریان گاز و بررسیتاًثیر پارامترهاي مدل نظیر ضریب نفوذ پذیري در بیوفیلم و ضخامت بیوفیلم بر دقت پیشبینی مدل میباشد. در مقاله حاضر معادلات دیفرانسیل توزیع غلظت سولفید هیدروژن در فاز گاز و بیـوفیلم مورد بررسی قرار گرفته است و رفتار بیوفیلتر با حل این معادلات پیش بینی شده اسـت. در ایـن مـدل تغییرات ضخامت بیوفیلم با زمان، که در اثر رشد و از بین رفـتن بـاکتريهـا و همچنـین کنـده شـدن بیومس از سطح بیوفیلم میباشد، در نظر گرفته میشود. نتایج مدلسازي افزایش بازده حذف سـولفید-
هیدروژن را با افزایش ضریب نفوذ و افزایش سطح ویژه پرکنها و کاهش سرعت گاز ورودي نشان مـی-
دهد. همچنین نتایج مدل افزایش بازده حذف سولفید هیـدروژن بـا افـزایش ضـخامت بیـوفیلم، بـراي مقادیر ضخامت پائین بیوفیلم 5-20) میکرومتر)، را نشان میدهد که نشان دهنده کنترل کننده بـودن سرعت واکنش در سیستم است. افزایش بیشتر در ضخامت بیوفیلم 20-100) میکرومتر) باعث کـاهش بازده حذف سولفیدهیدروزن میشود، به نظر میرسد در این حالت نفوذ کنترل کننـده سیسـتم اسـت.
مقایسه نتایج به دست آمده از مدلسازي با دادههاي تجربی توافق خوبی را نشانمی دهد.
کلمات کلیدي
بیوفیلتراسیون، مدل سازي ریاضی، ضخامت بیوفیلم، آلاینده، سولفید هیدروژن
.1 مقدمه
آلودگی هوا یکی از مشکلات جدی است که بشر با آن روبـهرو مـی باشـد. سـالانه مقـادیر قابـل ملاحظـهای از آلایندههای گوناگون به خصوص ترکیبات آلی فرار و ترکیبات معدنی نظیر سولفید هیـدروﮊن (H2S) از طریـق صـنایع مختلف به هوا منتشر می شوند. H2S گازی بدبو و سمی و خورنده است و بایـد تولیـد و پخـش آن در محـیط زیسـت کنترل شود. مقدار زیادی از این گاز در فرآیندهای صـنعتی نظیـر پالایشـگاههـای نفـت، تصـفیه خانـههـای فاضـلاب، کارخانجات کاغذسازی، صنایع فرآوری مواد غذائی و ... تولید میشود]۱.[ سولفیدهیدروﮊن در گاز طبیعی و بیوگـاز نیـز وجود دارد که حذف آن برای جلوگیری از خوردگی لولههای انتقال گاز و جلوگیری از انتشـار SO2 در هنگـام سـوختن این گازها ضروری است]۲.[ فرآیندهای متعددی بر پایـه اصـول فیزیکـی و شـیمیائی بـه منظـور حـذف H2S از هـوا و گازهای زائد صنایع توسعه پیدا کردهاند ولی بسیاری از این روشها نیازمنـد افـزودن مـواد شـیمیائی، مصـرف انـرﮊی و هزینه بالا میباشند. به این ترتیب نیاز به جایگزینی یک روش جدید جهت کنترل آلایندههای هـوا بـا قیمـت پـائین و بازدهی بالا احساس گردید. در میان روشهای جدید، بیوفیلتراسیون که با استفاده از روشهای بیولوﮊیکی آلایندههـا را تجزیه میکند، می تواند جایگزین مناسبی برای روشهای قدیمی کنترل آلایندههای هوا باشد.]۳.[
استفاده از تکنیکهای مدلسازی کمک قابل توجهی به درک صحیح فرآیند بیوفیلتراسیون و توسعه روشهـای ساده طراحی سیستمهای تصفیه بیولوﮊیکی مینماید. در میان محققان مـدلسـازی یـک توافـق عمـومی در خصـوص مکانیسم عملکرد انواع بیوفیلترها وجود دارد. آلایندهها، همراه جریان هوا با سـرعت کمـی از درون بیـوفیلتر عبـور داده میشوند و طی عبور به اعماق بیوفیلم نفوذ میکنند. میکروارگانیسمهای درون بیوفیلم آلایندهها را توسط واکنشهـای زیستی به ترکیبات بیخطر تبدیل میکنند. بسیاری از بیوفیلترها به شکل هوازی بوده و بنابراین اکسیژن و مواد مغذی در آب یا بیوفیلم حل شده و به میکروارگانیسمها میرسند. آلایندهها در طی این واکنشها بـه آب، دیاکسـیدکـربن و توده زیستی تبدیل میشوند]۴.[ از نتایج به دست آمده از مدلسازی بیوفیلترها، در طراحی آنها استفاده شده و رفتـار بیوفیلتر تحت شرایط مشخص پیشبینی میگردد.
Ottengraf و همکاران ]۵[ توانائی بیوفیلترها را برای حذف آلایندههای آلی از هوا نشان دادند و همچنین برای اولین بار مدلی ریاضی برای فرآیند بیوفیلتراسیون ارائه نمودند. مدل میکروسینتیک اوتنگراف و همکاران هنوز به عنوان مرجع پایه برای بسیاری از مدل ها به کار میرود. Zarook و همکاران ]۶[ مدل اوتنگراف را به نحوی اصلاح کردند که با واقعیت همخوانی بیشتری داشته باشد. در این مدل متانول و اکسیژن سوبستراهای مؤثر بر سـرعت واکـنش در نظـر گرفته شدند و نتایج مدل با نتایج آزمایشگاهی مربوط به حذف متانول مقایسه شدند. Alonso و همکاران ]۷[، مدلی را برای شبیه سازی بیوفیلتر در تصفیه تولوئن ارائه کردند. در این مدل محاسبات با توجه به ابعاد آکنههای کربن فعـال و محیط متخلخل انجام شد و تغییرات ضخامت بیوفیلم با گذشت زمان در مدل وارد شد. Amanullah و همکـاران ]۸[، تصفیه هوای آلوده با ترکیبات آلی فرار در یک بیوفیلتر تحت شرایط گذرا و پایدار عملیاتی را با یک مدل ریاضی شـرح دادند و اثر پارامترهای مختلف نظیر عدد پکلت، ضخامت بیوفیلم، ضریب جذب گاز- جامد، سطح ویژه بسـتر و ... را بـر روی سیستم مورد بررسی قرار دادند. Baquerizo و همکاران ]۹[، یک مدل دینامیکی بـرای حـذف آمونیـاک بوسـیله
بیوفیلتراسیون ارائه دادند که این مدل ریاضی بر پایه معادلات موازنه جرم برای ۴ فاز گاز، مایع، بیوفیلم و جامد توسـعه داده شده است. که فاز مایع در واقع برای مدل کردن آب دهی دوره ای در سیستم و مجموعه مایع خروجی از بیوفیلتر است. در این کار از سینتیک های زیست زدایش پیچیده شامل بازدارندگی و محدودیت اکسیژن استفاده کردند.
به دلیل پیچیدگی مکانیسم های مختلف در بیوفیلتر، مدلسازی آن مشکل است و بیشتر مدل ها با در نظر گرفتن فرضیات ساده کننده ارائه میشوند. مدل های مختلف در فرضیاتی مانند درجه و نوع سینتیک و شکل بیوفیلم با هم تفاوت دارند. در این تحقیق به منظور کاهش مشکلات مربوط به توزیع آلایندههائی همچون سولفیدهیدروﮊن و شناخت هر چه بهتر سیستمهای بیوفیلتراسیون، مدلسازی فرآیند بیوفیلتراسیون برای حذف آلاینده سولفیدهیدروﮊن از جریان گاز مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مدلسازی علاوه بر در نظر گرفتن عدم یکنواختی در بیوفیلم، تغییرات ضخامت بیوفیلم با زمان نیز در نظر گرفته شده است.
۲. توسعه مدل بیوفیلتر
برای توسعه مدل، بیوفیلتر به صورت یک بیوراکتور با بستر ثابت در نظر گرفته میشود که سولفیدهیدروﮊن به عنوان آلاینده در فاز گاز وارد آن شده و به سمت منطقه واکنش، که بر روی سطح ذرات پرکن قرار دارد، نفوذ میکند. آلاینده به درون بیوفیلم نفوذ کرده و همزمان با نفوذ، توسط میکروارگانیسمها مصرف میشود. به این ترتیب در بیوفیلتر دو فاز وجود خواهد داشت، فاز گاز که ماده آلاینده به همراه آن وارد بیوفیلتر میشود و فاز بیوفیلم که واکنش در آن انجام میگیرد و این فاز حاوی میکروارگانیسمها است. ضخامت بیوفیلم تشکیل شده بر روی سطح ذرات پرکن با زمان تغییر میکند که این تغییرات در اثر رشد و از بین رفتن میکروارگانیسمها و همچنین کنده شدن قطعاتی از بیوفیلم، به علت نیروهای برشی ناشی از عبور جریان گاز بر روی سطح بیوفیلم،.میباشد.
به منظور مدلسازی فرآیند بیوفیلتراسیون، ارتفاع بیوفیلتر مطابق شکل ۱ به چند لایه تقسیم میشود و در هر لایه جریان پیستونی (Plug flow) در نظر گرفته میشود. در داخل هر لایه دو بخش فاز گاز و بیوفیلم بررسی می-شود. فاز بیوفیلم هم به چند قسمت تقسیم میشود با فرض اینکه در هر قسمت اختلاط کامل وجود دارد. جزئیات فرآیندهائی که برای آلاینده در هر بخش اتفاق میافتد در شکل ۲ نشان داده شده است. سپس به کمک قوانین بقاﺀ، معادله انتقال جرم آلاینده در هر یک از بخشهای فازها نوشته میشود. رفتار بیوفیلتر با حل معادلات توزیع غلظت آلاینده در فاز گاز و بیوفیلم پیشبینی خواهد شد.
شکل ۱ : ساختار کلی بیوفیلتر برای مدل سازی
شکل ۲ : شماتیک جزئیات مدل برای یک بخش از ستون بیوفیلتر
با توجه به اینکه در ستون بیوفیلتر جریان هوای حاوی آلاینده سولفیدهیدروﮊن از بالا به پائین در حال حرکـت می باشد، فرآیند جابهجائی (Convection) در مسیر انتقال آلاینده در فاز گـاز داریـم. فـرض مـیشـود کـه در فصـل مشترک گاز- بیوفیلم تعادل اتفاق میافتد و غلظتهای گازی و مایع آلاینده در فصل مشترک به کمک قـانون هنـری با هم در ارتباط هستند. آلاینده در بیوفیلم نفوذ میکند و همزمان توسط میکروارگانیسمها مصرف میشـود. فرضـیاتی که در این مدلسازی در نظرگرفته شده است شامل موارد زیر میباشد:
۱- در هر بخش ازستون بیوفیلتر، که در شکل ۱ و ۲ نشان داده شده است، اختلاط کامل داریم. ٢- مقاومت فصل مشترک فاز گاز- بیوفیلم ناچیز در نظر گرفته شده است.
۳- غلظتهای تعادلی در فصل مشترک گاز- بیوفیلم از قانون هنری پیروی میکنند.
۴- ذرات بستر کاملاﹰ با بیوفیلم پوشیده شده و جذب آلاینده درون ذرات بستر ناچیز فرض میشود. ۵- میزان دانسیته توده فیلم میکروبی ثابت فرض شده است.
۶- اکسیژن برای واکنش زیستی محدود کننده نیست. این فرض با توجه به اینکه هوا به طور مداوم از ستون بیوفیلتر عبور کرده و غلظت ماده آلاینده ورودی به ستون بیوفیلتر نسبتاﹰ پائین است منطقی به نظر میرسد.
۷- واکنش زیستی تنها در لایه های بیوفیلم که بر روی سطح ذرات بستر قرار دارند اتفاق میافتد.
۸- شدت واکنش زیستی وابسته به غلظت آلاینده در بیوفیلم است و با سینتیک میکائیلیس- منتن بیان می-شود.
۹- ثوابت سینتیکی با زمان ثابت هستند.
۰۱- ضخامت بیوفیلم در طول بستر با زمان تغییر میکند و تغییرات آن در مدل وارد میشود.
۲. ۱. موازنه جرم آلاینده بر روی فاز گاز
موازنه جرم برای غلظت آلاینده در فاز گاز در لایه w از ستون بیوفیلتر مطابق معادله (۱) و شار نفوذی آلاینـده درون بیوفیلم مطابق معادله (۲) میباشد.
شرایط اولیه و مرزی معادله غلظت آلاینده در فازگاز در معادلات (۳) و (۴) و (۵) آورده شده است.
