Дослідження стабільності роботи алгоритму періодичної аерації
Анотація
Актуальність. Питанню періодичної аерації, яка може використовуватись як інструмент в процесі біологічної очистки стічних вод, завжди приділялося незаслужено мало уваги. Оскільки оптимізація всіх технологічних процесів, з точки зору продуктивності та енергоспоживання, це вимога часу, тому, на нашу думку, більш глибоке вивчення і дослідження фізичних та біологічних процесів, які впливають на метаболізм мікроорганізмів під час періодичної аерації, є дуже важливим.
Метою роботи було: 1) визначення умов стабільного стану біоценозу мікроорганізмів під час застосування режиму короткоциклової періодичної аерації; 2) складання математичної моделі аераційної системи, яка пов’язує приріст біомаси з концентрацією кисню; 3) визначення мінімально граничних концентрацій кисню як умов стабільності системи.
Матеріали і методи. Аераційна система змодельована за допомогою системи диференціальних рівнянь, що описують динаміку розмноження мікроорганізмів з урахуванням подачі кисню аераційною системою для забезпечення метаболізму мікроорганізмів. Експериментальні дослідження проводилися в штучно виготовленому лабораторному аеротенку (0,7 м ´ 0,7 м ´ 1,2 м, ємністю 500 л).
Результати. Рішення системи диференціальних рівнянь дало умови стабільності системи, тобто граничні концентрації кисню на літр рідини. З урахуванням умов стабільності було отримане рівняння, що дозволяє визначити пороговий рівень концентрації кисню, при якому необхідно закінчувати період аерації. За допомогою даних, які були одержані в результаті лабораторних дослідів, стало можливим чисельне визначення коефіцієнта остаточного вмісту кисню γ, з використанням якого можна визначити граничну концентрацію кисню.
Висновки. З систем диференційних рівнянь, що складається з рівняння розмноження мікроорганізмів за логістичною моделлю та рівняння, яке описує динаміку концентрації кисню у рідині аеротенку, знайдено умови, за яких система є стабільною. З умов стабільності випливає рівняння, що задає умову відключення подачі кисню до системи аерування в алгоритмі періодичної аерації. Оптимальна ступінь очищення і загальний час аерації в експериментах свідчать про те, що інтервал концентрацій O2 у відпрацьованих газах, при якому слід закінчувати період аерації, можна визначати за цим рівнянням, приймаючи в ньому чисельне значення коефіцієнта γ рівним 0,01–0,02.
Завантаження
Посилання
Kosek K, Luczkiewicz A, Fudala-Książek S, Jankowska K, Szopińska M, Svahn O, et al. Implementation of advanced micropollutants removal technologies in wastewater treatment plants (WWTPs) - Examples and challenges based on selected EU countries. Environ Sci Policy. 2020 Oct;112:213–26. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.06.011
Zhang D, Ling H, Huang X, Li J, Li W, Yi C, et al. Potential spreading risks and disinfection challenges of medical wastewater by the presence of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) viral RNA in septic tanks of Fangcang Hospital. Sci Total Environ. 2020 Nov;741:140445. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140445
Shen Y, Gao J, Li L. Municipal wastewater treatment via co-immobilized microalgal-bacterial symbiosis: Microorganism growth and nutrients removal. Bioresour Technol. 2017 Nov;243:905–13. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2017.07.041
Azyan Rozlan. The effect of ultra violet germicidal to the removal of pathogens in rainwater harvester [Project Paper]. Kuantan, Pahang: UMP; 2018. 32 p. Available from: https://efind.ump.edu.my/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=90889
Topić Popović N, Kepec S, Kazazić SP, Barišić J, Strunjak-Perović I, Babić S, et al. The impact of treated wastewaters on fish bacterial flora: a public health perspective. Ribarstvo. 2019 Sep 1;77(3):133–6. https://doi.org/10.2478/cjf-2019-0015
Bodzek M, Konieczny K, Rajca M. Membranes in water and wastewater disinfection. Arch Environ Prot. 2019;45(1):3–18. https://doi.org/10.24425/AEP.2019.126419
Schaider LA, Rodgers KM, Rudel RA. Review of organic wastewater compound concentrations and removal in onsite wastewater treatment systems. Environ Sci Technol. 2017 Jul 5;51(13):7304–17. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b04778
Rogowska J, Cieszynska-Semenowicz M, Ratajczyk W, Wolska L. Micropollutants in treated wastewater. Ambio. 2020 Feb;49(2):487–503. https://doi.org/10.1007/s13280-019-01219-5
Widiana DR, You S, Yang H, Tsai J, Wang Y. Source apportionment of air pollution and characteristics of volatile organic compounds in a municipal wastewater treatment plant, North Taiwan. Aerosol Air Qual Res. 2017;17(11):2878–90. https://doi.org/10.4209/aaqr.2017.09.0317
Zhang Y, Wei C, Yan B. Emission characteristics and associated health risk assessment of volatile organic compounds from a typical coking wastewater treatment plant. Sci Total Environ. 2019 Nov;693:133417. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.07.223
De Gisi S, Lofrano G, Grassi M, Notarnicola M. Characteristics and adsorption capacities of low-cost sorbents for wastewater treatment: A review. Sustain Mater Techno. 2016 Sep;9:10–40. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2016.06.002
Brisebois E, Veillette M, Dion-Dupont V, Lavoie J, Corbeil J, Culley A, et al. Human viral pathogens are pervasive in wastewater treatment center aerosols. J Environ Sci. 2018;67:45–53. https://doi.org/10.1016/j.jes.2017.07.015
Matos A, Mesquita J, Gonçalves D, Abreu-Silva J, Luxo C, Nascimento M. First detection and molecular characterization of hepatitis E virus in water from wastewater treatment plants in Portugal. Ann Agric Environ Med. 2018 Jun 20;25(2):364–7. https://doi.org/10.26444/aaem/90497
Beyer S, Szewzyk R, Gnirss R, Johne R, Selinka H. Detection and characterization of hepatitis E virus genotype 3 in wastewater and urban surface waters in Germany. Food Environ Virol. 2020 Jun;12(2):137–47. https://doi.org/10.1007/s12560-020-09424-2
Barboza LGA, Cózar A, Gimenez BCG, Barros TL, Kershaw PJ, Guilhermino L. Сhapter 17 – Macroplastics pollution in the marine environment. In: World seas: an Environmental Evaluation, Elsevier; 2019, p. 305–28. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-805052-1.00019-X
Mishra S, Rath Cc, Das AP. Marine microfiber pollution: A review on present status and future challenges. Marine Pollution Bulletin. 2019 Mar;140:188–97. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2019.01.039
Kazour M, Terki S, Rabhi K, Jemaa S, Khalaf G, Amara R. Sources of microplastics pollution in the marine environment: Importance of wastewater treatment plant and coastal landfill. Marine Pollution Bulletin. 2019 Sep;146:608–18. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2019.06.066
Burket SR, White M, Ramirez AJ, Stanley JK, Banks KE, Waller WT, et al. Corbicula fluminea rapidly accumulate pharmaceuticals from an effluent dependent urban stream. Chemosphere. 2019 Jun;224:873–83. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.03.014
Edokpayi JN, Odiyo JO, Olatunde SD. Impact of wastewater on surface water quality in developing countries: a case study of South Africa. In: Hlanganani Tutu, editor. Water quality. IntechOpen; 2017. p. 401–416 . https://doi.org/10.5772/66561
Li J, Li J, Gao R, Wang M, Yang L, Wang X, et al. A critical review of one-stage anammox processes for treating industrial wastewater: Optimization strategies based on key functional microorganisms. Bioresource Technology. 2018 Oct;265:498–505. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.07.013
Pasternak G, Greenman J, Ieropoulos I. Self-powered, autonomous Biological Oxygen Demand biosensor for online water quality monitoring. Sensors and Actuators B: Chemical. 2017 Jun;244:815–22. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.01.019
Hiser LL, Busch AW. An 8-hour biological oxygen demand test using mass culture aeration and cod. Journal (Water Pollution Control Federation). 1964;36(4):505-516 . Hiser, L., & Busch, A. (1964). Journal (Water Pollution Control Federation), 36(4), 505–516. Avaible from http://www.jstor.org/stable/25035054
Jouanneau S, Recoules L, Durand M, Boukabache A, Picot V, Primault Y, et al. Methods for assessing biochemical oxygen demand (BOD): A review. Water Research. 2014 Feb;49:62–82. https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.10.066
Hur J, Lee B, Lee T, Park D. Estimation of biological oxygen demand and chemical oxygen demand for combined sewer systems using synchronous fluorescence spectra. Sensors. 2010 Mar 24;10(4):2460–71. https://doi.org/10.3390/s100402460
World Health Organization. (1993). Guidelines for drinking-water quality: volume 1: recommendations, 2nd ed. World Health Organization. Avaiable from: https://apps.who.int/iris/handle/10665/259956
Oleynik OY, Airapetian TS, Kurganska SM. Evaluation of the performance of aerotanks due to add-on attached biocenosis. Science and Transport Progress Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport. 2019 Aug 14;0(4(82)):37–46. https://doi.org/10.15802/stp2019/175883
Meyers RA, editor. Encyclopedia of complexity and systems science. New York: Springer; 2009. https://doi.org/10.1007/978-0-387-30440-3
Verhulst PF, Notice sur la loi que la population suit dans son accroissement. Corresp. Math. Phys. 1838;10:113–126.
Garcia-Ochoa F, Gomez E. Bioreactor scale-up and oxygen transfer rate in microbial processes: an overview. Biotechnology advances 27.2 (2009): 153–176. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.10.006
Pittoors E, Guo Y, W. H. Van Hulle S. Modeling dissolved oxygen concentration for optimizing aeration systems and reducing oxygen consumption in activated sludge processes: A review. Chemical Engineering Communications. 2014 Aug 3;201(8):983–1002. https://doi.org/10.1080/00986445.2014.883974
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
