МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ СПОЛУЧЕНИХ ПРОЦЕСІВ ДЕНІТРИФІКАЦІЇ ТА ВІДНОВЛЕННЯ СУЛЬФАТІВ В ІННОВАЦІЙНОМУ БІОФІЛЬТРІ

Автор(и)

  • Іван Борисов Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет», Ukraine https://orcid.org/0000-0003-0982-245X
  • Віктор Гевод Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет», Ukraine https://orcid.org/0000-0002-5027-6916

DOI:

https://doi.org/10.24025/2306-4412.3.2023.278907

Ключові слова:

децентралізоване водоочищення, нітрати, сірководень, бактеріальне живлення, якість води

Анотація

В роботі із застосуванням математичного моделювання розкрито особливості біологічного перетворення нітратів і сульфатів до нітрогену та сірководню під дією гетеротрофних денітрифікаційних і сульфат-відновлювальних бактерій в малогабаритному заглибному біофільтрі при різних співвідношеннях «карбон/нітроген». Технологія біофільтрації дає змогу виробляти питну воду більш екологічно безпечним, економічним та ефективним способом. Однак підземні води, окрім небезпечних для здоров’я людини нітратів, містять й інші неорганічні сполуки (солі важких та полівалентних металів, карбонати, сульфати і т. д.), що беруть участь у супутніх процесах (метаногенезу, сульфат-відновлення, уреолізу) в біофільтрі. Під час дослідження було розкрито додаткові можливості денітрифікаційного малогабаритного заглибного біофільтра, а саме, біотрансформації разом із нітратами сульфатів до сірководню, який може сприяти видаленню іонів важких та полівалентних металів з води. Досліджено зрушення сульфат-сульфідної рівноваги у водному середовищі біофільтра та вплив концентрацій сульфат-іонів і субстрату бактеріального живлення, зокрема етанолу, на накопичення і його витрачання в об’ємі біофільтра при здійсненні біофільтраційної денітрифікації. Результати моделювання сполучених процесів денітрифікації води у малогабаритному інноваційному біофільтрі у присутності сульфатів дали змогу встановити можливість і чинники їх керованого відновлення. Показано, що перевищення дозування субстрату живлення (етанолу) у вихідну воду порівняно зі стехіометричним, коли «карбон/нітроген» дорівнює 0,94, призводить до появи у фільтраті сірководню, який продукують сульфат-відновлювальні бактерії за рахунок живлення залишками етанолу. Сірководень у фільтраті не з’являється при дозуванні субстрату живлення у вихідну воду в кількості, що відповідає показнику «карбон/нітроген» меншому, ніж потребує стехіометрія біологічного відновлення нітратів. Кероване відновлення сульфатів до сірководню може бути корисним додатковим інструментом поліпшення якості фільтрату при сумісній денітрифікації і вилученні з води домішок солей важких металів. Розроблена модель і отримані результати можуть бути використані для подальшого поліпшення якості одержуваного біофільтрату за рахунок додаткового видалення з нього домішок солей важких і полівалентних металів.

Біографії авторів

Іван Борисов, Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет»

Аспірант

Віктор Гевод, Державний вищий навчальний заклад «Український державний хіміко-технологічний університет»

Доктор хімічних наук, ст. дослідник

Посилання

Abascal, E., Gómez-Coma, L., Ortiz, I., & Ortiz, A. (2022). Global diagnosis of nitrate pollution in groundwater and review of removal technologies. Sci. Total Environ., 810, article number 152233. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.152233.

Alguacil-Duarte, F., González-Gómez, F., & Romero-Gámez, M. (2022). Biological nitrate removal from a drinking water supply with an aerobic granular sludge technology: An environmental and economic assessment. J. Clean. Prod., 367, article number 133059. 10.1016/j.jclepro.2022.133059.

Aslan, S., & Cakici, H. (2007). Biological denitrification of drinking water in a slow sand filter. J. Hazard. Mater., 148(1), 253-258. doi: 10.1016/j.jhazmat.2007.02.012.

Benes, V., Pĕkný, V., Skorepa, J., & Vrba, J. (1989). Impact of diffuse nitrate pollution sources on groundwater quality-some examples from Czechoslovakia. Environment. Health Perspect., 83, 5-24. doi: 10.1289/ehp.89835.

Besser, H., Dhaouadi, L., & Hamed, Y. (2022). Groundwater quality evolution in the agrobased areas of southern Tunisia: Environmental risks of emerging farming practices. EuroMediterr. J. Environ. Integr., 7(1), 65-78. doi: 10.1007/s41207-021-00289-w.

DSanPiN 2.2.4-171-10. (2023). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0452-10#Text:vilnyi. Accessed: Jan. 1.

Duran Romero, D.A., De Almeida Silva, M.C., Chaúque, B.J.M., & Benetti, A.D. (2020). Biosand filter as a point-of-use water treatment technology: Influence of turbidity on microorganism removal efficiency. Water, 12(8), article number 2302. doi: 10.3390/w12082302.

Fewtrell, L. (2004). Drinking-water nitrate, methemoglobinemia, and global burden of disease: A discussion. Environment. Health Perspect., 112(14), 1371-1374. doi: 10.1289/ehp.7216.

Freitas, B., Terin, U., Fava, N. et al. (2022). A critical overview of household slow sand filters for water treatment. Water Res., 208, article number 117870. doi: 10.1016/j.watres.2021.117870.

Gevod, V.S., Chernova, A.S., & Issayeva, A.U. (2021). Comparison of direct flow and displacement biofiltration in decentralized water treatment devices. Visnyk Cherkaskogo derzhavnogo tekhnolohichnogo universytetu, 1, 162-172. doi: 10.24025/2306-4412.1.2021.229015.

Grout, L., Chambers, T., Hales, S. et al. (2023). The potential human health hazard of nitrates in drinking water: A media discourse analysis in a high-income country. Environ. Health, 22(1), article number 9. doi: 10.1186/s12940-023-00960-5.

He, Q., He, Z., Joyner, D.C. et. al. (2010). Impact of elevated nitrate on sulfate-reducing bacteria: A comparative study of Desulfovibrio vulgaris. ISME Journal, 4(11), 1386-1397. doi: 10.1038/ismej.2010.59.

Herasymchuk, L., Romanchuk, L., & Valerko, R. (2022). Water quality from the sources of non-centralized water supply within the rural settlements of Zhytomyr region. Ekologia Bratislava, 41(2), 126-134. doi: 10.2478/eko-2022-0013.

Jensen, V.B., Darby, J.L., Seidel, C., & Gorman, C. (2012). Drinking water treatment for nitrate. Technical report 6. Addressing Nitrate in California’s Drinking Water with a Focus on Tulare Lake Basin and Salinas Valley Groundwater. Report for the State Water Resources Control Board Report to the Legislature. Center for Watershed Sciences, University of California, Davis, 2012. Retrieved from https://groundwaternitrate.ucanr.edu/index.cfm.

Maiyo, J.K., Dasika, S., & Jafvert, C.T. (2023). Slow sand filters for the 21st century: A review. Int. J. Environ. Res. Public Health, 20(2), article number 1019. doi: 10.3390/ijerph20021019.

Matei, A., & Racoviteanu, G. (2021). Review of the technologies for nitrates removal from water intended for human consumption. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 664(1), article number 012024. doi: 10.1088/1755-1315/664/1/012024.

Mohobane, L., Mutsvangwa, C., & Asante, Y.O. (2022). Removal of nitrate in raw water using a vertical roughing filter with an external carbon source. Water Environ. J., 37(1), 4-25. doi: 10.1111/wej.12813.

Mohseni-Bandpi, A., Elliott, D.J., & Zazouli, M.A. (2013). Biological nitrate removal processes from drinking water supply - a review. J. Environ. Health Sci. Eng., 11(1). doi: 10.1186/2052-336x-11-35.

Mutsvangwa, C., & Matope, E. (2017). Use of an external organic carbon source in the removal of nitrates in bio-sand filters (BSFs). Drink. Water Eng. Sci., 10(2), 119-127. doi: 10.5194/dwes-10-119-2017.

National report on the quality of drinking water and the state of drinking water supply in Ukraine in 2021. (2022). Retrieved from https://www.minregion.gov.ua/wpcontent/uploads/2022/12/naczionalna-dopovid-pro-yakist-pytnoyi-vody-ta-stan-pytnogovodopostachannya-v-ukrayini-u-2021-roczi.pdf.

Noori, R., Farahani, F., Jun, C. et al. (2022). A non-threshold model to estimate carcinogenic risk of nitrate-nitrite in drinking water. J. Clean. Prod., 363, article number 132432. doi: 10.1016/j.jclepro.2022.132432.

Paradis, D., Vigneault, H., Lefebvre, R. et. al. (2016). Groundwater nitrate concentration evolution under climate change and agricultural adaptation scenarios: Prince Edward Island, Canada. Earth Syst. Dyn., 7(1), 183-202. doi: 10.5194/esd-7-183-2016.

Piskarev, I.M., Ushkanov, V.A., Aristova, N.A. et al. (2010). Establishment of the redox potential of water saturated with hydrogen. Biophysics, 55(1), 13-17. doi: 10.1134/s0006350910010033.

Rocher, V., Mailler, R., Mèche, P. et al. (2019). Clogging limitation of nitrifying biofilters: BiostyrDuo® process study. Water Pract. Technol., 14(1), 43-54. doi: 10.2166/wpt.2018.107.

Romanchuk, L.D., Valerko, R.A., Herasymchuk, L.O., & Kravchuk, M.M. (2021). Assessment of the impact of organic agriculture on nitrate content in drinking water in rural settlements of Ukraine. Ukr. J. Ecol., 11(2), 17-26. doi: 10.15421/2021_71.

Roshanravan, H., Borghei, M., Hassani, A.H., & Vagheei, R. (2021). Nitrate removal from drinking water wells by heterotrophic denitrification using citric acid as a carbon source and ozonation. Journal of Water and Wastewater, 31(7), 63-77. doi: 10.22093/WWJ.2020.201484.2928.

Sidiropoulos, P., Tziatzios, G., Vasiliades, L. et al. (2019). Groundwater nitrate contamination integrated modeling for climate and water resources scenarios: The case of Lake Karla overexploited aquifer. Water, 11(6), article number 1201. doi: 10.3390/w11061201.

Temkin, A., Evans, S., Manidis, T., Campbell, C., & Naidenko, O.V. (2019). Exposure-based assessment and economic valuation of adverse birth outcomes and cancer risk due to nitrate in United States drinking water. Environ. Res., 176, article number 108442. doi: 10.1016/j.envres.2019.04.009.

Ward, M., Jones, R., Brender, J. et al. (2018). Drinking water nitrate and human health: An updated review. Int. J. Environ. Res. Public Health, 15(7), article number 1557. doi: 10.3390/ijerph15071557.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-09-22

Як цитувати

Борисов, І., & Гевод, В. (2023). МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ СПОЛУЧЕНИХ ПРОЦЕСІВ ДЕНІТРИФІКАЦІЇ ТА ВІДНОВЛЕННЯ СУЛЬФАТІВ В ІННОВАЦІЙНОМУ БІОФІЛЬТРІ. Вісник Черкаського державного технологічного університету, (3), 26–39. https://doi.org/10.24025/2306-4412.3.2023.278907

URN