Підвищення ефективності роботи фотобіореатора у технологічній схемі очищення стічних вод

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.248746

Ключові слова:

біогенні елементи, мікро водорості, нітрати, нітрити, технологічна схема, фосфати, фотобіореактор

Анотація

Розглянуто традиційні технологічні схеми очищення комунальних стічних вод, переваги та недоліки методів видалення біогенних елементів, що у них застосовуються. Показано, що наявні недоліки призводять до додаткових грошових затрат, труднощів з утилізацією відходів, що утворюються. Показано також низьку ефективність самих процесів видалення, результатом чого є залишкові концентрації біогенів в очищених стічних водах. Запропоновано технологічну схему очищення комунальних стоків, що включає використання фотобіореатора запропонованої конструкції для видалення біогенних елементів за допомогою метаболізму мікроводоростей. Експериментально показано, що використання штаму Euglena gracilis для очищення стічних вод від фосфатів з початковою концентрацією 4, 7 і 14 мг/дм3. Дозволяє протягом чотирьох діб знижувати концентрацію  до залишкової 0…0,55 мг/дм3. Показано також, що приріст біомаси мікроводоростей за цей період складає 3,75…5,58 разів. Розроблено математичну модель розрахунку часу перебування суміші стічних вод з мікроводоростями у фотобіореакторі для досягнення необхідного ступеня видалення біогенних елементів. На підставі запропонованої моделі та експериментальних досліджень розраховано необхідний час перебування у робочій зоні. Показано, що з використанням штаму Euglena gracilis за умов відсутності видалення біогенних елементів на попередніх етапах очищення (схема включає тільки механічне очищення) термін перебування суміші у робочій зоні складає 37,81 год. За умови часткового видалення біогенних елементів на етапі біологічного очищення (загального азоту 0,55; амонійнго азоту 0,91; фосфатів 0,44) цей час скорочується до 26,66 год. Встановлено, що використання штаму Euglena gracilis замість Chlorella vulgaris (FC-16), при видаленні фосфатів, збільшує ефективність процесу у 2,0 рази і зменшує час перебування у робочій зоні на 50 %. Дано рекомендації щодо проектування геометричних параметрів фотобіореакторів запропонованої конструкції для використання в технологічних схемах

Біографії авторів

Сергій Йосипович Шаманський, Національний авіаційний університет

Доктор технічних наук, доцент

Науково-дослідна частина

Сергій Валерійович Бойченко, Національний авіаційний університет

Доктор технічних наук, професор

Український науково-дослідний центр хіммотології і сертифікації паливно-мастильних матеріалів і технічних рідин (УкрНДНЦ хіммотології і сертифікації ПММ і ТР)

Вікторія Олександрівна Хрутьба, Національний транспортний університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедра екології та безпеки життєдіяльності

Олена Василівна Барабаш, Національний транспортний університет

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра екології та безпеки життєдіяльності

Ірина Олександрівна Шкільнюк, Національний авіаційний університет

Кандидат технічних наук

Український науково-дослідний центр хіммотології і сертифікації паливно-мастильних матеріалів і технічних рідин (УкрНДНЦ хіммотології і сертифікації ПММ і ТР)

Анна Валеріївна Яковлєва, Національний авіаційний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Науково-дослідна частина

Український науково-дослідний центр хіммотології і сертифікації паливно-мастильних матеріалів і технічних рідин (УкрНДНЦ хіммотології і сертифікації ПММ і ТР)

Петро Іванович Топільницький, Національний університет «Львівська політехніка»

Кандидат технічних наук, професор

Кафедра хімічної технології переробки нафти та газу

Леся Іванівна Павлюх, Національний авіаційний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра екології

Посилання

  1. Nezbrytska, I. M., Shamanskyi, S. Y., Boichenko, S. V., Kharchenko, G. V. (2021). Some Problems of the Use of Microalgae for Nitrogen and Phosphorus Removal from Wastewater (a Review). Hydrobiological Journal, 57 (2), 62–78. doi: https://doi.org/10.1615/hydrobj.v57.i2.60
  2. Whitton, R., Ometto, F., Pidou, M., Jarvis, P., Villa, R., Jefferson, B. (2015). Microalgae for municipal wastewater nutrient remediation: mechanisms, reactors and outlook for tertiary treatment. Environmental Technology Reviews, 4 (1), 133–148. doi: https://doi.org/10.1080/21622515.2015.1105308
  3. Pavliukh, L., Shamanskyi, S., Boichenko, S., Jaworski, A. (2020). Evaluation of the potential of commercial use of microalgae in the world and in Ukraine. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 93 (3), 429–436. doi: https://doi.org/10.1108/aeat-08-2020-0181
  4. Singh, R., Birru, R., Sibi, G. (2017). Nutrient Removal Efficiencies of Chlorella vulgaris from Urban Wastewater for Reduced Eutrophication. Journal of Environmental Protection, 08 (01), 1–11. doi: https://doi.org/10.4236/jep.2017.81001
  5. Jamaian, S. S., Bakeri, N. M., Sunar, N. M., Gani, P. (2017). A Verhulst model for microalgae Botryococcus sp. growth and nutrient removal in wastewater. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.4995886
  6. Apandi, N., Mohamed, R. M. S. R., Al-Gheethi, A., Gani, P., Ibrahim, A., Kassim, A. H. M. (2018). Scenedesmus Biomass Productivity and Nutrient Removal from Wet Market Wastewater, A Bio-kinetic Study. Waste and Biomass Valorization, 10 (10), 2783–2800. doi: https://doi.org/10.1007/s12649-018-0313-y
  7. Escudero, A., Hunter, C., Roberts, J., Helwig, K., Pahl, O. (2020). Pharmaceuticals removal and nutrient recovery from wastewaters by Chlamydomonas acidophila. Biochemical Engineering Journal, 156, 107517. doi: https://doi.org/10.1016/j.bej.2020.107517
  8. Zhou, W., Li, Y., Gao, Y., Zhao, H. (2017). Nutrients removal and recovery from saline wastewater by Spirulina platensis. Bioresource Technology, 245, 10–17. doi: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.08.160
  9. Wu, Y.-H., Yang, J., Hu, H.-Y., Yu, Y. (2013). Lipid-rich microalgal biomass production and nutrient removal by Haematococcus pluvialis in domestic secondary effluent. Ecological Engineering, 60, 155–159. doi: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.07.066
  10. Travieso, L., Benitez, F., Weiland, P., Sánchez, E., Dupeyrón, R., Dominguez, A. R. (1996). Experiments on immobilization of microalgae for nutrient removal in wastewater treatments. Bioresource Technology, 55 (3), 181–186. doi: https://doi.org/10.1016/0960-8524(95)00196-4 https://doi.org/10.1016/0960-8524(95)00196-4
  11. Medvedeva, N. G., Zinovyeva, S. V., Zaytseva, T. B., Klochenko, P. D., Shevchenko, T. F. (2018). Toxicity of 4-Tert-Octylphenol and Its Biodegradation by Microalgae of the Genus Microcystis (Cyanoprokaryota). Hydrobiological Journal, 54 (3), 89–102. doi: https://doi.org/10.1615/hydrobj.v54.i3.90
  12. Tarlan, E. (2002). Effectiveness of algae in the treatment of a wood-based pulp and paper industry wastewater. Bioresource Technology, 84 (1), 1–5. doi: https://doi.org/10.1016/s0960-8524(02)00029-9
  13. Vilson, E. V., Butko, D. A. (2019). Updating wastewater treatment technologies based on the best available technologies. The Eurasian Scientific Journal, 11 (4). Available at: https://esj.today/PDF/39SAVN419.pdf
  14. Revollar, S., Vilanova, R., Vega, P., Francisco, M., Meneses, M. (2020). Wastewater Treatment Plant Operation: Simple Control Schemes with a Holistic Perspective. Sustainability, 12 (3), 768. doi: https://doi.org/10.3390/su12030768
  15. Ochistka stochnyh vod s ispol'zovaniem tsentralizovannyh sistem vodootvedeniya poseleniy, gorodskih okrugov (2015). Informatsionno-tekhnicheskiy spravochnik po nailuchshim dostupnym tekhnologiyam. Available at: https://docs.cntd.ru/document/1200128670
  16. Ni, B.-J., Pan, Y., Guo, J., Virdis, B., Hu, S., Chen, X., Yuan, Z. (2016). Chapter 16. Denitrification Processes for Wastewater Treatment. Metallobiology, 368–418. doi: https://doi.org/10.1039/9781782623762-00368
  17. Zakaria, A. Y., Ali, D. A., Al-Akraa, I. M., Elsawy, H. A., Elazab, H. A. (2019). Novel Adsorbent for Industrial Wastewater Treatment Applications. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 9 (1). doi: https://doi.org/10.35940/ijitee.l3223.119119
  18. Dubovik, O. S., Markevich, R. M. (2016). Biotechnological advancement of nitrogen and phosphorus removal from city sewage. Trudy BGTU, 4, 232–238. Available at: https://elib.belstu.by/handle/123456789/18561
  19. Kel', L. S. (2011). Vnedrenie tekhnologii biologicheskoy defosfotatsii UCTK. Ekologiya proizvodstva, 5, 75–77.
  20. Kevbrina, M. V., Gavrilin, A. M., Belov, N. A., Gazizova, N. G., Aseyeva, V. G. (2012). Acidification potential of the incoming wastewater and raw sludge at the moscow wastewater treatment facilities. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika, 10, 68–70. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=18069968
  21. Bodnar, O. I., Burega, N. V., Palchyk, A. O., Viniarska, H. B., Grubinko, V. V. (2016). Optimization of chlorella vulgaris beij. Cultivation in a bioreactor of continuous action. Biotechnologia Acta, 9 (4), 42–49. doi: https://doi.org/10.15407/biotech9.04.042
  22. Pruvost, J. (2019). Cultivation of Algae in Photobioreactors for Biodiesel Production. Biofuels: Alternative Feedstocks and Conversion Processes for the Production of Liquid and Gaseous Biofuels, 629–659. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816856-1.00026-9
  23. Ronga, D., Biazzi, E., Parati, K., Carminati, D., Carminati, E., Tava, A. (2019). Microalgal Biostimulants and Biofertilisers in Crop Productions. Agronomy, 9 (4), 192. doi: https://doi.org/10.3390/agronomy9040192
  24. Silva, C. E. de F., Gris, B., Bertucco, A. (2016). Simulation of microalgal growth in a continuous photobioreactor with sedimentation and partial biomass recycling. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 33 (4), 773–781. doi: https://doi.org/10.1590/0104-6632.20160334s20150016
  25. Papáček, Š., Jablonský, J. J., Petera, K., Rehák, B., Matonoha, C. (2015). Modeling and Optimization of Microalgae Growth in Photobioreactors: A Multidisciplinary Problem. Emergence, Complexity and Computation, 277–286. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-10759-2_29
  26. Bakeri, N. M., Jamaian, S. S. (2017). A mathematical model of microalgae growth in cylindrical photobioreactor. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.4995853
  27. Mansouri, M. (2017). Predictive modeling of biomass production by Chlorella vulgaris in a draft-tube airlift photobioreactor. Advances in Environmental Technology, 2 (3), 119–126. doi: https://doi.org/10.22104/aet.2017.433
  28. Janoska, A., Andriopoulos, V., Wijffels, R. H., Janssen, M. (2018). Potential of a liquid foam-bed photobioreactor for microalgae cultivation. Algal Research, 36, 193–208. doi: https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.09.029
  29. Romanenko, V. D. (Ed.) (2006). Metody hidroekolohichnykh doslidzhen poverkhnevykh vod. Kyiv: Lohos, 408.
  30. Pavliukh, L., Shamanskyi, S. (2021). Photobioreactor for microalgae-based wastewater treatment. Proceedings of the National Aviation University, 87 (2), 57–64. doi: https://doi.org/10.18372/2306-1472.87.15721
  31. Bryankin, K. V., Utrobin, N. P., Orekhov, V. S., D'yachkova, T. P. (2006). Obschaya himicheskaya tekhnologiya. Ch. 2. Tambov: Izdatel'stvo TGTU, 172. Available at: https://www.tstu.ru/book/elib/pdf/2006/bryankin.pdf
  32. Kandilian, R., Taleb, A., Heredia, V., Cogne, G., Pruvost, J. (2019). Effect of light absorption rate and nitrate concentration on TAG accumulation and productivity of Parachlorella kessleri cultures grown in chemostat mode. Algal Research, 39, 101442. doi: https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101442
  33. Anpilova, Y., Lukianova, V., Trofymchuk, O. (2020). Environmental Safety of Motor Transport Enterprises within Urban Areas. Journal of Ecological Engineering, 21 (4), 231–236. doi: https://doi.org/10.12911/22998993/119799
  34. Choi, H.-J., Lee, S.-M. (2012). Effects of Microalgae on the Removal of Nutrients from Wastewater: Various Concentrations of Chlorella vulgaris. Environmental Engineering Research, 17 (S1), S3–S8. doi: https://doi.org/10.4491/eer.2012.17.s1.s3
  35. Morozova, T. V., Lukianova, V. V., Anpilova, Y. S. (2019). Сonceptualization of latent ecosystem services. Environmental Safety and Natural Resources, 29 (1), 54–64. doi: https://doi.org/10.32347/2411-4049.2019.1.54-64
  36. Kharytonova, N., Khrutba, V. (2021). Classification of micropollutants sources as components of road surface runoff pollution. Dorogi i Mosti, 23, 251–258. doi: https://doi.org/10.36100/dorogimosti2021.23.251
  37. Shamanskyi, S., Boichenko, S. (2017). Environment-Friendly Technology of Airport’s Sewerage. Advances in Sustainable Aviation, 161–175. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-67134-5_11

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-12-29

Як цитувати

Шаманський, С. Й., Бойченко, С. В., Хрутьба, В. О., Барабаш, О. В., Шкільнюк, І. О., Яковлєва, А. В., Топільницький, П. І., & Павлюх, Л. І. (2021). Підвищення ефективності роботи фотобіореатора у технологічній схемі очищення стічних вод. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(10 (114), 6–15. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.248746

Номер

Том 6 № 10 (114) (2021): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Sergii Shamanskyi, Sergii Boichenko, Viktoria Khrutba, Olena Barabash, Iryna Shkilniuk, Anna Yakovlieva, Petro Topilnyckyi, Lesia Pavliukh

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.