CC BY
0"Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1975, - 243 с.
3. Стоян Ю.Г. Размещение геометрических объектов. / Ю.Г. Стоян - Киев: Наукова думка, -1975, - 175 с.
4. Стоян Ю.Г. Методы и алгоритмы размещения плоских геометрических объектов/ Ю.Г. Стоян, Н.И. Гиль.- Киев: Наукова думка, -1976,242 а
5. Утина Л.С. Построение годографа функции плотного размещения двух выпукло-ввогнутых многоугольников / Л.С. Утина. // Известия высших учебных заведений. Технолог. легкой
промышленности. - 1979. - №1. - С. 51-55. - №3. -С. 62-66
6. Утина Л.С. Построение годографа функции плотного размещения односвязных фигур / Л.С. Утина, В.А. Скатерной // РФАП, Институт кибернетики АН УССР, регистрационный № 5139, - Киев, 1979,- 36 с.
7. Фесенко А.Г. Методы и алгоритмы наиплотнейшей решетчатой укладки плоских объектов: автореф. дис. на соиск. науч. степени кандидата физико-математических наук: специальность 01.008. „Вычислительная математика " / А.Г. Фесенко. - Киев, 1981, - 24 с.
Черниш €.Ю.
докторант, старший викладач кафедри прикладной екологН Сумського державного утверситету
(СумДУ), кандидат техтчних наук Яхненко О.М.
асистент кафедри прикладно'1 екологН Сумського державного }miверситету (СумДУ)
Пляцук Л.Д.
завiдувач кафедри прикладной екологН Сумського державного утверситету (СумДУ), доктор техтчних наук, професор Козш I. С.
доцент кафедри прикладно '1 екологН Сумського державного утверситету (СумДУ), кандидат техтчних наук
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ОБСЯГУ ГРАНУЛЬОВАНОГО ЗАВАНТАЖЕННЯ НА ОСНОВ1 ФОСФОГ1ПСУ НА ПРОЦЕС ГАЗООЧИЩЕННЯ В СИСТЕМАХ БЮДЕСУЛЬФУРИЗАЦП
STUDY OF INFLUENCE OF GRANULATED PHOSPHOGYPSUM LOAD ON PROCESS OF GAS CLEANING UNDER BIO-DESULFURIZATION SYSTEMS
Chernysh Ye.Yu.
doctoral student, senior lecturer in Department of Applied Ecology, Sumy State University (SSU), Candidate of Technical Sciences;
Yakhnenko O.M.
assistant in Department of Applied Ecology, Sumy State University (SSU);
Plyatsuk L.D.
Doctor of Technical Sciences, Professor in Department of applied ecology of Sumy State University(SSU),
head of Department of applied ecology SSU;
Kozii I.S.
assistant professor in Department of Applied Ecology, Sumy State University (SSU), Candidate of Technical
Sciences;
АНОТАЦ1Я
В статп описано динашку зменшення обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу, що викори-стовуеться в бюфшк^ для газоочищення срковмюних ^iB як мшеральний носш, встановлено фактори, що впливають на зменшення обсягу завантаження.
Встановлено залежнють ефективносп газоочищення вщ величини змши обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу, визначено оптимальну дозу завантаження ново! партп гранульованого фосфогшсу в бюфшьтр в залежносл вщ концентраци арковмюних сполук в газовш сушш. Отримаш дослвдт результата апроксимоваш рiвняннями регресп. ABSTRACT
This paper describes the dynamics of reduction of granulated phosphogypsum loading that used in the biofilter for cleaning of sulfur-containing gases. Factors affecting the reduction of phosphogypsum load were studied.
The dependence of the gas cleaning efficiency from the change in volume loading of granulated phosphogypsum was investigated. The optimal dose of load granulated phosphogypsum was determinated for biofilter. The obtained experimental results were approximated by regression equations.
Ключовi слова мшеральний носш, гранульований фосфогшс, газоочищення, бюдесульфуризащя Keywords: mineral carrier, granulation phosphogypsum, gas cleaning, bio-desulfurization
Вступ та огляд попередшх дослiджень. Мето-ди бiохiмiчного очищення природного газу та бю-газу набувають все бiльшого застосування. Попу-лярним напрямком штенсифжацп бiологiчного очищення е використання для закрiплення в прос-торi бiофiльтрiв активно! бюмаси мiкроорганiзмiв рiзних матерiальних носпв.
Достатньо часто в якосп носiя використову-ють полiуретан, гранульоване активоване вуплля, носiй на основi неорганiчного полiмерного композита високопористо! структури, завантаження з кислотостiйкого сорбенту (лавсанових йоршiв), Ca-Альгiнат, к1льця полiпропiлену, торф, тирсу, пiнополiуретан [3-5].
В бiофiльтрах процеа автоселекцп на носи починае дом^вати ацидофiльна асоцiацiя мжро-органiзмiв, що викликае утворення арчано! кисло-ти, отже в технолопчному процесi значения рН рiзко змiнюеться з лужного на кисле. Це повинно враховуватися при пiдборi матерiалу носiя для iммобiлiзацil мiкроорганiзмiв.
Недолiки носив iз природних матерiалiв (активоване вуплля, тирса, торф) проявляються в тому, що агресивне середовище (рН=4,0-5,0) впли-вае на !х сорбцшш властивостi, швидко руйнуе !х, практично виключаеться можливiсть ефективно! регенерацп. Синтетичш носи механiчно бiльш стiйкi, однак, так само вимагають постiйного шд-ведення поживних речовин у реактор для шдтрим-ки метаболiзму мiкроорганiзмiв, що потребуе до-даткових витрат.
Можливостi використання вщвального фос-фогiпсу в якосп мiнерального носiя дослвджува-лись у роботах [1, 2]. Вщходи фосфогшав, нако-пиченi в великих обсягах, стають причиною ввд-чуження земель та забруднення прилеглих екосистем. За сво!ми характеристиками фосфогiпс вiдноситься до малотоксичних вiдходiв, мiстить фосфор, арку, кальцiй, домiшки залiза, мiдi, крем-нш, цинку тощо. Таким чином, фосфогшси мо-жуть розглядатися як дешевий кислотостiйкий мiнеральний носiй, що при використанш в якостi ноая додатково може виступати джерелом макро -i мiкроелементiв для розвитку бактерш. Бактерiа-льний матрикс мщно зв'язуеться з матрицею носiя з фосфогшсу, що сприяе мiнiмiзацil виносу активно! маси сульфщокислюючих бактерш з бюф№т-ра в процеа промивки заваитажения, i дозволяе достатньо легко проводити видалення з поверхш гранул елементарно! сiрки, утворено! в якосп метаболиту бактерiями при очищенш сiрковмiсних газових сумiшей. О^м того, використання грану-льованого фосфогшсу в бютехнолопях газоочи-щення сприятиме зменшенню кiлькостi вiдходу, а отже i зменшуватиметься негативний вплив на навколишне середовище вiд мiсць його складуван-ня.
Мета та задачi дослiджения. Проведенi досль дження ставили за мету визначити особливють
впливу на ефектившсть бiохiмiчного газоочищен-ня обсягу завантаження гранульованого фосфогш-
су.
Для досягнення поставлено! мети вирiшува-лися наступнi задачi:
- вивчена динашка зменшення обсягу гранульованого завантаження ввд початкового значення в залежносп вiд ряду факторiв;
- встановлено залежносл ефективностi газоо-чищення вiд величини змiни обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу;
- визначено оптимальну дозу завантаження ново! партп гранульованого фосфогшсу в бю-фiльтр.
Матерiали та методи моделювання процесу роботи системи бюдесульфуризацп при використанш гранульованого фосфогiпсу в якостi но^ для мiкробних культур. У попередшх дослщжен-нях встановлено [2], що в процеа бютрансформа-цi! частина мшерального носiя iз дигвдратного фосфогшсу використовуеться в метаболiзмi тюбакте-рiй. При цьому в процеа бюокислення сполук сiрки ввдбуваеться накопичення бiосiрки на повер-хнi гранульованого завантаження iз фосфогiпсу, яку попм видаляють iз системи з промивною водою. Вiдповiдно цi два фактори впливають на зменшення об'ему гранульованого завантаження фосфогшсу в бiофiльтрi. Тому експериментально було здшснено вивчення динамiки зменшення обсягу гранульованого завантаження ввд початкового значення та знайдено дозу завантаження ново! партп гранульованого фосфогшсу за формулою:
л = ^ .100%,
1Ф V Г0
Бгф - доза завантаження ново! партп гранульованого фосфогшсу, %;
У/ - обсяг гранульованого фосфогшсу на /-ий момент часу, г/дм3 бюфшьтра;
У0 - обсяг початкового завантаження гранульованого фосфогшсу, г/дм3 бюфшьтра (у розра-хунку 70% ввд об'ему бюфшьтра).
Результата дослвджень показник1в залежносп обсягу завантаження гранульованого фосфогiпсу ввд процесу утворення бiосiрки та !! вимивання iз системи. При зб№шенш часу роботи установки та з проходженням вiдповiдно бiльшо! кiлькостi цик-лiв вимивань бiосiрки з поверхш фосфогшсових гранул зменшувався вiдсоток обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу в бюфшк^ (рис. 1), що ввдповвдае полiномiальнiй функцi! та апрокси-муеться рiвнянням регресi!:
М(У0 = -1,19Х12 + 27Х1 - 110,84 ^ = 0,9838),
де Y1 - величина змши обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу;
Х1 - час мiж перюдами вимиванням бiосiрки з поверхнi фосфогшсових гранул.
а) б)
Рисунок 1 - Залежтсть величини обсягу завантаження гранульованого фосфогтсу eid перюдичностг вимивання бюарки: а) при концентрацП H2S eid 250 ppm до 850 ppm; б) при концентрацП H2S eid 10 % до
30 %
При знаходженш оптимального поеднання таких факторiв як часу мiж перюдами вимиванням бюарки з поверхш фосфогшсових гранул (Х1) та рiзних концентрацш сiрководню в газовому потощ (Х2), були побудованi дiаграми тривимiрних пове-рхонь (рис. 2), за якими можна визначити оптима-льну дозу завантаження ново! парти гранульовано-
го фосфогiпсу, виходячи i3 динамiки зниження початкового обсягу завантаження. Варто зауважи-ти, що на остаточне визначення дози гранул фос-фогiпсу впливае бiохiмiчна складова процесу, тоб-то показники розвитку бактерiального матриксу та його стабтна робота як робочого тiла бюфшьтру.
а) б)
Рисунок 2 - Динамiка змши обсягу фосфогinсового завантаження в бiофiльтрi залежно вiд часу мiж перiодами вимивання бiосiрки та концентрацП арководню в газовому потоцi: а) для стандартних систем бюдесульфуризаци; б) для високонавантажених за арководнем систем бiодесульфуризацii
Виходячи з отриманих результапв (рис.2 ), вплив факторiв Х1, Х2 на динам^ змши обсягу гранульованого фосфогшсу в бiофiльтрi апрокси-муеться таким рiвнянням регреси:
- для стандартних систем бюдесульфуризаци М(У:) = -119,162+20,0914 Х2+8,34 Х1-3,61 Х22 Коефiцiент детермшаци становить R2=0,9576;
стандартна похибка оцiнки - 0,4103;
- для високонавантажених за арководнем систем бюдесульфуризаци
М(У0 = -20,6686-0,1695 Х2+1,1676 Х1 +0,016 Х22+0,059 Х2 Х1 -0,097 Х12
Коефщент детермшаци становить R2=0,9672; стандартна похибка оцшки - 0,3811.
Визначено, що при збшьшенш концентраци сiрководню у бiогазi доза завантаження повинна збшьшуватись.
Так, при H2S=250 ррт зменшення дози завантаження на 25 добу становило 0,1%, що сввдчить про невисош темпи метаболiчноl активности сiрко-
окислюючих бактерш з максимумом на 65 добу (13,80%) (рис.1,а).
При вмiстi H2S=850 ppm вщсоток зменшення дози завантаження гранульованого фосфогшсу ввд початкового обсягу на 25 добу становив 2,2 % з подальшим збiльшенням до 14,7 % на 55 добу з максимумом на 65 добу (15,10 %).
При дослщженш процесу бiохiмiчного очищения газових потоков iз високим вмiстом арко-водню (вiд 10% до 30%) спостершалось подальше зменшення обсягу гранульованого завантаження бюфшьтру при однаковiй перiодичностi вимиван-ня бiосiрки iз системи. Так, при вмел в газовiй сумiшi 10% арководню вiд загального об'ему газу зменшення обсягу фосфогшсових гранул стано-вить 14,20 % на 45 добу, при вмюп H2S 20% - на 15,70%, а при вмсп H2S 30% - на 16,50% за одна-
ковий промiжок часу, з подальшим зменшенням обсягу фосфогшсових гранул до 23% ввд ix початкового обсягу в бiофiльтрi (рис. 1б).
Результати дослщження впливу обсягу гранульованого фосфогшсу в бюфшк^ на ефективнiсть газоочищення. Ефективнiсть очищення бiогазу була постшною при зменшеннi обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу до 12,0%-12,5% ввд загального обсягу завантаження. Починаючи iз зменшення обсягу гранульованого завантаження на 13,5%-15,0% спостерiгалась тенденцiя до зменшення «осередшв» бiоокисления, що мали розви-нутий бактерiальний матрикс на поверxнi фосфо-гiпсовиx гранул i вiдповiдно ефективнiсть газоочищення зменшувалась у межах ввд 1,3% до 5,4% (рис. 3).
3 4 5 6 1 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Величина зменшення обсягу завантаження гранрьаваного фосфогшсу, % а) б)
Рисунок 3 - Залежтсть ефективностг газоочищення вгд величини змти обсягу завантаження гранульованого фосфоггпсу (що визначалась як % втрат (бютрансформацгя+вимивання разом 1з бюаркою) гранул вгд початкового обсягу гранульованого фосфоггпсу в бгофгльтрг: а) бюгаз 1з концентрацгею сгрководню вгд 250 ррт до 850 ррт; б) газова сумш визначеного складу 1з концентрацгею
сгрководню неменше 10% в1д об'ему газу
При дослщженш газових потоков з високим вмютом арководню не вщбувалося зменшення ефективносп бiохiмiчного очищення при початко-вш величиш зменшення завантаження гранульованого фосфогшсу на 1,0%.
Зi зменшенням обсягу гранульованого фосфогшсу до 9% ввдбувалось незначне зниження ефек-тивносп процесу газоочищення на 1,2% - 2,0 %. При цьому система стабшьно працювала до граничного значення 12% вщ обсягу початкового завантаження гранульованого фосфогшсу.
Подальше зменшення обсягу гранульованого фосфогшсу в межах 13,5-15% призводило до па-дшня ефективносп газоочищення до 10 % для ви-соконавантажених за арководнем систем бюдесу-льфуризаци. Такий ефект може спричинити зниження концентрацп бюгенних речовин, що необхiднi для розвитку тюбактерш, внаслiдок бю-трансформацп як мшерального субстрату фосфо-
гiпсу та зменшення його об'емно! частки в бюфь льтрi.
Таким чином, за отриманими результатами (рис.3, а, б) вплив змши обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу (Х3) при рiзних концент-рацiях сiрководню в газовому потощ (Х2) на ефек-тившсть газоочищення аироксимуеться рiвнянням регреси:
- при очищенш бiогазу
Ы(Т2) = 97,8388+5,094 Хз+0,48 Х2-0,301 Хз2
Коефщент детермшацп становить R2=0,9645; стандартна похибка оцiнки - 0,4212;
- при очищенш шших газових потоков iз вмю-том сполук сiрки в дiапазонi ввд 10% до 30%
М(У2) = 101,1497- 10,875 Хз-1,27 Х2-0,461 Хз2
Коефщент детермшацп становить R2=0,9578; стандартна похибка оцiнки - 0,3910.
Слад вiдмiтити механiзми бютрансформаци, як1 е важливими для визначення ефекту ввд вико-
ристання як мшерального ноая для бактерiальноï культури гранульованого дипдратного фосфогш-су. Так, фосфогiпс з модифжованою поверхнею характеризуеться низькою пористютю, що сприяе зменшенню процесу адсорбцп всередину гранул продуктiв життедiяльностi мiкроорганiзмiв (бюсь рки). На поверхнi гранул утворюеться стшка бюп-лiвка, в якш представленi сульфiдокислюючi бак-терп Thiobacillus sp., при цьому бактерiальний ма-трикс проникае через тони пори (порiвняно з розмiрами клiтин) вглиб гранул, клiтини тддають ферментнiй трансформацiï частину мiнеральних компоненпв i «зростаються» з ними, утворюючи внутршнш «бюактивний прошарок». Утворений метаболгг - бiосiрка виявляеться на поверхш гранул i легко тддаеться видаленню. Також ввдсутня необхiднiсть щдведення додаткових поживних речовин у водний розчин.
Виходячи iз результапв дослiдження (рис. 1 -3), доза завантаження повинна становити неменше 14% ввд загального обсягу фосфогшсових гранул в бюфшк^ з перюдичшстю дози завантаження 4555 дiб, що мае пряму кореляцш iз концентрацiею сполук сiрки в газовому потощ, що тддаеться очищенню. Так, при очищенш бiогазу доза гранульованого фосфогшсу завантажуеться на 55 добу, а при очищенш газових потоков з високим вмютом сполук арки - на 45 добу роботи бюфшьтра.
Висновки. У ходi дослiдження встановлено, що на зменшення обсягу гранульованого заванта-ження iз фосфогшсу впливають процеси викорис-тання його складових бактерiями для живлення та винесення при промивцi частини фософгшсу з бiосiркою, причому збiльшення арковмюних гaзiв призводить до aктивiзaцiï метaболiзму бaктерiй та до потреби в часпшш промивцi, а отже до змен-шення об'ему завантаження. Крiм того, визначено, що при збшьшенш концентраци арководню у бю-
ra3Í доза завантаження повинна збiльшувалась, причому найб№ш ефективно газоочищення вщ-буваеться при зменшеннi обсягу завантаження гранульованого фосфогшсу не б№ш нiж 12,012,5%. Отриманi дослiднi результати апроксимо-ванi рiвняннями регреси.
Список лггератури
1. Черниш £.Ю. Iнтенсифiкацiя процесу бю-логiчного газоочищення за допомогою iммобшза-цiйного носiя iз фосфогшсу/ Черниш £.Ю., Яхнен-ко О.М.// Екологiя та промисловiсть. - 2015. - № 3 - С.46-50.
2. Plyatsuk, L. D. Intensification of the anaerobic microbiological degradation of sewage sludge and gypsum waste under bio-sulfidogenic conditions / L. D. Plyatsuk, E. Yu. Chernish // The Journal of Solid Waste Technology and Management (USA). - 2014. -Vol. 40, no 1. - Р. 10-23. (Scopus)
3. Юрченко В. А. Оценка эффективности работы фильтра из активированного угля дегазатора при очистке газообразных выбросов из канализационных сетей от метана / В. А. Юрченко, А. Ю. Бахарева // Сборник научных трудов "Вестник НТУ "ХПИ". - 2011. - №53. - С. 39-44.
4. Process for biological removal of sulphide : пат. бвропейський № EP 0845288 A1, МПК B01D53/48, C12S5/00, C10L3/10, B01D53/84 / Cees Jan Nico Buisman, Albert Jozef Hendrik Janssen; Thiopaq Sulfur Systems B.V. - № EP19960203347; заявл. 27. 11.1996; опубл. 3. 06.1998
5. Ramirez M. Removal of hydrogen sulphide by immobilized Thiobacillus thioparus in a biofilter packed with polyurethane foam / M. Ramirez, J.M Gómez, G. Aroca [and etc.] // Bioresource Technology. 2009. - Volume 100, Issue 21. - P. 4989-4995.
