Studio sperimentale e numerico della stabilità allo stato stazionario in un biofiltro biodegradante del toluene

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12510 (2022) Citare questo articolo

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Diversi stati stazionari in un biofiltro biodegradante del toluene sono stati esplorati sperimentalmente e numericamente. I risultati sperimentali hanno mostrato che un aumento graduale della concentrazione di ingresso del toluene nell'arco di diverse settimane porta a una concentrazione di uscita costantemente bassa, con un aumento drastico al variare della concentrazione di ingresso da 7,7 a 8,5 gm−3, indicando un'alterazione nello stato stazionario. È stato osservato un calo significativo e improvviso dell'efficienza di rimozione dall'88 al 46%. Un modello che include la dinamica dell'azoto e della biomassa ha previsto risultati che corrispondevano bene alle prestazioni del biofiltro sperimentale, ma i tempi del salto di concentrazione non sono stati riprodotti esattamente. Un modello che presuppone un aumento graduale della concentrazione di ingresso del toluene di 0,272 gm−3 al giorno, riproduce accuratamente la relazione sperimentale tra concentrazione di ingresso e di uscita. Sebbene ci siano state variazioni tra i risultati sperimentali e quelli simulati, è stata trovata una chiara conferma del salto da uno stato stazionario all'altro.

Le emissioni gassose provenienti da vari processi industriali devono essere trattate prima di essere rilasciate nell’ambiente a causa del loro effetto dannoso sull’uomo, sugli animali e sull’ambiente. I flussi di gas di scarico contengono potenzialmente sostanze pericolose come composti organici volatili (COV) o composti odorosi. Le industrie petrolifere e del gas, chimiche e farmaceutiche sono fonti antropiche di tali COV. La necessità di rispettare una legislazione rigorosa può rappresentare una sfida, perché qualsiasi sistema di trattamento dei gas di scarico deve essere affidabile, sostenibile ed efficiente. I metodi fisici e chimici vengono applicati nell'industria ma sono spesso associati a svantaggi quali costi operativi e la generazione di sottoprodotti indesiderati rispetto alla loro controparte biologica1,2,3,4. Il trattamento dell'aria inquinata mediante tecniche biologiche è noto e consolidato5,6,7,8,9,10,11. In un biofiltro, i microbi degradano il composto di interesse e producono acqua, anidride carbonica e calore2,4.

Una simulazione del biofiltro consente di prevedere il comportamento e l’efficienza di un sistema e costituisce una parte sostanziale della ricerca sul controllo biologico dell’inquinamento atmosferico negli ultimi decenni. Si tratta di un metodo ausiliario per aiutare i progettisti e i produttori di biofiltri, poiché collegano la cinetica della crescita biologica all'ingegneria delle reazioni.

Ottengraf e Van Den Oever12 svilupparono uno dei primi modelli nel 1983. Nel loro studio, i risultati sperimentali corrispondevano bene a un modello che presupponeva una limitazione del trasferimento di massa e una cinetica di ordine zero. Da allora, negli ultimi decenni sono stati sviluppati approcci numerici, talvolta supportati da dati sperimentali sulla cinetica dei biofiltri e dei biofilm13,14,15,16,17,18,19,20. Questi modelli superano alcuni dei limiti del modello Ottengraf e Van den Oever. Yan et al.21 hanno studiato l'effetto della porosità del letto filtrante sull'efficienza di rimozione. Hanno mostrato un impatto basso (cioè un'efficienza elevata) a numeri Darcy bassi (< 10–4), mentre a numeri Darcy elevati la porosità influisce in modo significativo sull'efficienza di rimozione. Woudberg et al.22 hanno proposto un modello su scala dei pori per prevedere la caduta di pressione di un biofiltro. La previsione di Malakar et al.23 è tornata al modello originale di Ottengraf e Van Den Oever per descrivere la capacità di eliminazione teorica e lo spessore medio teorico del biofilm in un biofiltro a toluene. In questo studio si è ritenuto che il biofilm fosse statico. Dorado et al.24 hanno stimato i parametri cinetici di un modello più sofisticato che coinvolge la diffusione del biofilm e la cinetica di Monod. In questo studio si è ipotizzato che anche lo spessore del biofilm fosse statico. Con la continua digitalizzazione e l’aumento dei dati disponibili sulla biofiltrazione, è ora possibile l’implementazione di approcci di apprendimento automatico per prevedere le prestazioni del biofiltro25.