Розробка універсальної моделі кінетики стаціонарного процесу біоочистки із субстратним інгібіюванням

The results of stationary laboratory experiments are analyzed on the basis of the specific (per unit biomass) degradation rate of environmental pollutants. The presence of substrate inhibition for both gaseous, and water-dissolved pollutants is revealed. The phenomenological approach, which takes into account two obvious phenomena in a simple form: the contact of a microorganism with the substrate molecule and the inhibitory effect of the environment on it is applied to the analytical description of the relationship between the bio-oxidation rate and the pollution concentration. Numerical values of empirical coefficients of relationships for the investigated processes are calculated.The differential equation, describing the kinetics of biochemical degradation at the macro-level is proposed. The macrokinetic mathematical model of bioremediation is defined as a system of two functions, quantitatively reflecting the  pollutant specific oxidation rate-concentration relationship and the concentration-time relationship, and satisfying the relationship of these parameters in a differential form. The concentration-time relationship is determined in the form of both the numerical integration algorithm and the approximate formula. The relevance and versatility of the proposed model for the investigated processes are proved. The resulting model is the basis for the quantitative description of non-stationary processes in bioreactors.Для удельной на единицу биомассы скорости окисления вредного вещества получено дифференциальное уравнение на макроуровне, описывающее кинетику биохимической деструктуризации. На основании феноменологического подхода к обобщению результатов стационарных лабораторных экспериментов предложена универсальная макрокинетическая математическая модель при субстратном ингибировании. Полученная модель предлагается в качестве базовой основы для количественного описания нестационарных процессов в установках биоочистки.Для питомої на одиницю біомаси швидкості окиснення шкідливої речовини отримано диференційне рівняння на макрорівні, яке описує кінетику біохімічної деструктуризації. На основі феноменологічного підходу до узагальнення результатів стаціонарних лабораторних експериментів запропонована універсальна макрокінетична математична модель при субстратному інгібіюванні. Отримана модель пропонується як базова основа для кількісного опису нестаціонарних процесів у біореактора

Дослiдження впливу конструкцiйних та режимних параметрiв на ефективнiсть систем бiохімічного очищення викидiв

A procedure for evaluating efficiency of the systems of biological elimination of soluble and insoluble in water harmful gaseous substances as well as dissolved in water contaminants has been devised. The procedure is based on previously developed mathematical models of the corresponding non-stationary bio oxidation processes. Based on the analysis of 27 design versions, real capabilities of biological purification facilities were shown, the effect of design and operation mode parameters on efficiency of the systems of biological destruction of methane, hydrogen sulfide and formaldehyde were assessed. In quantitative terms, the results obtained in numerical experiments indicate the necessity of taking into account variation of the rate of pollutant inflow in the process of vessel filling. It was established that an increase in the facility efficiency in terms of the volume of the gas-air mixture, N, causes a decrease in methane concentration at the bioreactor entry and a reduction of the purification degree to 62 %. An increase in the rate of hydrogen sulfide inflow to the reactor leads to a reduction of the purification degree from 98 to 95 %. An increase in the initial concentration of biomass by a factor of 1.7 causes a decrease in concentration of hydrogen sulfide in water from 2.5 to 1.1 g/m3. A significant decrease in the average specific bio oxidative power with an increase in the working space in which the final stage of emission purification from formaldehyde takes place was also observed.The revealed regularities represent a tool for improving quality of design solutions and increasing effectiveness of bio oxidation modes in operation of the systems of biological gas purification.Разработана методика оценки эффективности систем биоочистки от газообразных растворяемых и не растворяемых в воде вредных веществ, а также загрязнений, растворенных в воде. Методика базируется на ранее разработанных математических моделях соответствующих нестационарных процессов биоокисления. На основе анализа 27 вариантов проектных решений показаны реальные возможности установок биоочистки, оценено влияние конструктивных и режимных параметров на эффективность систем биодеструкции метана, сероводорода и формальдегида. Полученные в результате численных экспериментов результаты в количественном отношении свидетельствуют о необходимости учета изменения интенсивности поступления загрязнения в процессе заполнения емкости. Установлено, что увеличение производительности установки по объему газовоздушной смеси N вызывает уменьшение концентрации метана на входе в биореактор и приводит к уменьшению степени очистки до 62 %. Увеличение интенсивности поступления сероводорода в реактор приводит к уменьшению степени очистки от 98 до 95 %, а увеличение начальной концентрации биомассы в 1,7 раза вызывает уменьшение концентрации сероводорода в воде с 2,5 до 1,1 г/м3. Наблюдается также значительное уменьшение средней удельной биоокислительной мощности с ростом рабочего пространства, в котором происходит завершающая стадия процесса очистки выбросов от формальдегида.Выявленные закономерности представляют собой инструмент повышения качества проектных решений и роста эффективности режимов биоокисления в процессе эксплуатации систем биологической очисткигазовРозроблена методика оцінки ефективності систем біоочищення від газоподібних викидів, що містять шкідливі речовини, які розчиняються, не розчиняються у воді, а також забруднень, розчинених у воді. Методика базується на раніше розроблених математичних моделях відповідних нестаціонарних процесів біоокиснення. На основі аналізу 27 варіантів проектних рішень показані реальні можливості установок біоочищення, оцінено вплив конструктивних і режимних параметрів на ефективність систем біодеструкції метану, сірководню та формальдегіду. Отримані в результаті числових експериментів результати в кількісному відношенні свідчать про необхідність обліку зміни інтенсивності надходження забруднення в процесі заповнення місткості. Встановлено, що збільшення продуктивності установки за об'ємом газоповітряній суміші N викликає зменшення концентрації метану на вході в біореактор і призводить до зменшення ступеня очищення до 62 %. Збільшення інтенсивності надходження сірководню в реактор призводить до зменшення ступеня очищення від 98 до 95 %, а збільшення початкової концентрації біомаси в 1,7 разу викликає зменшення концентрації сірководня у воді з 2,5 до 1,1 г/м3. Спостерігається також значне зменшення середньої питомої біоокиснювальної потужності із зростанням робочого простору, в якому відбувається завершальна стадія процесу очищення викидів від формальдегіду.Виявлені закономірності є інструментом підвищення якості проектних рішень і зростання ефективності режимів біоокиснення в процесі експлуатації систем біологічної очистки газі

Розробка методів оцінки екологічного ризику погіршення стану поверхневих вод

We presented three new methods for assessment of the environmental risk of deterioration of a surface water state. We defined the ecological risk of deterioration of surface water at the state level as an addition of the integrated parameter of the state of surface waters and the integral index of anthropogenic loading. We used the official information of the National Report on the state of the environment of Ukraine to calculate the mentioned indicators. We developed classifications of anthropogenic loading on aquatic ecosystems and ecological risk of deterioration of water ecosystems. The assessment of the ecological risk of deterioration of surface water state in Ukraine showed that there are watercourses of the Siversky Donets river basin in the most dangerous state. A base of the methodology for assessment of the risk of water ecosystem well-being disruption is the determination of all parameters of the state of quality of surface waters that exceed the ecological standards using the probit-regression model. The process of determining ecological risk for watercourses of the Siversky Donets river basin in Kharkiv region showed a high level of danger to the well-being of the water ecosystem of the Udi river. We obtained the forecast of climatic changes by parameters of temperature and volumes of precipitation in Kharkiv region. We investigated the dynamics of wastewater discharge to the Udi river for the period from 1992 to 2016. The study on an influence of natural and anthropogenic factors on the ecological state of the Udi river revealed that the impact of wastewater discharge with a correlation coefficient of 0.747 is a significant factor. The application of a new methodology for assessment of the risk of degradation processes made it possible to determine a list of small rivers in Kharkiv region, which require implementation of measures based on the analysis of water use efficiency, taking into consideration landscape and ecological features of a catchment area. We proposed an algorithm for the improvement of water protection strategy based on determining the ecological risk of deterioration of the condition of surface water at the state, regional and local levels. The improvement of water preservation strategy aims at introduction of an integrated interactive surface water quality management.Предлагаются методы определение экологического риска ухудшения состояния речных бассейнов на государственном, региональном и местном уровнях. Для разработки комплекса природоохранных мероприятий предусматривается определение влияния природных и антропогенных факторов с учетом ландшафтных и географических особенностей речных бассейнов. Применение предложенного подхода позволит справедливо оптимизировать финансовые ресурсы на оздоровление водных екосистемПропонуються методи визначення екологічного ризику погіршення стану річкових басейнів на державному, регіональному та місцевому рівні. Для розробки комплексу природоохоронних заходів передбачається визначення впливу природних і антропогенних чинників з урахуванням ландшафтних і географічних особливостей річкових басейнів. Застосування запропонованого підходу дасть змогу справедливо оптимізувати фінансові ресурси на оздоровлення водних екосисте

Розробка математичної моделі процесу біологічної очистки газоподібних викидів, що розчиняються у воді

In the experimental research, the kinetic characteristics of hydrogen sulfide, sulfur dioxide and ammonia biooxidation were determined. It was found that the hydrogen sulfide and sulfur dioxide oxidation rates varied from 12 mg/g of biomass per hour in the region of the minimum pollution concentrations to the maximum value of 40 mg/g·h. As for ammonia, the variation range was 1.5–5 mg/g·h, respectively. The analytical description of the dependence of the specific degradation rate of pollutants on their concentration was proposed. The obtained quantitative values and variation nature of the specific oxidation rate prove the technological possibility of using the trickle-bed bioreactor for treatment of water-solvable gaseous emissions.Based on the experimental research, the mathematical description of the non-stationary biooxidation process of water-soluble gaseous hydrogen sulfide, sulfur dioxide and ammonia was developed. The developed mathematical model is based on the mass balance in the trickling layer of the bioreactor in the course of absorption and biodegradation processes. The analytical dependencies consider the emergence of dynamic balance between the harmful matter arrival intensity and oxidation. The state of dynamic balance determines the boundary of the bioreactor efficiency. The results allow evidence-based calculations of the hydrogen sulfide, sulfur dioxide and ammonia biotreatment process in the trickle-bed bioreactor.В результате лабораторных экспериментов показана возможность биоочистки растворимых в воде газообразных сероводорода, диоксида серы и аммиака. На основании полученных эмпирических зависимостей и теоретических представлений о нестационарности процесса разработана математическая модель биодеструкции газообразных водорастворимых загрязнений. Алгоритм учитывает состояние динамического равновесия между непрерывной абсорбцией загрязнений и их биоокислением в воде омываемого слоя биореактора. Полученные зависимости позволяют адекватно описывать процесс биоочистки и рассчитывать его параметрыУ результаті лабораторних експериментів показана можливість біоочистки розчинних у воді газоподібних сірководню, діоксиду сірки та аміаку. На основі отриманих емпіричних залежностей та теоретичних уявлень щодо нестаціонарності процесу розроблено математичну модель біодеструкції газоподібних водорозчинних забруднювачів. Алгоритм враховує стан динамічної рівноваги між безперервною абсорбцією забруднювачів та їх біоокисненням у воді шару біореактору, що омивається. Отримані залежності дозволяють адекватно описувати процес біоочистки та розраховувати його параметр

РАзрАботкА универсальноЙ моделИ кИнетИкИ стациОнарнОгО процессА бИоочИсткИ С субстратныМ ингибированиеМ

Для удельной на единицу биомассы скорости окисления вредного вещества получено дифференциальное уравнение на макроуровне, описывающее кинетику биохимической деструктуризации. На основании феноменологического подхода к обобщению результатов стационарных лабораторных экспериментов предложена универсальная макрокинетическая математическая модель при субстратном ингибировании. Полученная модель предлагается в качестве базовой основы для количественного описания нестационарных процессов в установках биоочистки

Дослiдження впливу конструкцiйних та режимних параметрiв на ефективнiсть систем бiохімічного очищення викидiв

A procedure for evaluating efficiency of the systems of biological elimination of soluble and insoluble in water harmful gaseous substances as well as dissolved in water contaminants has been devised. The procedure is based on previously developed mathematical models of the corresponding non-stationary bio oxidation processes. Based on the analysis of 27 design versions, real capabilities of biological purification facilities were shown, the effect of design and operation mode parameters on efficiency of the systems of biological destruction of methane, hydrogen sulfide and formaldehyde were assessed. In quantitative terms, the results obtained in numerical experiments indicate the necessity of taking into account variation of the rate of pollutant inflow in the process of vessel filling. It was established that an increase in the facility efficiency in terms of the volume of the gas-air mixture, N, causes a decrease in methane concentration at the bioreactor entry and a reduction of the purification degree to 62 %. An increase in the rate of hydrogen sulfide inflow to the reactor leads to a reduction of the purification degree from 98 to 95 %. An increase in the initial concentration of biomass by a factor of 1.7 causes a decrease in concentration of hydrogen sulfide in water from 2.5 to 1.1 g/m3. A significant decrease in the average specific bio oxidative power with an increase in the working space in which the final stage of emission purification from formaldehyde takes place was also observed.The revealed regularities represent a tool for improving quality of design solutions and increasing effectiveness of bio oxidation modes in operation of the systems of biological gas purification.Разработана методика оценки эффективности систем биоочистки от газообразных растворяемых и не растворяемых в воде вредных веществ, а также загрязнений, растворенных в воде. Методика базируется на ранее разработанных математических моделях соответствующих нестационарных процессов биоокисления. На основе анализа 27 вариантов проектных решений показаны реальные возможности установок биоочистки, оценено влияние конструктивных и режимных параметров на эффективность систем биодеструкции метана, сероводорода и формальдегида. Полученные в результате численных экспериментов результаты в количественном отношении свидетельствуют о необходимости учета изменения интенсивности поступления загрязнения в процессе заполнения емкости. Установлено, что увеличение производительности установки по объему газовоздушной смеси N вызывает уменьшение концентрации метана на входе в биореактор и приводит к уменьшению степени очистки до 62 %. Увеличение интенсивности поступления сероводорода в реактор приводит к уменьшению степени очистки от 98 до 95 %, а увеличение начальной концентрации биомассы в 1,7 раза вызывает уменьшение концентрации сероводорода в воде с 2,5 до 1,1 г/м3. Наблюдается также значительное уменьшение средней удельной биоокислительной мощности с ростом рабочего пространства, в котором происходит завершающая стадия процесса очистки выбросов от формальдегида.Выявленные закономерности представляют собой инструмент повышения качества проектных решений и роста эффективности режимов биоокисления в процессе эксплуатации систем биологической очисткигазовРозроблена методика оцінки ефективності систем біоочищення від газоподібних викидів, що містять шкідливі речовини, які розчиняються, не розчиняються у воді, а також забруднень, розчинених у воді. Методика базується на раніше розроблених математичних моделях відповідних нестаціонарних процесів біоокиснення. На основі аналізу 27 варіантів проектних рішень показані реальні можливості установок біоочищення, оцінено вплив конструктивних і режимних параметрів на ефективність систем біодеструкції метану, сірководню та формальдегіду. Отримані в результаті числових експериментів результати в кількісному відношенні свідчать про необхідність обліку зміни інтенсивності надходження забруднення в процесі заповнення місткості. Встановлено, що збільшення продуктивності установки за об'ємом газоповітряній суміші N викликає зменшення концентрації метану на вході в біореактор і призводить до зменшення ступеня очищення до 62 %. Збільшення інтенсивності надходження сірководню в реактор призводить до зменшення ступеня очищення від 98 до 95 %, а збільшення початкової концентрації біомаси в 1,7 разу викликає зменшення концентрації сірководня у воді з 2,5 до 1,1 г/м3. Спостерігається також значне зменшення середньої питомої біоокиснювальної потужності із зростанням робочого простору, в якому відбувається завершальна стадія процесу очищення викидів від формальдегіду.Виявлені закономірності є інструментом підвищення якості проектних рішень і зростання ефективності режимів біоокиснення в процесі експлуатації систем біологічної очистки газі

Розробка методів оцінки екологічного ризику погіршення стану поверхневих вод

We presented three new methods for assessment of the environmental risk of deterioration of a surface water state. We defined the ecological risk of deterioration of surface water at the state level as an addition of the integrated parameter of the state of surface waters and the integral index of anthropogenic loading. We used the official information of the National Report on the state of the environment of Ukraine to calculate the mentioned indicators. We developed classifications of anthropogenic loading on aquatic ecosystems and ecological risk of deterioration of water ecosystems. The assessment of the ecological risk of deterioration of surface water state in Ukraine showed that there are watercourses of the Siversky Donets river basin in the most dangerous state. A base of the methodology for assessment of the risk of water ecosystem well-being disruption is the determination of all parameters of the state of quality of surface waters that exceed the ecological standards using the probit-regression model. The process of determining ecological risk for watercourses of the Siversky Donets river basin in Kharkiv region showed a high level of danger to the well-being of the water ecosystem of the Udi river. We obtained the forecast of climatic changes by parameters of temperature and volumes of precipitation in Kharkiv region. We investigated the dynamics of wastewater discharge to the Udi river for the period from 1992 to 2016. The study on an influence of natural and anthropogenic factors on the ecological state of the Udi river revealed that the impact of wastewater discharge with a correlation coefficient of 0.747 is a significant factor. The application of a new methodology for assessment of the risk of degradation processes made it possible to determine a list of small rivers in Kharkiv region, which require implementation of measures based on the analysis of water use efficiency, taking into consideration landscape and ecological features of a catchment area. We proposed an algorithm for the improvement of water protection strategy based on determining the ecological risk of deterioration of the condition of surface water at the state, regional and local levels. The improvement of water preservation strategy aims at introduction of an integrated interactive surface water quality management.Предлагаются методы определение экологического риска ухудшения состояния речных бассейнов на государственном, региональном и местном уровнях. Для разработки комплекса природоохранных мероприятий предусматривается определение влияния природных и антропогенных факторов с учетом ландшафтных и географических особенностей речных бассейнов. Применение предложенного подхода позволит справедливо оптимизировать финансовые ресурсы на оздоровление водных екосистемПропонуються методи визначення екологічного ризику погіршення стану річкових басейнів на державному, регіональному та місцевому рівні. Для розробки комплексу природоохоронних заходів передбачається визначення впливу природних і антропогенних чинників з урахуванням ландшафтних і географічних особливостей річкових басейнів. Застосування запропонованого підходу дасть змогу справедливо оптимізувати фінансові ресурси на оздоровлення водних екосисте