Аналіз впливу гетерогенності біоплівки на ефективність вилучення органічних забруднень в біореакторах

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.