Прогнозування процесу біологічного знезалізнення підземних вод на біореакторі
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.177537Ключові слова:
біохімічні процеси, кінетична модель біологічного знезалізнення, матриксні структури, метод характеристикАнотація
Дослідження в галузі очищення підземних вод вказують на перспективність розвитку їх комплексної очистки за участю різних морфологічних типів мікроорганізмів, закріплених на інертних контактних матеріалах. Вказано, що при певних параметрах якості води (рН 6–7; Еh 50…200 мВ, в присутності розчиненого диоксиду вуглецю та величинах перманганатної окисності до 5 мг О2/дм3) в підземних водах превалює розвиток бактерій роду Gallionella, а при значеннях рН 6,5–7,5; Еh=–200…300 мВ та ПО>5 мг О2/дм3 – розвиток бактерій родів Lepthothrix, Crenothrix. Це надає ряд переваг при застосуванні біохімічного методу перед традиційними фізико-хімічними, зокрема прискорення процесу очищення води від сполук феруму.
Показано, що моделюванню кінетики процесів очищення підземних вод в біореакторах приділялося значно менше уваги ніж традиційним фізико-хімічним методам, для яких були розроблені сучасні математичні моделі. Тому розвиток напрямку моделювання біохімічного процесу очищення води від сполук заліза є актуальним завданням. Математична модель представлена задачею Коші для нелінійної системи диференціальних рівнянь в частинних похідних першого порядку. Система задачі Коші складається з п’яти рівнянь з п’ятьма невідомими функціями, які описують розподіл концентрацій катіонів феруму, бактерій а також матриксних структур в двох фазах (рухомій та іммобілізованій) як у просторі, так і у часі. При побудові моделі були використані як технологічні (максимальна брудомісткість (2,6– кг/м3), гранична величина біомаси бактерій в матриксних структурах (9,5 г/м3), максимальна питома швидкість їх росту (0,17–0,18 год-1), коефіцієнт насичення (0,65–0,7 г/м3), швидкість потоку в діапазоні 5–20 м/год),так і конструктивні параметри (висота контактного завантаження біореактра 1,3 м). В розглянутій моделі час ефективної роботи біореактора залежить від концентрацій катіонів Fe2+, які в природних водах можуть знаходитися в межах 0,5–20 мг/дм3, кількості феробактерій (102–104 кл/дм3), а також швидкості потоку води. Враховано зворотний вплив характеристик процесу, зокрема концентрації матриксних структур в міжпоровому просторі, а також характеристик середовища за допомогою коефіцієнтів масообміну та пористості. Модель дозволяє визначати оптимальний час роботи біореактора між промивками
Посилання
Zhurba, M. G., Govorova, Zh. M. (2008). Vodosnabzhenie. Uluchshenie kachestva vody. Vol. 2. Moscow: Izdatel'stvo ASV, 544.
Mouchet, P. (1995). Biological Filtration for Iron and Manganese Removal: Some Case Studies. WQTC 95 (AWWA) New Orleans LA, 12–16.
Kvartenko, A. N. (2016). Using biochemical methods in modern treatment technologies of underground water. Voda i vodoochysni tekhnolohiyi. Naukovo-tekhnichni visti, 2 (19), 51–65.
Scholl, M. A., Harvey, R. W. (1992). Laboratory investigations on the role of sediment surface and groundwater chemistry in transport of bacteria through a contaminated sandy aquifer. Environmental Science & Technology, 26 (7), 1410–1417. doi: https://doi.org/10.1021/es00031a020
Sharma, S. K., Petrusevski, B., Schippers, J. C. (2005). Biological iron removal from groundwater: a review. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 54 (4), 239–247. doi: https://doi.org/10.2166/aqua.2005.0022
Van Beek, C. G. E. M., Dusseldorp, J., Joris, K., Huysman, K., Leijssen, H., Schoonenberg Kegel, F. et. al. (2015). Contributions of homogeneous, heterogeneous and biological iron(II) oxidation in aeration and rapid sand filtration (RSF) in field sites. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 65 (3), 195–207. doi: https://doi.org/10.2166/aqua.2015.059
Vries, D., Bertelkamp, C., Schoonenberg Kegel, F., Hofs, B., Dusseldorp, J., Bruins, J. H. et. al. (2017). Iron and manganese removal: Recent advances in modelling treatment efficiency by rapid sand filtration. Water Research, 109, 35–45. doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.11.032
Oleynik, A. Ya., Semenko, G. I. (1997). Matematicheskoe modelirovanie protsessa udaleniya zheleza iz prirodnyh vod fil'trovaniem. Himiya i tehnologiya vody, 19 (5), 451–457.
Oliynyk, O. Ya., Sadchykov, O. O. (2013). Teoretychni doslidzhennia znezaliznennia vody na dvosharovykh filtrakh. Problemy vodopostachannia, vodovidvedennia ta hidravliky, 21, 14–22.
Poliakov, V. L., Martynov, S. Yu. (2017). Do teoriyi fizyko-khimichnoho znezaliznennia pidzemnykh vod ta yii informatsiinoho zabezpechennia. Chysta voda. Fundamentalni, praktychni ta promyslovi aspekty. Materialy V Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsiyi. Kyiv, 178–181.
Zevi, Y., Dewita, S., Aghasa, A., Dwinandha, D. (2018). Removal of Iron and Manganese from Natural Groundwater by Continuous Reactor Using Activated and Natural Mordenite Mineral Adsorption. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 111, 012016. doi: https://doi.org/10.1088/1755-1315/111/1/012016
Vries, D., Bertelkamp, C., Schoonenberg Kegel, F., Hofs, B., Dusseldorp, J., Bruins, J. H. et. al. (2017). Iron and manganese removal: Recent advances in modelling treatment efficiency by rapid sand filtration. Water Research, 109, 35–45. doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2016.11.032
Sheng, Y., Kaley, B., Bibby, K., Grettenberger, C., Macalady, J. L., Wang, G., Burgos, W. D. (2017). Bioreactors for low-pH iron(II) oxidation remove considerable amounts of total iron. RSC Advances, 7 (57), 35962–35972. doi: https://doi.org/10.1039/c7ra03717a
Tekerlekopoulou, A. G., Vasiliadou, I. A., Vayenas, D. V. (2006). Physico-chemical and biological iron removal from potable water. Biochemical Engineering Journal, 31 (1), 74–83. doi: https://doi.org/10.1016/j.bej.2006.05.020
Chan, C. S., Fakra, S. C., Edwards, D. C., Emerson, D., Banfield, J. F. (2009). Iron oxyhydroxide mineralization on microbial extracellular polysaccharides. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73 (13), 3807–3818. doi: https://doi.org/10.1016/j.gca.2009.02.036
Emerson, D., Field, E. K., Chertkov, O., Davenport, K. W., Goodwin, L., Munk, C. et. al. (2013). Comparative genomics of freshwater Fe-oxidizing bacteria: implications for physiology, ecology, and systematics. Frontiers in Microbiology, 4. doi: https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00254
Hallbeck, L., Pedersen, K. (1991). Autotrophic and mixotrophic growth of Gallionella ferruginea. Journal of General Microbiology, 137 (11), 2657–2661. doi: https://doi.org/10.1099/00221287-137-11-2657
Bukreeva, V. Yu., Grabovich, M. Yu., Eprintcev, A. T., Dubinina, G. A. (2009). Sorption of colloidal iron and manganese oxides by iron bacteria on the sand filter of water-lifting facilities. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy, 9 (4), 506–514.
Sakai, T., Miyazaki, Y., Murakami, A., Sakamoto, N., Ema, T., Hashimoto, H. et. al. (2010). Chemical modification of biogenous iron oxide to create an excellent enzyme scaffold. Org. Biomol. Chem., 8 (2), 336–338. doi: https://doi.org/10.1039/b919497e
Kvartenko, A., Prysiazhniuk, I. (2017). Modelling the kinetics of ferrum compouunds removal in a bioreactor. Technical sciences and technologies, 4 (10), 247–254. doi: https://doi.org/10.25140/2411-5363-2017-4(10)-247-254
Sivak, V. M., Bomba, A. Ya., Prysiazhniuk, I. M. (2005). Kompiuterne modeliuvannia protsesiv ochyshchennia stichnoi vody na karkasno-zasypnykh filtrakh. Visnyk NUVHP, 4 (32), 164–169.
Bomba, A. Ya., Baranovskyi, S. V., Prysiazhniuk, I. M. (2008). Neliniyni synhuliarno-zbureni zadachi typu "konvektsiya-dyfuziya". Rivne: NUVHP, 254.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2019 Alexander Kvartenko, Igor Prysiazhniuk
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
