ارائه یک مدل ریاضی جامع جهت پیش بینی عملکرد یک بیوفیلتر مورد استفاده در حذف آلاینده های گازی و مطالعه پارمتریک

ارائه یک مدل ریاضی جامع جهت پیش بینی عملکرد یک بیوفیلتر مورد استفاده در حذف آلاینده های گازی و مطالعه پارمتریک

فرمت: PDF   تعداد صفحات: 14

امیر رحیمی (گروه مهندسی دانشگاه اصفهان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی)
تورج توکلی (دانشگاه اصفهان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی)
حمید خادم حسینی بهشتی، سید علی ماجدی، الیاس مونق (دانشگاه اصفهان، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی)

چکیده

هدف: بیوفیلتراسیون یک روش کار آمد در تصفیه ی آلاینده های گازی از جریان هوا می باشد. بیوفیلتراسیون در مقایسه با سایر روش ها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر بوده و نیز اثرات زیست محیطی کمتری دارد. این تحقیق نیز با هدف نشان دادن ضعف مدل های ریاضی ارائه شده در پیش بینی دقیق عملکرد این سیستم ها انجام شده است. در واقع مدل های ریاضی موجود از جامعیت کافی برخوردار نیستند و متاسفانه در اثبات توانمندی آنها یا محدوده های کاربرد مطمئن آنها صداقت کافی وجود نداشته است.

روش بررسی: ارائه مدل ریاضی دقیق تر جهت تحلیل عملکرد یک بیوفیلتر با هدف امکان سازی طراحی های دقیق تر این سیستم کارآمد در حذف آلاینده های گازی صورت می گیرد. در این تحقیق مدل سازی صورت گرفته در سال های اخیر در خصوص حذف آلاینده های گازی به کمک روش بیوفیلتراسیون مورد بررسی و نتایج حاصله مورد بازبینی و مقایسه قرار گرفته اند.

یافته ها: با مقایسه ی مدل جامع با داده های تجربی، مدل مذکور از دقت کافی برخوردار بوده و ضعف مدل های ریاضی ارائه شده در پیش بینی عملکرد این سیستم ها مشهود می باشد.

نتیجه گیری: با توجه به روند بسیار کند تغییرات در این سیستم ها مدل شبه پایا برای این سیستم ها درست می باشد و با توجه به اینکه مدل های انتخاب شده با خطای کم در پیش بینی راندمان حذف جزء پرکاربردترین و موثق ترین نمونه های مدل سازی شمار می روند اما با تغییر شرایط مشاهده شد جامعیت کاملی ندارند.

کلمات کلیدی: بیوفیلتر، برج آكنده، لایه ی زیستی، مدلسازی، ترکیب آلی فرار

مقدمه

توسعه صنعتی و تکنولوژی قرن حاضر که پیامد رشد روزافزون نیاز جوامع بشری در دسترسی به منابع مناسب ماده و انرژی است، آلودگی منابع تجدید ناپذیر حیات یعنی آب، هوا و خاک را به دنبال داشته است. این گروه از آلاینده – ها شامل ترکیبات آلی فرار گازی، سوخت های هیدروکربنی و آلاینده های گوگردی می باشند. ترکیبات آلی فرار(VOC)، مایع ها و یا جامدهایی هستند که حاوی کربن آلی بوده و با سرعت معینی تبخیر می شوند. بخارهای مربوط به این ترکیبات آلی فرار به دلیل ماهیت و تنوع آنها می توانند موجب مشکلات زیست محیطی متعددی شوند. مشکل اصلی این ترکیبات، سمیت و آستانه بویایی بسیار پایین آنهاست که در غلظت های پایین ایجاد بوی بسیار بد می کنند.

روش های گوناگونی برای حذف این ترکیبات وجود دارد. با بررسی های انجام شده، روش سوزاندن برای هوای آلوده کم غلظت، روز به روز توجیه اقتصادی خود را از دست میدهد و جذب و جذب سطحی به دلیل انتقال آلاینده از یک فاز به فاز دیگر اعتبار لازم را ندارد. بیوفیلتراسیون به عنوان یک روش عملی برای حذف گازهای گلخانه ای در سال 1920 به رسمیت شناخته شد هنگامی که با حذف زیستی H₂S از پساب فاضلاب در کارخانه تصفیه فاضلاب در آلمان را شروع کرد. در روش تصفیه ی بیولوژیک، گاز آلاینده از میان مواد پرکن در بستر بیوفیلتر عبور می کند. میکروارگانیسم هایی که روی آکنده رشد یافته، لایه ای از بیوفیلم ایجاد می کنند و گاز آلاینده ضمن نفوذ از فاز گازی به بیوفیلم مایع در آنجا توسط میکروارگانیسم ها تخریب و به آب و دی اکسید کربن و توده زیستی ۲ تبدیل می شود. بیوفیلتراسیون در مقایسه با سایر روش ها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر بوده و نیز بر خلاف شوینده های فیزیکی و شیمیایی اثرات زیست محیطی کمتری دارد [3-5]

معمولا تکنولوژی زیست صافی برای دبی جریان های 1000 تا 50000 متر مکعب در ساعت و غلظت های زیر gm 31 توجیه اقتصادی قابل قبولی دارد. [4] فرایند پیچیده بیوفیلتراسیون شامل پدیده های انتقال، تغییرات فیزیکی و بیولوژیکی می باشد. نظر به پیچیدگی مذکور مدل های ریاضی با سطوحی مختلف با هدف پیش بینی رفتار این سیستم ها ارائه گردیده است. لازم به ذکر است که در هر مدل ضمن اعمال فرضیاتی صرفا تعدادی از پدیده های موجود در فرایند پیش گفته لحاظ گردیده است. بنابراین مدل های ارائه شده بسته به فرضیات اعمالی دارای تنوع می باشند. این فرضیات شامل چگونگی در نظر گرفت سیال و نوع واکنش تخریب در بیوفیلم و نقش آکنده در فرآیند می باشند [6-10].

مطالعه ی تحقیقات قبلی نشان می دهد اساس مدل های ارائه شده مدل اتنگراف و همکاران بوده که در سال 1983 ارائه شده و در آن فرایند تخریب بیولوژیکی از سینتیک مونود پیروی می کند. این تخریب در غلظت های کم به سینتیک درجه اول و در غلظت های بالا به سینتیک درجه صفر تبدیل می شود[11]. مدل شرف الدين و همکاران در سال 1993 جهت بررسی رفتار حذف بخارات متانول ارائه شده است [6]. در این مدل ضمن در نظر گرفتن اثر گاز اکسیژن فرض شده است که کل آکنده به وسیله ی بیوفیلم پوشیده شده است. با این وجود در مدل شرف الدين و همکاران در سال 1994 فرض گردیده که قسمتی از آکنده توسط بیوفیلم پوشیده شده و قسمت دیگر آن در معرض تماس فاز گاز قرار دارد[7]. مدل امان الله و همکاران در سال 1999 واقعیت های بیشتری را از فرآیند بیوفیلتراسیون لحاظ می کند. و فرضیاتشان را به این صورت در نظر گرفتند: وجود جذب سطحی از لایه ی زیستی به پرکن و همینطور وجود ترم تخریب زیستی درون جاذب که از درجه n فرض می شود و واکنش جذب سطحی، هم دما لحاظ شد و غلظت آلاینده درون پرکن با غلظت آلاینده درون فاز گاز رابطه ی خطی داشته و سرعت انتقال جرم به درون پر کن از روش نیروی محرکه ی خطی پیروی می کند [10].

باکوریز و همکاران (2005) مدلی را برای حذف آمونیاک توسط زیست صافی ارائه دادند که این مدل ریاضی بر پایه معادلات موازنه ی جرم برای 4 فاز می باشد.(فازهای گاز – مایع – فیلم زیستی و جامد) [12]. مدل چمیل و همکارانش (2005) از مفهوم نیروی محرکه ی خطی برای تقریب انتقال بین فازی، آلاینده استفاده کردند و در آن جذب سطحی آلاینده مدل به پرکن لحاظ شده و تخریب زیستی آلاینده درون پرکن با استفاده از رابطه ی مونود اصلاح شده بدست می آید [13]

هدف از انجام این تحقیق ارائه یک مدل جامع در خصوص عملکرد یک بیوفیلتر می باشد که به کمک آن بتوان به تحلیل و بررسی اثر پارامترهای عملیاتی و طراحی بر عملکرد بیوفیلتر و راندمان جداسازی پرداخت.

روش بررسی:

لازمه ی انجام مدلسازی دقیق درک صحیح فیزیک سیستم و نیز پدیده های موجود در فرایند مورد بررسی می باشد. در بیوفیلتراسیون، آلاینده های گازی آلی به وسیله ی گونه های میکروبی هوازی تخریب می شوند. در این فرایند جریان گاز آلاینده از میان مواد پرکن در بستر بیوفیلتر عبور می کند (جریان به سمت بالا یا به سمت پائین). جمعیت میکروبی در روی سطح ماده ی پرکن جمع شده و یک لایه ی بیوفیلم فعال را ایجاد می کند. به خاطر اختلاف غلظت بین دو فاز، گاز آلاینده از فاز گازی به بیوفیلم مایع نفوذ کرده و در آنجا به وسیله ی میکروارگانیسم های موجود تخریب می شود. در واقعیت آکنده (نگهدارنده) به طور کامل با بیوفیلم پوشانده نشده و قسمت هایی از جامد در تماس مستقیم با جریان گاز می باشد و در این قسمتها جذب سطحی مستقیم جزء آلاینده به آکنده اتفاق می افتد. توجه شود که در شرایط پایا مقدار آلاینده یا اکسیژنی که در بیوفیلم و آکنده نفوذ می کند برابر با مقداری است که توسط فرایند تخریب بیولوژیکی تصفیه می شود. در شکل 1 شمایی از سیستم مورد بررسی ملاحظه می گردد.

ادامه مطلب را با دانلود فایل پیوستی مشاهده کنید.

حتما بخوانید:

⇐ نقش بیوفیلترها در کنترل آلودگی هوا

⇐ کاربرد فیلترهای بیولوژیکی در تصفیه گازها (بیوفیلتراسیون)