Аналіз впливу гетерогенності біоплівки на ефективність вилучення органічних забруднень в біореакторах

Автор(и)

  • О.Я. Олійник Член-кореспондент Національної академії наук України, доктор технічних наук, професор, завідуючий відділом прикладної гідродинаміки Інституту гідромеханіки НАН України, Київ, Ukraine
  • С.В. Телима Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-0109-0696
  • Ю.І. Калугін Кандидат фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник Інституту гідромеханіки НАН України, Київ, Ukraine https://orcid.org/0000-0003-0720-0665
  • Є.О. Олійник Провідний інженер Інституту гідромеханіки НАН України, Київ, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.32347/2411-4049.2023.3.5-20

Ключові слова:

стратифікована модель, біоплівка, органічне забруднення, концентрації, очистка, ефективність

Анотація

Наведена математична модель біологічної очистки стічних вод від органічних забруднень в умовах аеротенка з закріпленим біоценозом (біоплівкою мікроорганізмів). При цьому розглядаються і враховані особливості формування і моделювання складної неоднорідної стратифікованої структури біоплівки зі змінними процесами і параметрами по її товщині, зокрема, процеси масопереносу і концентрації мікроорганізмів. Показано, що ці процеси в гетерогенній стратифікованій біоплівці визначаються коефіцієнтом ефективної дифузії, який залежить від концентрації забруднень. В зв’язку зі зміною концентрації забруднень по товщині біоплівки із збільшенням від поверхні до дна спостерігається зменшення значення коефіцієнта ефективної дифузії по її товщині. На основі проведених експериментальних досліджень зміна параметра ефективної дифузії по товщині біоплівки може прийматись по лінійному закону. Наведено кількісні критерії застосування кінетики першого та нульового порядків в практичних результатах та використання рівняння Моно. З’ясовано, що вилучення субстрату відбувається переважно на початковій ділянці біоплівки, яка складає наближено 20–25% від загальної її товщини. На основі створеної моделі гетерогенно стратифікованої структури біоплівки виконано порівняльний аналіз і оцінку різних досліджень вилучення забруднень в процесі очистки при гомогенній та гетерогенній структурі біоплівки. Визначено, що ефективність вилучення забруднень залежить від основних характеристик біоплівок. Так, при деяких значеннях основних параметрів гомогенна і стратифікована біоплівки показують майже однакові значення мікробної активності і ця різниця залежить в основному від коефіцієнта ефективної дифузії на виході із біоплівки. В залежності від гідродинамічних умов процесу очистки активність гомогенної біоплівки може бути нижча, вища і аналогічна активності стратифікованої біоплівки. Стратифікована біоплівка при великих значеннях коефіцієнта ефективної дифузії в кінці біоплівки має меншу активність, ніж гомогенна при середньому його значенні, а субстрат, від якого залежить зростання мікроорганізмів, проникає глибше в стратифікованій біоплівці, ніж в гомогенній.

Посилання

Beyenal, H., & Lewandowski, Z. (2005). Modeling mass transport and microbial activity in stratified biofilms. Chemical Engin. Science, 60, 4337-4348.

Elenter, D., Milferstedt, K., Zhang, W., Hausner, M., & Morgenroth, E. (2007). Influence of detachment on substrate removal and microbial ecology in a heterotrophic/autotrophic biofilm. Nat.Resour., 41, 4657-4671.

Henze, M.M., van Loodsdresht, M., Ekama, G.A., & Brdjanovic, D. (2008). Biological Wastewater Treatment. IWA Publishing.

Lee, M.W., & Park, I.M. (2007). One-dimensional mixed-culture biofilm model considering different space occupancies of particle components. Water Res., 1-41-1-44, 4317-4328.

Oliynyk, O.Ya., Airapetian, T.S., & Kurganska, S.M. (2016). Analysis and some recommendations due calculation of the oxygene regime in aerotanks at the treatment of the waste waters with organic pollutions by the suspended and fixed biocenosis. Scient. Visnyk of Building. Kharkiv, 3(15), 177-184 [in Ukrainian].

Wanner, O., Ebert, N.I., & Rittman, B.E. (2006). Mathematical modeling of biofilms. Scientifical Technical report. №18. 208 p.

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

Oliynyk, O.Ya., Airapetian, T.S., & Kalugin, Yu.I. (2019). Modeling and calculations of the waste waters treatment in aerotanks-mixers by suspended and fixed biocenosis using of the nonlinear Monod kinetic. Scient. Visnyk of Building, Kharkiv, 3 (97), 113-122 [in Ukrainian].

Beyenal, H., & Tanyolag, A. (1994). A mathematical model for hollow biofilm reactors. Chem. Engin. Journal, 56, 853-859.

Wasche, S., Horn, H., & Hempel, D.C. (2002). Influence of growth conditions on biofilm development and mass transfer at the bulk/biofilm interface. Water.Res., 36, 4775-4784.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-09-29

Як цитувати

Олійник, О., Телима, С., Калугін, Ю., & Олійник, Є. (2023). Аналіз впливу гетерогенності біоплівки на ефективність вилучення органічних забруднень в біореакторах. Екологічна безпека та природокористування, 47(3), 5–20. https://doi.org/10.32347/2411-4049.2023.3.5-20

Номер

Розділ

Екологічна безпека та основи природокористування