CC BY
5МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОДЕСУЛЬФУРИЗАЦИИ ГАЗОВОГО ПОТОКА В ТЕХНОЛОГИЯХ ЗАЩИТЫ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗАГРУЗКИ ИЗ
ФОСФОГИПСА
Черныш Елизавета Юрьевна
к.т.н., докторант, ст.преподаватель кафедры ПЭК, Сумский государственный университет, ул. Римского-Корсакова, 2, 40007, г. Сумы, Украина
Яхненко Елена Николаевна
ассистент кафедры ПЭК, Сумский государственный университет, ул. Римского-
Корсакова, 2, 40007, г. Сумы, Украина
Осуществлено математическое моделирование процесса биоочистки от сероводорода газового потока в технологиях защиты атмосферного воздуха при использовании в биофильтре минеральной загрузки из гранулированного фосфогипса с учетом степени биотрансформации дигидратного фосфогипса бактериальной биопленкою для достижения наиболее высокого экологического эффекта. Экспериментальные данные зависимости окислительной способности биопленки от концентрации сероводорода в биогазе апроксимованы уравнением регрессии.
Ключевые слова: биофильтр, газоочистка, минеральная загрузка, гранулированный фосфогипс, биотрансформация, биоактивность бактериальной пленки, биохимическая емкость минеральной загрузки.
Здшснено математичне моделювання процесу бюочищення вщ арководню газового потоку в технолопях захисту атмосферного пов^ря при використанш в бюфшь^ мшерального завантаження iз гранульованого фосфоппсу з врахуванням ступеню бют-рансформаци дигщратного фосфогшса бактерiальною бiоплiвкою для досягнення най-бшьш високого еколопчного ефекту. Експериментальш даш залежностi окисно'1 здатносп бiоплiвки вiд концентраци сiрководню в бiогазi апроксимованi рiвнянням ре-гресп.
Ключов1 слова: бiофiльтр, газоочищення, мiнеральне завантаження, гранульова-ний фосфогiпс, бютрансформащя, бiоактивнiсть бактерiальноi плiвки, бiохiмiчна емно-стi мiнерального завантаження.
При математичному моделюванш кiнетики конверсп сiрководню аркоокислюю-чими мiкроорганiзмами в процесi уташзацп фосфогiпсу були висунутi припущення: увесь робочий об'ем бiофiльтра однорiдно заповнений завантаженням iз фосфогiпсу; концентраци мшерального субстрату (фосфоппсу) i бiоплiвки в кожнш точцi бюфшьт-ра однаковц концентрацiя субстрату i загальне число кл^ин пов'язанi лiнiйно, змiна концентраци сiрководню (Сн s) при проходженш максимуму за кiлькiстю життездат-
них клiтин (при Цш = const) мае нелшшну залежнiсть вщ значення бiохiмiчноi емностi завантаження з фосфоппсу (%ГФ ). При цьому важливим для аналiзу ефективностi засто-сування фосфогiпсових гранул як мшерального ноая для iммобiлiзацii мiкроорганiзмiв е оцшка бiохiмiчноi емностi завантаження iз фосфогiпса з урахуванням сорбцiйних процеав на його поверхнi.
Вiдповiдно, з урахуванням рiвномiрного розподiлу сiрководню газового потоку поведшка його концентраци у час та змiна величини бiохiмiчноi емностi завантаження iз фосфогiпсу описуеться системою звичайних диференщальних рiвнянь:
де £ГФ - бiохiмiчна eмнiсть гH2S / см3 завантаження iз фосфогшсу; С - концентрацiя H2S в газовому потощ, мг/дм3;
Ух/з - економiчний коефiцieнт виходу бiомаси тюбактерш по субстрату - арково-
дню;
Цш - питома швидкiсть росту тюбактерш, год-1;
X - константа швидкосп шактивацп, частота вiдмов, що призводять до втрати здь бностей клггин тiобактерiй до розмноження, доба-1 ;
Бг - вхiднi витрати газового потоку, що мютить арководень, дм3/ хв;
т - контактний час, хв. (досягнення значення менше 50 ррш) ;
Угф - питомий об'ем шару гранульованого фосфогшса в бiофiльтрi або бюскрубе-
р^ дм
3
аБ - окисна здатнiсть бiоплiвки, г/см3ч.
У виразi (2) представлеш як фiзико - хiмiчнi параметри, що впливають на штен-сивнiсть газоочищення, так i бiохiмiчна аквтивность, яка характеризуеться питомою швидкютю росту бактерiй i окисною здатшстю бiоплiвки, що була визначена експери-ментально. Як видно iз графша (рис.1) аБ змiнюеться зi змшою концентрацп арковод-
ню в газовому потощ.
Рисунок 1 - Крива окисног здатност1 б1опл1вки (за експериментальними даними)
Експериментальш даш залежносп окисно'1' здaтностi бiоплiвки (аБ) вiд концентра-цii сiрководню (С) в бiогaзi можна апроксимувати рiвнянням регресп:
«б = - 0,0034С2 + 3,6775С - 9,2637 (R2 = 0,9737)
(3)
При реалiзащi математично'1' моделi використовували значення констант, взятих з лггературних джерел [1]. Вихщш данi визначали в вщповщносп з бiохiмiчними умова-
ми проведення процесу очищення газового потоку (табл.1).
Таблиця 1
_Вихщш данi для проведення математичного моделювання_
n04aTK0BÍ умови Значення Одинищ вимiрювання
Yx/s1 0,093 мг/мг
iV) 0,037 доба-1
0,031 доба-1
Т 1,5 год.
Fr 0,23 дм3/ хв.
Угф 1,8 дм3
При цьому значення С змшювалися в дiапазонi, ppm: 250, 400, 550, 700, 850. Для розробки комп'ютерно'1' моделi використовувалася мова програмування С++ в штегрова-ному середовищi Borland C++, який призначений для опису широкого кола завдань i мь стить механiзми керування обчислювальним процесом i роботи з даними, що оптимально пiдходить для виршення поставленого завдання.
Для розрахунку коефщента кореляци мiж експериментально визначеними зна-ченнями концентраци сiрководню i значеннями, отриманими при моделюваннi, був ви-користаний пакет програм MS Excel iз вбудованою функцieю КОРРЕЛ.
Була отримана крива (рис. 2), що вщповщала теоретичнш динамiцi зниження концентраци арководню i достатньо значний 36ir i3 дослщними даними.
2 I
оа
о.
u S к JJ L
s
■ i—i i
900,00 850,00 800,00 750,00 700,00 650,00 600,00 550,00 500,00 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00
\
\
\
\|
S
S i 1
L
0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Час контакту, год
• 2
Рисунок 2 - Змгна концентрацИ ырководню в часг. Поргвняльний аналгз експериментальних даних i результатгв математичного моделювання (r = 0,923): 1 - математичне моделювання; 2 - експериментальт дам.
Найбшьше зменшення концентрацп сiрководню припадае на другий твперюд вiд 0,5 до 1,0 год., що вiдповiдае стабшзацп розвитку бактерiальноi плiвки на поверхш мо-дифiкованих гранул фосфогiпса тсля закiнчення адаптацiйного перiоду.
Таким чином, для реалiзащi процесу утилiзащi фосфогшса у технологiчних системах захисту атмосферного пов^ря важливим е врахування рiвня бiоактивностi при iммобiлiзащi аркоокиснюючих бактерiй на поверхнi фосфогiпсового завантаження й ступеню бютрансформацп дигiдратного фосфогшса у процес окиснення домiшок газового потоку для досягнення найбшьш високого еколопчного ефекту.
1. Hyeong-Kyu Namgung. The Effect of Oxygen Supply on the Dual Growth Kinetics of Acidithiobacillus thiooxidans under Acidic Conditions for Biogas Desulfurization / Hyeong-Kyu Namgung, JiHyeon Song // Int. J. Environ. Res. Public Health. - 2015. -12. -136-138.
