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Mathematical modeling and simulation of hexane degradation in fungal and bacterial biofilters: effective diffusivity and partition aspects

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Abstract:

Mathematical modeling in the biofiltration of volatile organic compounds is a valuable tool for performance prediction and in scaling up. Majority of the published models include parameters obtained from fitting experimental data, thus masking their real influence as they are lumped generally. The present work aims to evaluate experimentally some of the most relevant parameters including kinetic constant, partition coefficient in the biofilm, biofilm thickness, superficial area, and effective diffusivity. For the fungal biofilm, all the parameters mentioned above were obtained experimentally; and for the bacterial biofilm, the biofilm thickness and some intrinsic parameters used to obtain the first-order kinetic constant were taken from the literature. These parameters were then incorporated in a mathematical model to describe the steady-state degradation of hexane in bacterial and fungal biofilters operating under continuous mode. Experimentally, the dimensionless partition coefficients (mG) indicated that hexane was 4 and 35 times more soluble in the bacterial (mG = 9.14) and fungal (mG = 0.88) biofilters, respectively, than in water (mG = 30.4). Comparison of model estimates with experimental concentration profiles of the pollutant along the height of the biofilters proves that the first-order limited by reaction model was appropriate to interpret the experimental results with a small error of ~1%.

La modélisation mathématique de la biofiltration des composés organiques volatils est un outil intéressant pour prédire le rendement et la mise à l’échelle. La majorité des modèles publiés comprend des paramètres obtenus de l’ajustement de données expérimentales, masquant ainsi leur véritable influence puisqu’ elles sont généralement regroupées. Le présent travail vise à évaluer expérimentalement certains paramètres parmi les plus pertinents, dont la constante cinétique, le coefficient de distribution dans le biofilm, l’épaisseur de ce biofilm, la surface et la diffusivité effective. Quant au biofilm fongique, tous les paramètres mentionnés plus haut ont été obtenus par essais; pour ce qui est du biofilm bactérien, l’épaisseur du biofilm et certains paramètres intrinsèques utilisés pour atteindre la constante cinétique de premier ordre ont été tirés de la littérature. Ces paramètres ont ensuite été incorporés dans un modèle mathématique afin de décrire la dégradation en régime stationnaire de l’hexane dans les biofiltres bactériens et fongiques fonctionnant en mode continu. Lors des expériences, les coefficients de distribution sans dimension (mG) ont indiqué que l’hexane était de 4 et 35 fois plus soluble respectivement dans les biofiltres bactériens (mG = 9,14) et fongiques (mG = 0,88) que dans l’eau (mG = 30,4). La comparaison des estimations du modèle aux profils de concentration expérimentaux du polluant le long de la hauteur des biofiltres a prouvé que le premier ordre limité par le modèle de réaction était adéquat pour interpréter les résultats expérimentaux avec une petite erreur d’environ 1 %.

Document Type: Research Article

Publication date: December 1, 2009

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  • Published since 1974, this monthly publication is the official journal of the Canadian Society for Civil Engineering. It contains articles on environmental engineering, hydrotechnical engineering, structure engineering, construction engineering, engineering mechanics, and engineering materials, and a history of civil engineering. Contributors include recognized researchers and practitioners in industry, government, and academe. New developments in engineering design and construction are also featured.
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