톨루엔 생분해 바이오필터의 정상상태 안정성에 대한 실험적 및 수치적 연구

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12510(2022) 이 기사 인용

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톨루엔 생분해성 바이오필터의 다양한 정상 상태를 실험적으로나 수치적으로 조사했습니다. 실험 결과에 따르면 몇 주에 걸쳐 톨루엔 입구 농도가 점진적으로 증가하면 지속적으로 낮은 출구 농도가 발생하고 입구 농도가 7.7에서 8.5gm-3으로 변화할 때 급격한 증가가 나타나 정상 상태의 변화를 나타냅니다. 제거 효율이 88%에서 46%로 급격하게 떨어지는 것이 관찰되었습니다. 질소와 바이오매스 동역학을 포함하는 모델은 실험적 바이오필터 성능과 잘 일치하는 결과를 예측했지만, 농도 점프 시점은 정확하게 재현되지 않았습니다. 톨루엔 입구 농도가 하루 0.272gm−3씩 점진적으로 증가한다고 가정하는 모델은 입구와 출구 농도 사이의 실험적 관계를 정확하게 재현했습니다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과 사이에는 차이가 있었지만 한 정상 상태에서 다른 정상 상태로의 점프가 명확하게 확인되었습니다.

다양한 산업 공정에서 배출되는 가스는 인간, 동물 및 환경에 해로운 영향을 미치기 때문에 환경으로 배출되기 전에 처리해야 합니다. 폐가스 흐름에는 휘발성 유기 화합물(VOC)이나 냄새가 나는 화합물과 같은 위험 물질이 포함될 가능성이 있습니다. 석유 및 가스, 화학, 제약 산업은 이러한 VOC의 인위적 발생원입니다. 모든 폐가스 처리 시스템은 신뢰할 수 있고 지속 가능하며 효율적이어야 하기 때문에 엄격한 법률을 준수해야 한다는 요구가 어려울 수 있습니다. 물리적 및 화학적 방법은 산업에 적용되지만 생물학적 방법에 비해 운영 비용은 물론 바람직하지 않은 부산물 생성과 같은 단점과 관련이 있는 경우가 많습니다1,2,3,4. 생물학적 기술을 통한 오염된 공기의 처리는 알려져 있고 잘 확립되어 있습니다5,6,7,8,9,10,11. 바이오필터에서 미생물은 관심 화합물을 분해하고 물, 이산화탄소 및 열을 생성합니다2,4.

바이오필터 시뮬레이션은 시스템의 동작과 효율성을 예측할 수 있으며 최근 수십 년 동안 생물학적 대기 오염 제어 연구의 중요한 부분입니다. 이는 생물학적 성장 역학을 반응 공학에 연결하므로 바이오필터 설계자와 제조업체를 돕는 보조 방법입니다.

Ottengraf와 Van Den Oever12는 1983년에 첫 번째 모델 중 하나를 개발했습니다. 그들의 연구에서 실험 결과는 질량 전달 제한 및 0차 동역학을 가정하는 모델과 잘 일치했습니다. 그 이후로, 때로는 바이오필터 및 바이오필름 동역학의 실험 데이터에 의해 뒷받침되는 수치 기반 접근법이 지난 수십 년 동안 개발되었습니다13,14,15,16,17,18,19,20. 이러한 모델은 Ottengraf 및 Van den Oever 모델의 일부 한계를 극복합니다. Yan 등21은 여과층 다공성이 제거 효율에 미치는 영향을 연구했습니다. 낮은 Darcy 수(< 10-4)에서는 낮은 영향(즉, 높은 효율)을 보인 반면, 높은 Darcy 수에서는 다공성이 제거 효율에 큰 영향을 미칩니다. Woudberg et al.22은 바이오필터의 압력 강하를 예측하기 위해 공극 규모 모델을 제안했습니다. Malakar et al.23의 예측은 톨루엔 바이오필터의 이론적 제거 능력과 이론적 평균 생물막 두께를 설명하기 위해 원래의 Ottengraf 및 Van Den Oever 모델로 돌아갔습니다. 본 연구에서는 생물막이 정적이라고 가정했습니다. Dorado et al.24는 생물막 확산과 Monod 동역학을 포함하는 보다 정교한 모델의 동역학 매개변수를 추정했습니다. 본 연구에서는 생물막 두께도 정적이라고 가정했습니다. 지속적인 디지털화와 사용 가능한 생물 여과 데이터의 증가로 인해 이제 생물 여과 성능을 예측하기 위한 기계 학습 접근 방식의 구현이 가능해졌습니다25.