Обґрунтування методів розрахунку вилучення азоту (нітрифікація) в біореакторах з використанням біоплівкових моделей

Автор(и)

  • Oleksandr Ya. Oliynyk Член-кореспондент Національної академії наук України, доктор технічних наук, професор, завідуючий відділом прикладної гідродинаміки Інституту гідромеханіки НАН України, Київ
  • Sergiy V. Telyma Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України, Київ https://orcid.org/0000-0003-0109-0696
  • Yuriy I. Kalugin Кандидат фіз.-мат наук, старший науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України, Київ
  • Yevheniy O. Oliynyk Провідний інженер Інституту гідромеханіки НАН України, Київ

DOI:

https://doi.org/10.32347/2411-4049.2021.2.18-38

Ключові слова:

модель, очистка, сполуки азоту, біоплівка, біореактор, кисень, концентрація

Анотація

Наведена математична модель і розрахунки параметрів очистки стічних вод від сполук амонійного азоту (нітрифікація) в біореакторах з додатковим облаштуванням в їх об’ємі закріпленого біоценозу у вигляді біоплівки. Дана оцінка впливу різних факторів на параметри очистки. В моделі використовується кінетика реакцій згідно з нелінійним рівнянням Моно, що дозволяє проводити розрахунки з визначення концентрацій азоту на зовнішній та внутрішній поверхнях біоплівки та оцінювати ефективність дії біоплівки заданої товщини по характеру проникнення в ній забруднень азоту. Показано, що товщина біоплівки і потік всередині неї зменшуються із збільшенням швидкості відриву біомаси з її поверхні, тоді як із збільшенням концентрації азоту ці характеристики зростають. При цьому потік субстрату та глибина проникнення в біоплівку є функціями концентрації субстрату на поверхні біоплівки, швидкості реакції всередині біоплівки і дифузійного масопереносу. У якості основного параметра для оцінки впливу кисню, який контролює процес окислення амонію до нітритів, пропонується використання відношення концентрацій кисню до амонійного азоту. Як показали конкретні приклади і розрахунки, дане відношення може бути кращою альтернативою контролю за нітрифікацією в реакторі у порівнянні з концентрацією кисню.

Посилання

Henze, M., M van Loosdrecht, M.E., Ekama, G.A., & Brdjanovic, D. (2008). Biological Wastewater Treatment. London: IWA Publishing.

Oleiynik, A.Ya., & Teterja, A.I. (2001). The peculiarities of the modeling of the removing on the organic pollutants from the waste waters on the constructions with a small productivity. Applied Hydromechanics, 3 (75) (4), 2-27 (in Russian).

Lee, M.W., & Park, J.M. (2007). One-dimensional mixed-culture biofilm model considering different space occupancies of particulate components. Water Res., 4, 4317-4328.

Person, F., Wik, T., Sorensson, F., & Hermanson, M. (2002). Distribution and activity of ammonium bacteria in a lange-scale trickling filter. Water Res., 36, 1439-1448.

Henze, M., Harremoes, P., Jansen, C., & Arwin, E. (2002). Wastewater Treatment. Springer, Berlin, New York.

Gujer, W. (2010). Nitrification and me – A subjective review. Water Res., 44, 1-19.

Vayenas, D.V., Palvou, S., & Lyberatos, G. (1997). Development of a dynamic model describing nitrification in trickling filters. Water Res., 31 (5), 1135-1147.

Beyenal, H., & Tanyalac, A.A. (1994). A mathematical model for hollow fiber biofilm reactors. The Chemical Eng. Journal, 56, 53-59.

Steyer, J.-P., & Delgenes, I.P. (2005). Modeling and control of nitrite accumulation in nitrifying biofilm reactor. Biochem. Engin. Journal, 24, 173-183.

Oliynyk, O.Ya., & Maslun, G.S. (2010). Modeling of the oxygen regime in the bioreactors at the treatment on the waste waters. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 10, 52-56 (in Ukrainian).

Airapetian, T.S., Telyma, S.V., & Oliynyk, O.Ya. (2017). A modeling of the oxygen regime in bioreactors-aerotanks at the purification of waste waters from organic pollutants. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 6, 21-27. Doi: https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.06.021 (in Ukrainian).

Oliynyk, O.Ya., & Airapetian, T.S. (2015). Increasing of the efficiency of biological waste waters cleaning owing to suspended and loaded biocenoses. Scientific Visnyk of Building, 3 (81), 106-109 (in Ukrainian).

Wanner, O., Ebert, N.I., & Rittman, B.E. (2006). Mathematical modeling of biofilms. Scientifical and Technical report, 18.

Oliinyk, O.Ya, Vasilenko, T.V., Rybachenko, C.A., & Hamid Ihao Achmad. (2006). Modeling the processes of additional treatment of the urban-communal waste waters on the filters. The problems of the water supply, drainage and hydraulic, 7, 85-97 (in Ukrainian).

Oliynyk, O.Ya., & Kolpakova, O.A. (2014). Modeling and calculations of the biological sewage treatment on trickling biofilters. Environmental safety and natural resources, 16, 68-86 (in Ukrainian).

Perez, M., Piccioreanu, C., & van Loosdrecht, M. (2005). Modelling biofilm and floss diffusion processes based on analytical solution of reaction – diffusion equations. Water Res., 39, 1311-1323.

Lachner, S., Terada, A., Horn, H., Henze, M., & Stets, B. (2010). Nitrification performance in membrane – aerated biofilm reactors differ from conventional biofilm systems. Water Research, 44, 6073-6084.

Mosquera-Corral, A., de Kreuk, M.K., Heijnen, I.I., & van Loosdrecht, M.C.M. (2005). Effects of oxygen concentration on N-removal in an aerobic granular sludge reactor. Water Res., 39, 2676-2686.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Oliynyk, O. Y., Telyma, S. V., Kalugin, Y. I., & Oliynyk, Y. O. (2021). Обґрунтування методів розрахунку вилучення азоту (нітрифікація) в біореакторах з використанням біоплівкових моделей. Екологічна безпека та природокористування, 38(2), 18–38. https://doi.org/10.32347/2411-4049.2021.2.18-38