Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою
Наведена математична модель біологічного очищення стічних вод від органічних забруднень в умовах аеротенка з закріпленим біоценозом (біоплівкою мікроорганізмів). При цьому розглядаються і враховані особливості формування і моделювання складної стратифікованої структури біоплівки зі змінними процесам...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2023 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202241 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою / О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859729504526663680 |
|---|---|
| author | Олійник, О.Я. Телима, С.В. Калугін, Ю.І. Олійник, Є.О. |
| author_facet | Олійник, О.Я. Телима, С.В. Калугін, Ю.І. Олійник, Є.О. |
| citation_txt | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою / О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Наведена математична модель біологічного очищення стічних вод від органічних забруднень в умовах аеротенка з закріпленим біоценозом (біоплівкою мікроорганізмів). При цьому розглядаються і враховані особливості формування і моделювання складної стратифікованої структури біоплівки зі змінними процесами іпараметрами та процеси масопереносу і концентрації мікроорганізмів по її товщині.
A mathematical model of biological purification of wastewater from organic pollutants in the conditions of an aeration tank with a fixed biocenosis (biofilm of microorganisms) is given. At the same time the peculiarities of the formation and modeling of a complex stratified structure of a biofilm with variable processes and parameters and are taken into account on in particular the processes of masstransfer and concentration of microorganisms along its thickness are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-01T12:16:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
3
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
МЕХАНІКА
MECHANICS
ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 5: 3—8
Ц и т у в а н н я: Олійник О.Я., Телима С.В., Калугін Ю.І., Олійник Є.О. Теоретичний аналіз процесів очищення
стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 5.
С. 3—8. https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.05.003
© Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2023. Стаття опублікована за умовами відкритого доступу за
ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
https://doi.org/10.15407/dopovidi2023.05.003
УДК 628.35
О.Я. Олійник
С.В. Телима, https://orcid.org/0000-0003-0109-0696
Ю.І. Калугін, https://orcid.org/0000-0003-0720-0665
Є.О. Олійник
Інститут гідромеханіки НАН України, Київ
E-mail: sertelyma@gmail.com
Теоретичний аналіз процесів очищення
стічних вод від органічних забруднень
стратифікованою біоплівкою
Наведена математична модель біологічного очищення стічних вод від органічних забруднень в умовах аеро-
тенка з закріпленим біоценозом (біоплівкою мікроорганізмів). При цьому розглядаються і враховані особли-
вості формування і моделювання складної стратифікованої структури біоплівки зі змінними процесами і
параметрами та процеси масопереносу і концентрації мікроорганізмів по її товщині.
Ключові слова: стратифікована модель, біоплівка, очищення, органічне забруднення, концентрації.
Ефективність вилучення органічних забруднень в біореакторах-аеротенках біологічними
методами можна значно підвищити, якщо поряд з завислим біоценозом (активним мулом)
забезпечити в об’ємі аеротенка на його поверхні додаткового облаштування з закріпленим
біоценозом з високою концентрацією мікроорганізмів (біоплівкою). При цьому в проведе-
них раніше дослідженнях активні частини біоплівки приймались однорідними структура-
ми [1—3], тобто параметри, які основному визначають вилучення забруднень, приймались
постійними по товщині біоплівки. Проте в реальних умовах згідно з проведеними експе-
риментальними дослідженнями біоплівка має неоднорідну стратифіковану структуру зі
змінними основними параметрами по її товщині. В результаті проведеного аналізу різних
спроб врахувати неоднорідну структуру біоплівки виникає необхідність проведення по-
дальших досліджень неоднорідності біоплівки, яка в основному характеризується і зале-
жить від зміни концентрації (щільності) мікроорганізмів XL (ХПК) по товщині біоплівки.
4 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 5
О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник
Так як параметр XL залежить від концентрації забруднень (субстрату), концентрація якого
зменшується по товщині біоплівки при його масопереносі дифузією, то приймається, що
концентрація XL і параметр дифузії в біоплівці DL є основними факторами, які характери-
зують ефективність її роботи.
Таким чином, в реальних умовах при очищенні стічних вод, зокрема, органічного по-
ходження в біореакторах зі зваженим біоценозом очищення буде відбуватись, як правило,
гетерогенною біоплівкою. За вказаних умов для гетерогенної біоплівки відоме рівняння,
яке описує утилізацію органічних забруднень при одиночному лімітуючому субстраті в
стаціонарних умовах, має такий вигляд:
2
max
12( ) 0.
L
L
L L
m
Xd L dL LD z D
dz Y K Ldz
(1)
Це відоме балансове рівняння, яке описує швидкість утилізації субстрату в умовах нелі-
нійної кінетики реакції Моно. Позначення використаних величин у рівнянні (1) наведено,
зокрема, в роботах [1—3].
На основі проведеного аналізу в запропонованій математичній моделі стратифікованої
біоплівки приймається [4]:
1) зв’язок між коефіцієнтом ефективної дифузії LD і щільністю біоплівки LX
0,93
0,99
0,48
1
11,19 0,27
LL
W L
XD
D X
, (2)
2) коефіцієнт LD в якості функції, яка залежить від концентрації L за лінійним за-
коном,
0 1( ) ,L L LD z D D z (3)
де невідомі коефіцієнти 0LD і 1LD визначаються таким чином:
0 1( ) ,L L LD z D D (4)
тобто, згідно з прийнятою моделлю, при 0z 0L LD D , а при z маємо 0 1 .L L LD D D
Так, в роботі [4] наведені значення ефективної дифузії в гетерогенній стратифікованій
біоплівці LzD по товщині біоплівки z загальної товщини δ = 300 мкм, одержані експери-
ментальним шляхом (табл. 1).
Таблиця 1. Значення Lz
L
w
DD
D , одержані
за товщиною біоплівки δ = 300 мкм експериментальним шляхом
z, мкм 0 50 100 150 200 250 300
LzD 0,65 0,60 0,56 0,48 0,44 0,37 0,30
5ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 5
Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень
Тобто, згідно з даними табл.1, одержуємо наступну залежність для визначення коефі-
цієнта дифузії LzD по товщині біоплівки z при 0 0, 65LD :
0, 65 0, 001 .LzD z (5)
Зазначимо, що в умовах прийнятої і реалізованої моделі забруднення надходять в біо-
плівку із біореактора через пограничний шар (рідинну плівку).
У цьому випадку значення коефіцієнта ефективної дифузії рекомендується приймати
в середньому 0 0, 8L wD D [1, 2]. При реалізації моделі було прийнято відношення:
0
1, 25.wDk
D
(6)
Для подальшого аналізу представимо рівняння (1) в безрозмірній формі у вигляді:
22
max
2
1 0Lñð L
a W L mL
X Xd L dL L
z dz YL D D K Ldz
, (7)
де
0
1
, , , , , .mL LL L
mL L L
a a Lcp W L
K DX Dz Lz L K X D
L L X D D
Для подальшого аналізу приймаємо
1
0
1 1 , .LO WL
L
W W L
D DD zD z k
D D k D
(8)
З врахуванням рівняння (2) після деяких перетворень для визначення концентрацій
LX одержимо:
–0,78
1–
–38,85 38,98L
z
X
k
. (9)
Використовуючи залежність (9), можна визначити середнє значення концентрації в
біоплівці Xср за формулою:
0,22
0,78
0
1 1( ) –38,85 –175,73 1– –1 ,Lcp LX X z dz k
(10)
де k — коефіцієнт масопереносу забруднень у рідинній плівці.
На підставі одержаних результатів з визначення концентрацій LX і LcpX можна роз-
рахувати концентрацію L
L
Lcp
XX
X
в основному рівнянні (7).
ср XL
6 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 5
О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник
Після проведеного обґрунтування основне рівняння для обрахування і аналізу буде
мати в безрозмірній формі такий вигляд:
2
21 ( ) 0
m
d L dL LF z
dz z dz K L
, (11)
де ( ) L
L
XF z
D
, а відомий модуль Тіля буде визначатись за формулою:
2
max Lcp
a W
X
YL D
. (12)
Розв’язання рівняння (11) виконується за граничних умов
при 0 – (1 )L
dLz L
dz
, (13)
при 1 0dLz
dz
, (14)
0
L L
L
W L
K Kk
D D
. (15)
В результаті розв’язання рівняння (11) чисельними методами на основі розробле-
ної програми побудовані розрахункові графіки і таблиці для визначення концентрацій
на зовнішній поверхні біоплівки 0 ( 0)zL L z та на внутрішній поверхні біоплівки
1 ( )zL L z , а також графіки і таблиці для визначення зміни концентрацій zL по тов-
щині біоплівки z . Наведені на графіках і у таблицях результати розрахунків одержані
для прийнятих різних, достатньо обґрунтованих характеристик , , ,L L . Відповідні
графіки і таблиці наведені в роботі [5]. Так, при визначенні параметра переносу забруд-
Таблиця 2. Результати розрахунку концентрацій 0L і
1
L
L
L
m
m
a
K
K
L
20 10 5 1 0,5 0,1
2,5L
0L 0,87 0,80 0,78 0,57 0,50 0,40
1
L 0,65 0,32 0,18 0.03 0,01 0,0
9,5L
0L 0,57 0,47 0,40 0,25 0,18 0,10
1
L 0,04 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00
+
7ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2023. № 5
Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень
нень рідинною плівкою приймається L згідно з рівнянням (15), а при визначенні моду-
ля прийнято 2 1,25 L ,
2
max
0
Lcp
L
L a
X
D L
при різних значеннях 0
1
L
L
D
D
.
В якості прикладу наведена табл. 2, яка містить результати розрахунку концентрацій
1
1
0
0 ,
a a
LLL L
L L
, одержаних при значеннях параметрів 5,2L і 3,0 .
Так як параметр L формується і залежить від складових, які визначаються структу-
рою і характеристиками рідинної плівки (пограничного шару), то він не буде залежати від
структури біоплівки. Тому для обох структур біоплівки значення коефіцієнта ефективної
дифузії 0LD , згідно з існуючими рекомендаціями, приймаємо [2, 3]:
0 0,8L WD D . (16)
Зазначимо, що одержані розрахункові графіки і таблиці враховують широкий можли-
вий діапазон зміни основних параметрів.
Так, при їх побудові було використано і враховано широкий діапазон змін параметра
LK в межах 0 20mLK , значення якого визначає межі прийнятих в моделях очищення
стічних вод різних рівнянь кінетичних реакцій, зокрема, нульового і першого порядків.
Кінетика реакцій першого та нульового порядків в практичних розрахунках може
відповідати відношенням 2 3mL
mL
a
KK
L
і 0,15 0,2mK , тобто, десь в межах
0,15 3mK і при розрахунках необхідно приймати відоме нелінійне рівняння Моно.
Також на результати вилучення органічних забруднень біоплівкою має вплив комплек-
сний параметр L , який пов’язаний з модулем Тіля 1,25 L . Більші значення L
свідчать про більший вплив процесів реакції, ніж вплив процесів дифузії, що в цілому
значно впливає на складність оцінки параметра L . Процеси масопереносу в стратифі-
кованій біоплівці залежать також від коефіцієнта ефективної дифузії LD , тобто від кон-
центрації LX , що враховано, як уже зазначалось, параметром 0
1L
D
D
. Так, при 1,5
в зміні концентрацій на виході із біоплівки 1L згідно з проведеним теоретичним ана-
лізом, значних змін не відбувається. В цілому аналіз теоретичних досліджень показав,
що переважно вилучення субстрату відбувається на початковій ділянці біоплівки, яка
складає наближено 20—25 % загальної товщини біоплівки .
Реалізація і використання стратифікованої моделі структури біоплівки дозволили нам
провести порівняльний аналіз і оцінку одержаних в літературі багатьох досліджень з ви-
лучення забруднень в процесі очищення в однорідній структурі біоплівки по її товщині.
8 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2023. No 5
О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Beyenal H., Lewandowski Z. Modeling mass transport and microbial activity in stratified biofilms. Chemical
Engine. Science. 2005. № 60. P. 4337—4348.
2. Elenter D., Milferstedt K., Zhang W., Hausner M., Morgenroth E. Influence of detachment on substrate removal
and microbial ecology in a heterotrophic/autotrophic biofilm. Nat. Resour. 2007. 41. P. 4657—4671.
3. Henze M.M., van Loodsdresht M., Ekama G.A., Brdjanovic D. Biological Wastewater Treatment. IWA Publishing,
2008. 511 p.
4. Lee M.W., Park I.M. One-dimensional mixed-culture biofilm model considering different space occupancies of
particle components. Water Res. 2007. No. 1-41—1-44. P. 4317—4328.
5. Олійник О.Я., Айрапетян Т.С., Курганська С.М. Аналіз і деякі рекомендації до розрахунку кисневого
режиму в аеротенках при очистці стічних вод від органічних забруднень зваженим і закріпленим біо-
ценозом. Наук. вісник будівництва. 2016. № 3 (15). С. 177—184.
Надійшло до редакції 09.03.2023
REFERENCES
1. Beyenal, H. & Lewandowski, Z. (2005). Modeling mass transport and microbial activity in stratified biofilms.
Chemical Engine. Science, № 60, pp. 4337-4348.
2. Elenter, D., Milferstedt, K., Zhang, W., Hausner, M. & Morgenroth, E. (2007). Influence of detachment on sub-
strate removal and microbial ecology in a heterotrophic/autotrophic biofilm. Nat. Resour., 41, pp. 4657-4671.
3. Henze, M. M., van Loodsdresht, M., Ekama, G. A. & Brdjanovic, D. (2008). Biological Wastewater Treatment.
IWA Publishing.
4. Lee, M. W. & Park, I. M. (2007). One-dimensional mixed-culture biofilm model considering different space oc-
cupancies of particle components. Water Res., No. 1-41—1-44, pp. 4317-4328.
5. Oliynyk, O. Ya., Airapetyan, T. S. & Kurganska, S. M. (2016). Analysis and recommendations before the rotting
of the acidic regime in aeration tanks during the purification of waste water from organic pollutants with an
suspended and fixed biocoenosis. Sciences Bulletin of Building, No. 3 (15), pp. 177-184 (in Ukrainian).
Received 09.03.2023
O.Ya. Oliynyk
S.V. Telyma, https://orcid.org/0000-0003-0109-0696
Yu.I. Kalugin, https://orcid.org/0000-0003-0720-0665
Ye.O. Oliynyk
Institute of Hydromechanics of the NAS of Ukraine, Kyiv
E-mail: sertelyma@gmail.com
THEORETICAL ANALYSIS OF WASTEWATER TREATMENT PROCESSES
FROM ORGANIC POLLUTANTS WITH STRATIFIED BIOFILM
A mathematical model of biological purification of wastewater from organic pollutants in the conditions of an
aeration tank with a fixed biocenosis (biofilm of microorganisms) is given. At the same time the peculiarities of the
formation and modeling of a complex stratified structure of a biofilm with variable processes and parameters and
are taken into account on in particular the processes of masstransfer and concentration of microorganisms along
its thickness are considered.
Keywords: stratified model, biofilm, cleaning, organic pollution, concentrations.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202241 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-01T12:16:20Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Олійник, О.Я. Телима, С.В. Калугін, Ю.І. Олійник, Є.О. 2025-03-07T11:18:44Z 2023 Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою / О.Я. Олійник, С.В. Телима, Ю.І. Калугін, Є.О. Олійник // Доповіді Національної академії наук України. — 2023. — № 5. — С. 3-8. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202241 628.35 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2023.05.003 Наведена математична модель біологічного очищення стічних вод від органічних забруднень в умовах аеротенка з закріпленим біоценозом (біоплівкою мікроорганізмів). При цьому розглядаються і враховані особливості формування і моделювання складної стратифікованої структури біоплівки зі змінними процесами іпараметрами та процеси масопереносу і концентрації мікроорганізмів по її товщині. A mathematical model of biological purification of wastewater from organic pollutants in the conditions of an aeration tank with a fixed biocenosis (biofilm of microorganisms) is given. At the same time the peculiarities of the formation and modeling of a complex stratified structure of a biofilm with variable processes and parameters and are taken into account on in particular the processes of masstransfer and concentration of microorganisms along its thickness are considered. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Механіка Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою Theoretical analysis of wastewater treatment processes from organic pollutants with stratified biofilm Article published earlier |
| spellingShingle | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою Олійник, О.Я. Телима, С.В. Калугін, Ю.І. Олійник, Є.О. Механіка |
| title | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| title_alt | Theoretical analysis of wastewater treatment processes from organic pollutants with stratified biofilm |
| title_full | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| title_fullStr | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| title_full_unstemmed | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| title_short | Теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| title_sort | теоретичний аналіз процесів очищення стічних вод від органічних забруднень стратифікованою біоплівкою |
| topic | Механіка |
| topic_facet | Механіка |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202241 |
| work_keys_str_mv | AT olíinikoâ teoretičniianalízprocesívočiŝennâstíčnihvodvídorganíčnihzabrudnenʹstratifíkovanoûbíoplívkoû AT telimasv teoretičniianalízprocesívočiŝennâstíčnihvodvídorganíčnihzabrudnenʹstratifíkovanoûbíoplívkoû AT kalugínûí teoretičniianalízprocesívočiŝennâstíčnihvodvídorganíčnihzabrudnenʹstratifíkovanoûbíoplívkoû AT olíinikêo teoretičniianalízprocesívočiŝennâstíčnihvodvídorganíčnihzabrudnenʹstratifíkovanoûbíoplívkoû AT olíinikoâ theoreticalanalysisofwastewatertreatmentprocessesfromorganicpollutantswithstratifiedbiofilm AT telimasv theoreticalanalysisofwastewatertreatmentprocessesfromorganicpollutantswithstratifiedbiofilm AT kalugínûí theoreticalanalysisofwastewatertreatmentprocessesfromorganicpollutantswithstratifiedbiofilm AT olíinikêo theoreticalanalysisofwastewatertreatmentprocessesfromorganicpollutantswithstratifiedbiofilm |