مدل‌سازی فرآیند بیوفیلتراسیون برای حذف وینیل کلراید از جریان هوا با استفاده از مدل اوتنگراف اصلاح شده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

چکیده

در این مقاله به‌منظور مدل‌سازی فرآیند بیوفیلتراسیون از مدل ریاضی اوتنگراف اصلاح شده استفاده شده است که امکان در نظر گرفتن همزمان محدودیت در واکنش بیولوژیکی و محدودیت در نفوذ آلاینده به فاز بیوفیلم را فراهم می‌کند. مزیت اصلی این مدل در مقایسه با سایر مدل‌ها سادگی و داشتن حل تحلیلی است. نتایج مدل‌سازی نشان می‌دهد که مدل اوتنگراف اصلاح شده، داده‌های آزمایشگاهی حذف وینیل کلراید از جریان هوا را با ضریب تبیین (R2) بالاتر از 95/0 پیش‌بینی می‌نماید به‎طوری‌که خطای نسبی مدل و داده‌های تجربی به‏ترتیب 41/0، 59/0 و 54/0 درصد برای ستون‌های اول، دوم و سوم محاسبه شده است. پارامترهای سینتیکی مانند ثابت سرعت واکنش بیولوژیکی که به‌صورت تجربی به سختی قابل اندازه‌گیری است، توسط برازش مدل به ترتیب برابر 1، 042/1 و  g/m3.h 9957 /0 برای سه ستون محاسبه شده است. با استفاده از پارامترهای به‌دست آمده، امکان پیش‌بینی عملکرد بیوفیلتر فراهم می‌گردد. برای رسیدن به غلظت مجاز برای یک شیفت کاری 8 ساعته، مطابق استاندارد مدیریت سلامت و ایمنی حرفه‌ای آمریکا OSHA، لازم است دبی خروجی و زمان ماند بستر خالی به ترتیب به m3/h 129/0 و s 196 برسد که متناظر با بازده حذف 90 % می‌باشد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Modeling of Biofiltration Process for Removal of Vinyl Chloride from an Air Stream by Modified Ottengraf Model

نویسندگان [English]

  • Seyyed Hamid Esmaeili Faraj
  • Mohsen Nasr Esfahany
  • Younes amini
Department of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan
چکیده [English]

In this paper, the modified Ottengraf model (MOM), as a mathematical model, is applied to modeling the biofiltration process. The model facilitates considering both biological reaction and diffusion limitations simultaneously. The main advantages of this model are simplicity and an analytical solution compared with other mathematical models for biofiltration process. The modeling results show that the modified Ottengraf model can predict the experimental results for vinyl chloride removal from an air stream with an R-squared value higher than 0.95 and the relative errors between the model and the experimental results for first, second, and third column were 0.41, 0.59, and 0.54 respectively. Kinetic parameters such as reaction rate constant were estimated by fitting the measurements to the model for three columns as 1, 1.042, and 0.9957 g/m3.hr respectively. Using fitted parameters, it is possible to predict biofilter performance in other experimental conditions. According to the OSHA standard, for achieving an allowable VC concentration, during 8-hour work shifts in the outlet stream of the biofilter under consideration, the flow rate and empty bed residence time should be 0.129 m3/hr and 196 sec respectively. The removal efficiency of 90% was achieved using the mentioned empty bed residence time and flow rate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biofiltration
  • Vinyl Chloride
  • Modeling
  • Modified Ottengraf Model
  • Removal Efficiency

 

[1]. Wang L. K., Pereira N. C. and Hung Y.T ., “Biological treatment processes”, Humana Press, Vol. 8, 2009.

[2]. Shareefdeen Z. and Singh A., Biotechnology for odor and air pollution control, Springer, Berlin, 2005.

[3]. تقی‌پور ح.، بررسی حذف بیولوژیکی آمونیاک با استفاده از روش بیوفیلتراسیون سه بستری و تک بستری از جریان گاز و تاثیر سولفید هیدروژن در فرآیند حذف آمونیاک، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده بهداشت، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، ایران، 1386.

[4]. رستمی ح.، بررسی اثرات منفرد و ترکیبی پارامترهای طراحی و عملیاتی بر فرآیند حذف آلاینده هیدروژن سولفاید توسط راکتور بیوفیلتراسیون و بررسی سینتیکی آن، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران، 1379.

[5]. Nukunya T., Biofilteration of ethanol vapor: Head-Loss studies of heavily loaded systems, Ph.D. Thesis, Chemical Engineering Faculty of USC, USA, 2004.

[6]. Schwarz B., Studies in biofilteration for cleanup of landfill gas, Ph.D. Thesis, Chemical Engineering Faculty of USC, USA, 2001.

[7]. Vedova L. D., Biofilteration of industrial waste gases in trickling-bed bioreactors, Ph.D. Thesis, Universit`adegliStudi di Padova, Italy, 2008.

[8]. اسماعیلی فرج س. ح.، نصر اصفهانی م.، زیلویی ح. و کدیور م.، بررسی میزان حذف وینیل کلراید با استفاده از فرآیند بیوفیلتراسیون، دومین همایش ملی سوخت، انرژی و محیط زیست، کرمانشاه، ایران، 1388.

[9]. Porter R. S., “Biofilter testing using composting for styrene and methyl ethyl ketone”, Proceedings of the 1998 Conference, Composting in the South East, Georgia, Athens, pp. 97-102, 1998.

[10]. Sukesan S. and Watwood M. E., “Continuous vapor phase trichloroethylene biofilteration using hydrocarbon-enriched compost as filteration matrix”, Appl. Microbiol. Biotechnol., Vol. 48, pp. 671-676, 1997.

[11]. Veenstra J. N., Sanders D. A., and Johan J., “Removal of air-phase 1,2-dichloroethane in a biofilter: A comparison of cometabolism using pre-loaded phenol and concurrent phenol addition”, Journal of Environmental Science and Health, Vol. 34, No. 8, pp. 1569-1589, 1999.

12. Nicolai R. E., Janni K. A., Jacobson L. D. and Schmidt R. D., Biofilter demonstration project, Final report prepared.

for the Minnesota Department of Agriculture and the Minnesota Agricultural Experiment Station

, Dept. of Biosystems and Agricultural Engineering, University of Minnesota, USA, 1999.

[13]. Okkerse W. J. H., Ottengraf S. P. P., Diks R. M. M., Kuipers B. O., and Jacobs P., “Long term performance ofbiotrickling filters removing a mixture of volatile organic compounds from an artificial waste gas: dichloromethane and methylmethacrylate”, Bioprocess Engineering, Vol. 20, pp. 49-57, 1999.

[14]. Seignez C., Atti A., Adler N. and Peringer P., “Effect of Biotrickling filter Opereting Parameters on Chlorobenzenes Degradation, Journal of Environmental Engineering, Vol. 128, No. 4, pp. 360-366, 2002.

[15]. Webster T. S., Albritton C. and Togna A. P., Adapting Biofilter Processes to Treat Spray Painting Exhausts: Concentration and Leveling of Vapor Delivery Rates and Enhancement of Destruction by Exhaust Recirculation, Industrial report, Envirogen, 2001.

[16]. Cox H. H. J. and Deshusses M. A., “Effect of Starvation on the Performance and Re-acclimation of Biotrickling Filters for Air Pollution Control”, Environ. Sci. Technol., Vol. 36, pp. 3069-3073, 2002.

[17]. Field J. A. and Alvarez R. S., “Biodegradability of chlorinated solvents and related chlorinated aliphatic compounds”, Reviews in Environmental Science & Bio/Technology, Vol. 3, pp. 185-254, 2004.

[18]. Duhamel M., Wehr S. D., Yu L., Rizvi H., Seepersad D., Dworatzeka, S., Cox, E. E., and Edwards E. A., “Comparison of anaerobic dechlorinating enrichment cultures maintained on etrachloroethene”, trichloroethene, cis-dichloroethene and vinyl chloride, Water Research, Vol. 36, pp. 4193-4202, 2002.

[19]. Kennes C. and Thalasso F., “Waste gas biotreatment technology”, J. Chem. Technol. Biotechnol., Vol. 72, pp. 303-319, 1998.

[20]. Iranpoure R., Cox H. H. J., Deshusses M. A., and Schroder E. D., “Literature review of air pollution control biofilters and biotrickling filters for odor and volatile organic compound removal”, Environmental Process, Vol. 24, No. 3, pp. 254-267, 2005.

[21]. Lim K. H., and Lee E. J., “Biofilter Modeling for Waste Air Treatment: Comparisons of Inherent Charecteristics of biofilter models”, Korean J. Chem. Eng., Vol. 20, No. 2, pp. 315-327, 2003.

[22]. Vedova L. D., Colussi I., Cortesi A. and Gall, V., Biofiltration of TCE vapors in a mixed compost-inert carrier trickle bed, Industrial Biotechnology International Conference, Naples, Italy, 2008.

[23]. Ardjmand M., Safekordi A. and Farjadfar S., “Simulation of biofilter used for removal of air contaminants (ethanol), Int. J. Environ. Sci. Tech., Vol. 2, No. 1, pp. 69-82, 2005.

[24]. Esmaeili Faraj S. H., Nasr Esfahany M., Kadivar M., and Zilouei H., “Vinyl chloride removal from an air stream by biotrickling filter”, Journal of Environmental Science and Health, Part A: Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, Vol. 47 No. 14, pp. 2263-2269, 2012.

[25]. IPCS International Programe on Chemical Safty, Vinyl Chloride, Health and Safety Guide No. 109, Geneva, 1999.

[26]. Esmaeili Faraj S. H., Amini Y. and Nasr Esfahany M., Modeling of Biofiltration process for VC Removal from an Air Stream and Optimization of Model Parameters by Genetic Algorithm, The 7th International Chemical Engineering Congress & Exhibition (IChEC), Kish, Iran, 2011.