مطالعه تجربی و مدل‌سازی ریاضی حذف سولفید هیدروژن از بیوگاز با استفاده از بیوفیلتر

ماشین های کشاورزی

مقاله 8، دوره 13، شماره 4 - شماره پیاپی 30، دی 1402، صفحه 521-533   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.2023.80432.1142

نویسندگان

محسن زارعی¹؛ محمدرضا بیاتی^{* 2}؛ محمدعلی ابراهیمی نیک²؛ بیژن حجازی³؛ عباس روحانی²

¹دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیزاسیون کشاورزی، گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

²گروه مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

³گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

بیوگاز خام علاوه بر متان به‌عنوان ترکیب اصلی دارای ترکیب آلاینده دیگری مثل سولفید هیدروژن (H₂S) می‌باشد. سولفید هیدروژن بسیار خورنده بوده و یکی از مشکلات عمده در استفاده از بیوگاز را ایجاد می‌کند و باعث خوردگی در موتورها و خطوط لوله می‌شود. در این تحقیق از بیوفیلتر بستر ثابت برای حذف سولفید هیدروژن از جریان بیوگاز استفاده شد. از دو بستر زغال‌زیستی حاصل از پیرولیز و کمپوست به‌عنوان بستر بیوفیلتر بهره گرفته شد. نتایج نشان داد که به‌ترتیب بازده حذف سولفید هیدروژن برای دو بستر زغال‌زیستی و کمپوست برابر با 94 و 76 درصد شد. به‌ترتیب در دو بستر زغال‌زیستی و کمپوست در ارتفاع 60 سانتی‌متری غلظت سولفید هیدروژن ازppm 185 بهppm 11 و از ppm 70 بهppm 17 کاهش یافت. ضمن این‌که بیوفیلتر کارایی خوبی نسبت به افزایش ناگهانی غلظت سولفید هیدروژن در خوراک بیوگاز نشان داد. مدل‌سازی سینتیکی ساده حذف سولفید هیدروژن برای توصیف عملکرد بیوفیلتر ارائه شد. فرض‌های مدل‌سازی برای ساده‌سازی، شامل صرف‌نظر از تغییرات شعاعی غلظت و نیز استفاده از مدل سینتیکی مونود برای توصیف نرخ حذف سولفید هیدروژن می‌باشد. معادلات دیفرانسیلی معمولی برای شبیه‌سازی به کمک روش رانگه-کوتا حل شد. نتایج مقایسه مدل و داده‌های آزمایشگاهی نشان داد که مدل پیشنهادی به‌خوبی عملکرد حذف سولفید هیدروژن را پیش‌بینی می‌کند (در تمام موارد R² بزرگتر از 0.90 بود). به کمک نتایج تجربی، مقادیر پارامتر سینتیکی حداکثر نرخ رشد ویژه (µ_max) در بستر زغال‌زیستی و کمپوست به‌ترتیب برابر ^5-10× 6.5 و  ^5-10× 0.52 به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

بازده حذف؛ بیوفیلتر؛ حداکثر نرخ رشد ویژه؛ زغال زیستی؛ کمپوست

مراجع

Allegue, L. B., & Hinge, J. (2014). Biogas upgrading Evaluation of methods for H₂S removal. Danish Technological Institute, 31(December), pp.1-31.

Al Mamun, M. R., & Torii, S. (2015). Removal of hydrogen sulfide (H₂S) from biogas using zero-valent iron. Journal of Clean Energy Technologies, 3(6), 428-432. https://doi.org/10.7763/jocet.2015.v3.236

Amini, A., Ebrahimi-Nik, M. A., Abbaspour-Fard, M. H., & Rohani, A. (2021). Preparation of charcoal pellets from grape pruning wastes and study of some of its characteristics. Faculty of Agriculture. Ferdowsi University of Mashhad. (in Persian with English abstract)

Amini, H. R., & Reinhart, D. R. (2011). Regional prediction of long-term landfill gas to energy potential. Waste Management, 31(9-10), 2020-2026. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2011.05.010

Bird, R. B., Stewart, W. E., & Lightfoot, E. N. (2007). Other mechanisms for mass transport. Transport Phenomena, John Wiley & Sons, Inc.

Boumnijel, I., Amor, H. B., Chekir, H., & Hajji, N. (2016). Hydrogen sulphide removal from the effluents of a phosphoric acid production unit by absorption into chlorinated seawater under alkaline conditions. Comptes Rendus Chimie, 19(4), 517-524. https://doi.org/10.1016/j.crci.2015.10.010

Chung, Y. C., Huang, C., & Tseng, C. P. (1996). Microbial oxidation of hydrogen sulfide with biofilter. Journal of Environmental Science & Health Part A, 31(6), 1263-1278. https://doi.org/10.1080/10934529609376423

Das, J., Rene, E. R., Dupont, C., Dufourny, A., Blin, J., & van Hullebusch, E. D. (2019). Performance of a compost and biochar packed biofilter for gas-phase hydrogen sulfide removal. Bioresource Technology, 273, 581-591. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.11.052

Delhoménie, M. C., & Heitz, M. (2005). Biofiltration of air: a review. Critical reviews in biotechnology, 25(1-2), 53-72. https://doi.org/10.1080/07388550590935814

Devinny, J. S., Deshusses, M. A., & Webster, T. S. (2017). Biofiltration for air pollution control. CRC press.

Elias, A., Barona, A., Arreguy, A., Rios, J., Aranguiz, I., & Penas, J. (2002). Evaluation of a packing material for the biodegradation of H₂S and product analysis. Process Biochemistry, 37(8), 813-820. https://doi.org/10.1016/S0032-9592(01)00287-4

Fischer, M. E. (2010). Biogas purification: H₂S removal using biofiltration (Master's thesis, University of Waterloo). http://hdl.handle.net/10012/5458

Heijnen, J. J., & Kleerebezem, R. (1999). Bioenergetics of microbial growth. Encyclopedia of bioprocess technology: Fermentation, Biocatalysis, and Bioseparation, 1, 267-291.

Jiang, X., & Tay, J. H. (2011). Removal mechanisms of H2S using exhausted carbon in biofiltration. Journal of Hazardous Materials, 185(2-3), 1543-1549. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.10.085

Lestari, R. A., Sediawan, W. B., Syamsiah, S., & Teixeira, J. A. (2016). Hydrogen sulfide removal from biogas using a salak fruit seeds packed bed reactor with sulfur oxidizing bacteria as biofilm. Journal of Environmental Chemical Engineering, 4(2), 2370-2377. https://doi.org/10.1016/j.jece.2016.04.014

Lien, C. C., Lin, J. L., & Ting, C. H. (2014). Water scrubbing for removal of hydrogen sulfide (H2S) inbiogas from hog farms. Journal of Agricultural Chemistry and Environment, 3(02), 1-6. http://dx.doi.org/10.4236/jacen.2014.32B001

Marzouk, S. A., Al-Marzouqi, M. H., Teramoto, M., Abdullatif, N., & Ismail, Z. M. (2012). Simultaneous removal of CO₂ and H₂S from pressurized CO₂–H₂S–CH₄ gas mixture using hollow fiber membrane contactors. Separation and Purification Technology, 86, 88-97. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.10.024

Monod, J. (1949). The growth of bacterial cultures. Annual Review of Microbiology, 3(1), 371-394. https://doi.org/10.1146/annurev.mi.03.100149.002103

Namini, M. T., Heydarian, S. M., Bonakdarpour, B., & Farjah, A. (2008). Removal of H₂S from synthetic waste gas streams using a biotrickling filter. Iranian Journal of Chemical Engineering, 5(3), 40-51.

Neill, C., & Gignoux, J. (2006). Soil organic matter decomposition driven by microbial growth: a simple model for a complex network of interactions. Soil Biology and Biochemistry, 38(4), 803-811. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2005.07.007

Pipatmanomai, S., Kaewluan, S., & Vitidsant, T. (2009). Economic assessment of biogas-to-electricity generation system with H2S removal by activated carbon in small pig farm. Applied Energy, 86(5), 669-674. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.07.007

Poloncarzova, M., Vejrazka, J., Vesely, V., & Izak, P. (2011). Effective Purification of Biogas by a Condensing‐Liquid Membrane. Angewandte Chemie International Edition, 50(3), 669 671. https://doi.org/10.1002/anie.201004821

Rattanapan, C., Boonsawang, P., & Kantachote, D. (2009). Removal of H₂S in down-flow GAC biofiltration using sulfide oxidizing bacteria from concentrated latex wastewater. Bioresource Technology, 100(1), 125-130. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.05.049

Rene, E. R., López, M. E., Kim, J. H., & Park, H. S. (2013). Back propagation neural network model for predicting the performance of immobilized cell biofilters handling gas-phase hydrogen sulphide and ammonia. BioMed Research International, 2013. https://doi.org/10.1155/2013/463401

Salehi, R., & Lestari, R. A. S. (2021). Predicting the performance of a desulfurizing bio-filter using an artificial neural network (ANN) model. Environmental Engineering Research, 26(6). https://doi.org/10.4491/eer.2020.462

Sreekrishnan, T. R., Kohli, S., & Rana, V. (2004). Enhancement of biogas production from solid substrates using different techniques––a review. Bioresource Technology, 95(1), 1-10. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2004.02.010

Syed, M., Soreanu, G., Falletta, P., & Béland, M. (2006). Removal of hydrogen sulfide from gas streams using biological processes a review. Canadian Biosystems Engineering, 48, 2.

Taheri, M., Mohebbi, A., Hashemipour, H., & Rashidi, A. M. (2016). Simultaneous absorption of carbon dioxide (CO₂) and hydrogen sulfide (H₂S) from CO₂–H₂S–CH₄ gas mixture using amine-based nanofluids in a wetted wall column. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 28, 410-417. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2015.12.014

Xie, L., Zhu, J., Ramirez, M., & Jiang, C. (2021). CFD-single particle modeling and simulation of the removal of H₂S in a packed-bed bioreactor. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(4), 105692. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105692

Xu, X., Chen, C., Lee, D. J., Wang, A., Guo, W., Zhou, X., ... & Chang, J. S. (2013). Sulfate-reduction, sulfide-oxidation and elemental sulfur bioreduction process: modeling and experimental validation. Bioresource Technology, 147, 202-211. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.07.113