Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією
Приведено математичну модель сумісного вилучення органічних забруднень і амонійного азоту при аеробній біологічній очистці стічних вод на затоплених фільтрах. Враховано вплив різних факторів на процеси очистки в умовах закріпленого на завантаженні біоценозу....
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49478 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією / О.Я. Олійник, А.М. Кравчук, Д.А. Кєларєва // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 180-183. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49478 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-494782025-02-09T14:28:38Z Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією Моделирование совместного изъятия органических загрязнений и азота при очистке сточных вод биофильтрацией The modeling of a simultaneous removing of organic pollutants and nitrogen at the waste water cleaning by the biofiltration Олійник, О.Я. Кравчук, А.М. Кєларєва, Д.А. Екологія Приведено математичну модель сумісного вилучення органічних забруднень і амонійного азоту при аеробній біологічній очистці стічних вод на затоплених фільтрах. Враховано вплив різних факторів на процеси очистки в умовах закріпленого на завантаженні біоценозу. Приведена математическая модель совместного удаления органических загрязнений и аммонийного азота при аеробной биологической очистке сточных вод на затопленных фильтрах. Учтено влияние различных факторов на процессы очистки в условиях прикрепленного на загрузке биоценоза. A mathematical model of the simultaneous removing of organic pollutions and ammonium nitrogen at the aerobic biological cleaning of the waste water on the ponding filters is presented. The influence of various factors on the cleaning processes under conditions of the biocoenosis attached at the loading is taken into account. 2012 Article Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією / О.Я. Олійник, А.М. Кравчук, Д.А. Кєларєва // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 180-183. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49478 628-30 uk Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Екологія Екологія |
| spellingShingle |
Екологія Екологія Олійник, О.Я. Кравчук, А.М. Кєларєва, Д.А. Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією Доповіді НАН України |
| description |
Приведено математичну модель сумісного вилучення органічних забруднень і амонійного азоту при аеробній біологічній очистці стічних вод на затоплених фільтрах. Враховано вплив різних факторів на процеси очистки в умовах закріпленого на завантаженні біоценозу. |
| format |
Article |
| author |
Олійник, О.Я. Кравчук, А.М. Кєларєва, Д.А. |
| author_facet |
Олійник, О.Я. Кравчук, А.М. Кєларєва, Д.А. |
| author_sort |
Олійник, О.Я. |
| title |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| title_short |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| title_full |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| title_fullStr |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| title_full_unstemmed |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| title_sort |
моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Екологія |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49478 |
| citation_txt |
Моделювання сумісного вилучення органічних забруднень і азоту при очистці стічних вод біофільтрацією / О.Я. Олійник, А.М. Кравчук, Д.А. Кєларєва // Доп. НАН України. — 2012. — № 4. — С. 180-183. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT olíjnikoâ modelûvannâsumísnogovilučennâorganíčnihzabrudnenʹíazotupriočistcístíčnihvodbíofílʹtracíêû AT kravčukam modelûvannâsumísnogovilučennâorganíčnihzabrudnenʹíazotupriočistcístíčnihvodbíofílʹtracíêû AT kêlarêvada modelûvannâsumísnogovilučennâorganíčnihzabrudnenʹíazotupriočistcístíčnihvodbíofílʹtracíêû AT olíjnikoâ modelirovaniesovmestnogoizʺâtiâorganičeskihzagrâznenijiazotapriočistkestočnyhvodbiofilʹtraciej AT kravčukam modelirovaniesovmestnogoizʺâtiâorganičeskihzagrâznenijiazotapriočistkestočnyhvodbiofilʹtraciej AT kêlarêvada modelirovaniesovmestnogoizʺâtiâorganičeskihzagrâznenijiazotapriočistkestočnyhvodbiofilʹtraciej AT olíjnikoâ themodelingofasimultaneousremovingoforganicpollutantsandnitrogenatthewastewatercleaningbythebiofiltration AT kravčukam themodelingofasimultaneousremovingoforganicpollutantsandnitrogenatthewastewatercleaningbythebiofiltration AT kêlarêvada themodelingofasimultaneousremovingoforganicpollutantsandnitrogenatthewastewatercleaningbythebiofiltration |
| first_indexed |
2025-11-26T20:53:27Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:53:27Z |
| _version_ |
1849887722836066304 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
4 • 2012
ЕКОЛОГIЯ
УДК 628-30
© 2012
Член-кореспондент НАН України О. Я. Олiйник, А. М. Кравчук,
Д.А. Кєларєва
Моделювання сумiсного вилучення органiчних
забруднень i азоту при очистцi стiчних вод
бiофiльтрацiєю
Приведено математичну модель сумiсного вилучення органiчних забруднень i амонiйно-
го азоту при аеробнiй бiологiчнiй очистцi стiчних вод на затоплених фiльтрах. Врахова-
но вплив рiзних факторiв на процеси очистки в умовах закрiпленого на завантаженнi
бiоценозу.
Вiдомо [1, 2], що основними забрудненнями, якi входять до складу господарсько-побутових
стiчних вод, є органiчнi забруднення i сполуки азоту, переважно амонiйної форми. Останнiм
часом значно пiдвищилися нормативнi вимоги до ступеня та якостi вилучення зазначених
забруднень, а iснуючi споруди механiчної i бiологiчної очистки не завжди задовольняють
цим вимогам i потребують додаткової очистки. Тому переважно для доочистки стiчних вод
значного поширення отримав метод бiофiльтрацiї, який базується на технологiї закрiпленої
з високою концентрацiєю бiомаси (бiоплiвки) на матерiалi завантаження фiльтра [1, 3]. Пра-
ктично всi стiчнi води мають у своєму складi й органiчнi забруднення (ОЗ), й амонiйний
азот (N), тому процеси вилучення амонiю (нiтрифiкацiя) конкурує з окисненням органi-
ки, оскiльки окиснюються рiзними мiкроорганiзмами. Вилучення зазначених забруднень
переважно вiдбувалося окремо в двi стадiї: спочатку вилучалися органiчнi забруднення
без нiтрифiкацiї, а потiм був оптимiзований процес нiтрифiкацiї. Використання затоплених
фiльтрiв дозволяє органiзувати проведення в об’ємi фiльтра сумiсне вилучення ОЗ й N на
пiдставi побудови математичної моделi, яка дає змогу розрахувати змiну їх концентрацiй
по висотi фiльтра, зумовлених рiзними мiкроорганiзмами бiоплiвки [1, 4]. В обох випадках
для росту i життєдiяльностi мiкроорганiзмiв необхiдно забезпечити безперебiйне постачан-
ня кисню (DO) в необхiднiй кiлькостi.
В об’ємi рiдини ОЗ, N й DO переносяться фiльтрацiйним потоком. Бiля поверхнi части-
нок завантаження утворюється тонкий ламiнарний пограничний шар (рiдинна плiвка), че-
рез яку вiдбувається масоперенос зазначених компонентiв до поверхнi бiоплiвки. Транспорт
(перенос) ОЗ, N i DO у бiоплiвцi контролюється молекулярною дифузiєю. Припускається,
що на поверхнi накопичення бiоплiвки ОЗ, N й DO не вiдбувається.
180 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4
Таким чином, з урахуванням наведених вище та iснуючих в науковiй лiтературi уяв-
лень про механiзми бiофiльтрацiйного процесу сумiсного вилучення органiчних забруднень
й амонiйного азоту в об’ємi затопленого фiльтра побудовано математичну модель, яка скла-
дається з рiвнянь матерiального балансу, записаних вiдносно змiни концентрацiй у стiчнiй
водi, що очищається у фiльтрi, бiоплiвцi i рiдиннiй плiвцi. Отже, загальна математична
модель очистки стiчних вод бiофiльтрацiєю складається з такої системи рiвнянь:
а) нестацiонарне рiвняння матерiального балансу маси ОЗ, N й DO для вiдносно необ-
меженої дiлянки тонкого активного шару бiоплiвки в умовах завантаження iз сферичних
зерен (гранул):
DL,N,C
(
∂2M
∂r2
+
2
r
∂M
∂r
)
−RL,N,C =
∂M
∂t
, M = L,N,C; (1)
б) рiвняння для потоку ОЗ, N й DO до поверхнi бiоплiвки з об’єму рiдини (фiльтра)
крiзь рiдинну плiвку (пограничний шар):
IM = DMp
dM
dr
= KM (Me −M), Me = Le, Ne, Ce; (2)
в) нестацiонарне рiвняння матерiального балансу в об’ємi фiльтра для ОЗ й N :
nc
∂Me
∂t
= −v
∂Me
∂z
−
Fδ
W
KM (Me −M |r=R+δ) (3)
та для розчиненого кисню DO:
ne
∂C
∂t
= −v
∂C
∂z
−
Fδ
W
KM (Ce − C|r=R+δ) + ncαKCa(βCs − Ce). (4)
Швидкостi для реакцiй RL, RN й RC описуються такими загальними рiвняннями:
RL = kLρx
L
KLm + L
·
C
KCm + C
γfθLfpHL
fCH , (5)
RN = kNρx
N
KNm +N
·
C
KCm + C
(1− γ)fθN fpHN
fCA, (6)
RC = RL · kC1
+RN · kC2
+ (kCH
bHρxγ + kCA
bAρx(1− γ)) ·
C
KCm + C
, (7)
ρx = XH +XA, γ =
XH
XH +XA
. (8)
У наведених рiвняннях позначено: L, N , C — вiдповiдно концентрацiї органiчних за-
бруднень, амонiйного азоту й кисню в бiоплiвцi; Le, Ne, Ce — концентрацiї у фiльтрi;
DL,N,C — коефiцiєнти молекулярної дифузiї органiчних забруднень, азоту й кисню в бiо-
плiвцi; RL,N,C — швидкiсть кiнетичної реакцiї утилiзацiї органiчних забруднень, азоту i спо-
живання кисню; KL,N,C — коефiцiєнти масопереносу забруднень, азоту й кисню у рiдиннiй
плiвцi; kL, kN , kC — вiдповiдно константи швидкостi реакцiй для забруднень i кисню; KLm,
KNm, KCm — вiдповiдно константи пiвнасичення за органiчними забрудненнями, азотом
i киснем; XH , XA — вiдповiдно концентрацiї гетеротрофних i автотрофних мiкроорганiз-
мiв у бiомасi бiоплiвки; δ, δp — вiдповiдно товщини активної (аеробної) бiоплiвки i рiдинної
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 181
плiвки; bH , bA — константи розпаду (самоокоснення) вiдповiдної бiомаси; v — постiйна швид-
кiсть фiльтрацiї (v = Q/F , Q — витрата, F — площа фiльтра); nc — розрахункова (середня)
пористiсть завантаження, fθ, fpH, fC — поправочнi коефiцiєнти, якi враховують вплив тем-
ператури, pH i iнгибiрування реакцiй рiзними речовинами; α, β — вiдноснi коефiцiєнти, якi
враховують особливостi переносу кисню в стiчнiй водi; KCA
— об’ємний коефiцiєнт масо-
переносу кисню в чистiй водi.
Виконаний аналiз показав, що процес очистки можна розглядати в стацiонарних умо-
вах, тобто потiк компонентiв у бiоплiвку i змiни їх концентрацiй можна розглядати в ста-
цiонарних умовах. У той самий час зростання i змiна товщини бiоплiвки вiдбувається в часi
i по висотi фiльтра. Крiм того, в рiвняннях матерiального балансу змiни концентрацiй, за-
писаних для ємкостi фiльтра, не враховують дифузiйний член переносу (гiдродинамiчна
дисперсiя), яким в порiвняннi з iншими членами можна знехтувати. Розв’язання наведеної
системи рiвнянь у стацiонарних умовах виконується при таких граничних умовах:
DM
∂M
∂r
|r=R = 0, DM
∂M
∂r
= KM (Me −M |r=R+δ), Me|z=0 = M0. (9)
В окремих випадках з достатнiм наближенням замiсть рiвнянь (5), (6) й (7) кiнетику
реакцiй можна приймати як першого порядку вiдносно концентрацiї L i нульового порядку
вiдносно концентрацiй N й C, тобто приймати в подальших розв’язках:
RL1
= kL1
Lfi, RN0
= wNfi, RC0
= RL1
kC1
+RN0
kC2
+ wH + wA, (10)
де kL1
= kLρxγ/KLm, wN = kNρx(1 − γ), wH = kCH
bHρxγ, wA = kCA
bAρx(1 − γ).
Рiвняння кiнетики реакцiй бiоокиснення ОЗ й N (5) й (6) також можна значно спрос-
тити, коли процес не лiмiтується киснем, тобто в достатнiй кiлькостi забезпечений киснем
(C > 4–5 мг/л), тодi рiвняння (7) для кисню не враховується, а в рiвняннях для RL й RN
приймається C/(Kmc
+ C) ≈ 1. Деякi умови i критерiї, коли кисень не буде лiмiтувати
процес очистки закрiпленим бiоценозом (бiоплiвкою), наведено в роботах [1, 4].
Ефективнiсть вилучення органiчних забруднень i сполук азоту в завантаженнi фiльт-
ра пов’язана з утворенням високої концентрацiї поверхнi бiомаси (бiоплiвки) на одиницю
об’єму фiльтра. Бiоплiвка мiстить в собi воду, але основна її фiзична характеристика знахо-
диться в твердiй фазi. Хоча рiдина складає основну частину бiоплiвки, проте твердi частки
є основними при моделюваннi товщини i складу бiоплiвки, оскiльки вони визначають її ре-
активнi i структурнi якостi. Тверда частина бiоплiвки має складну гетерогенну структуру та
складається в основному з активної бiомаси (в даному випадку гетеротрофних i автотроф-
них мiкроорганiзмiв), iнертної бiомаси i позаклiтинних полiмерних речовин (EPS) [3, 4].
При цьому структура бiоплiвки змiнюється по її товщинi i висотi фiльтра. Бiльш активнi
гетеротрофнi мiкроорганiзми, якi ростуть швидко, розташовуються у верхнiх шарах бiо-
плiвки, а з повiльним ростом автотрофнi бактерiї знаходяться в нижнiх шарах. Крiм того,
вказанi бактерiї мають рiзну товщину i концентрацiї мiкроорганiзмiв. Враховуючи складну
динамiку формування структури бiоплiвки при моделюваннi очистки стiчних вод з вико-
ристанням бiоплiвкових моделей, параметри активної бiоплiвки приймаються на пiдставi
експериментальних дослiджень.
Значно впливає на процеси i механiзми очистки стiчних вод закрiпленим бiоценозом
особливо температура, pH (лужнiсть) i наявнiсть рiзних речовин [1, 4–6]. Так, при вилучен-
нi амонiйного азоту значно знижується лужнiсть, тобто pH, що призводить до зниження
182 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №4
ступеня нiтрифiкацiї. Вiдомо, що всi види бактерiй особливо чутливi до рiзких змiн темпе-
ратури, а також iнгiбуючого впливу рiзних речовин, зокрема металiв, присутнiх у стiчнiй
водi. Деякою мiрою вплив зазначених факторiв посилюється при сумiснiй очистцi стiч-
них вод вiд органiчних забруднень i амонiйного азоту (ефект синергiзму). Дiя зазначених
факторiв на швидкiсть проходження реакцiй в формулах (5–7) врахована поправочними
коефiцiєнтами fi, визначення та кiлькiснi значення яких наведено в спецiальнiй лiтературi,
зокрема в [1, 2, 4, 6]. Зазначимо також, що особливо температура впливає безпосередньо на
прийнятi в моделях параметри масопереносу.
Реалiзацiя наведеної моделi дозволяє визначити параметри очистки при заданих гео-
метричних та iнших характеристиках затопленого фiльтра, а при прийнятiй конструкцiї
фiльтра i матерiалу завантаження визначити змiну концентрацiй L, N й C по висотi фiльт-
ра i, зокрема, кiнцевий результат очистки — значення концентрацiй у фiльтратi.
1. Henze M., Harremoes P., Jansen C., Arwin E. Wastewater Treatment. – Berlin, New York: Springer,
2002. – 430 p.
2. Viotti P., Erano B., Boni M.R. et al. Development and calibration of a mathematical model for the
simulation of the biofiltration process // Adv. Envir. Res. – 2002. – No 7. – P. 11–33.
3. Олейник А.Я., Василенко Т. В., Рыбаченко С.А., Хамад Ихаб Ахмад. Моделирование процессов до-
очистки хозяйственно-бытовых сточных вод на фильтрах // Пробл. водопостачання, водовiдведення
та гiдравлiки. – 2006. – Вип. 7. – С. 85–97.
4. Wanner O., Ebert N. I., Rittman B. E. Mathematical modeling of biofilms // Scientific and Technical
report. – 2006. – No 18. – 208 p.
5. Олейник А.Я., Тетеря А.И. Моделирование процессов удаления азота из сточных вод на малогаба-
ритных установках биологической очистки // Прикл. гидромеханика. – 2001. – 3, № 3. – С. 59–65.
6. Gheewala S. H., Pole R.K., Annachatre A. P. Nitrification modeling in biofilms under inhibitory condi-
tions // Wat. Res. – 2004. – 38. – P. 3179–3189.
Надiйшло до редакцiї 02.12.2011Київський нацiональний унiверситет
будiвництва i архiтектури
Член-корреспондент НАН Украины А. Я. Олейник, А. М. Кравчук,
Д.А. Келарева
Моделирование совместного изъятия органических загрязнений
и азота при очистке сточных вод биофильтрацией
Приведена математическая модель совместного удаления органических загрязнений и ам-
монийного азота при аеробной биологической очистке сточных вод на затопленных фильт-
рах. Учтено влияние различных факторов на процессы очистки в условиях прикрепленного
на загрузке биоценоза.
Corresponding Member of the NAS of Ukraine A. J. Oleinik, A.M. Kravchyk,
D.A. Kielarieva
The modeling of a simultaneous removing of organic pollutants and
nitrogen at the waste water cleaning by the biofiltration
A mathematical model of the simultaneous removing of organic pollutions and ammonium nitrogen
at the aerobic biological cleaning of the waste water on the ponding filters is presented. The influence
of various factors on the cleaning processes under conditions of the biocoenosis attached at the
loading is taken into account.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №4 183
|