Прогнозування процесу біологічного знезалізнення підземних вод на біореакторі

Автор(и)

  • Alexander Kvartenko Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028, Україна https://orcid.org/0000-0001-5634-1128
  • Igor Prysiazhniuk Рівненський державний гуманітарний університет вул. С. Бандери, 12, м. Рівне, Україна, 33000, Україна https://orcid.org/0000-0003-4531-1788

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.177537

Ключові слова:

біохімічні процеси, кінетична модель біологічного знезалізнення, матриксні структури, метод характеристик

Анотація

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

Біографії авторів

Alexander Kvartenko, Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра водопостачання, водовідведення та бурової справи

Igor Prysiazhniuk, Рівненський державний гуманітарний університет вул. С. Бандери, 12, м. Рівне, Україна, 33000

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра вищої математики

Посилання

  1. Zhurba, M. G., Govorova, Zh. M. (2008). Vodosnabzhenie. Uluchshenie kachestva vody. Vol. 2. Moscow: Izdatel'stvo ASV, 544.
  2. Mouchet, P. (1995). Biological Filtration for Iron and Manganese Removal: Some Case Studies. WQTC 95 (AWWA) New Orleans LA, 12–16.
  3. 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.
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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.
  9. Oliynyk, O. Ya., Sadchykov, O. O. (2013). Teoretychni doslidzhennia znezaliznennia vody na dvosharovykh filtrakh. Problemy vodopostachannia, vodovidvedennia ta hidravliky, 21, 14–22.
  10. 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.
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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.
  19. 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
  20. 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
  21. 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.
  22. Bomba, A. Ya., Baranovskyi, S. V., Prysiazhniuk, I. M. (2008). Neliniyni synhuliarno-zbureni zadachi typu "konvektsiya-dyfuziya". Rivne: NUVHP, 254.

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-09-05

Як цитувати

Kvartenko, A., & Prysiazhniuk, I. (2019). Прогнозування процесу біологічного знезалізнення підземних вод на біореакторі. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(10 (101), 14–22. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.177537

Номер

Том 5 № 10 (101) (2019): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Alexander Kvartenko, Igor Prysiazhniuk

Creative Commons License

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.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.