Підвищення ефективності біологічного очищення стічних вод з видаленням іонів феруму

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСаблій, Лариса Андріївна
dc.contributor.authorКоренчук, Микола Сергійович
dc.date.accessioned2020-08-27T10:19:09Z
dc.date.available2020-08-27T10:19:09Z
dc.date.issued2020
dc.description.abstractenIn recent decades, surface and groundwater quality has deteriorated in Ukraine. This environmentally hazardous phenomenon is caused by the discharge of insufficiently treated wastewater, and contamination of surface water with organic substances, heavy metals, compounds of nitrogen, phosphorus, despite the availability of state and local standards for the regulation of maximum permissible concentrations pollutants in natural waterbodies for different water utilization and the rules for the acceptance of industrial wastewater into municipal and departmental sewage systems [1]. The reasons for this condition are the insufficient degree of purification on the existing wastewater treatment plants due to their deterioration, the use of old inefficient technologies. 7 The activities of industrial enterprises, in particular malt plants, cardboard and paper mills, include technological processes of washing and processing of raw materials, which result in wastewater containing suspended solids, dissolved organic compounds, heavy metal ions, in particular ferum, compounds of nitrogen and phosphorus, et cetera, above concentrations and therefore need to be properly cleaned before being discharged into the natural waterbodies. Among the technologies of wastewater treatment from ferric ions are widely used technologies of physico-chemical treatment using the following methods: chemical deposition; coagulation and flotation. These methods of watertreatment from ferum compounds are costly and are accompanied by the formation of large volumes of moisture-intensive sediments that require disposal. Sorption, ion exchange methods require the use of sorbent and ionite regeneration processes, and the electrochemical methods are energy-intensive, resulting in the formation of toxic reduction products in wastewater. Water macrophytes are considered the promising biological objects for the treatment of wastewater from heavy metal ions, in particular ferum, nitrates and phosphates, because of their high ability to remove these contaminants. The most promising aquatic macrophyte is the plant Lemna minor, which can effectively remove ferum ions from water, is resistant to temperatures below 10 ° C and is a free-floating plant with one of the fastest growth rates with a doubling time every 5- 6 days. Significant contribution to the field of watertreatment from heavy metal ions has been made by such foreign scientists: Brugemann V., Appenroth K., Kobayashi T., Marschner H., Nishizawa N. and domestic scientists I. Astrelin, A. Zapolsky. V. Maksin, L. Sabliy, V. Khoruzhiy. The questions of Lemna minor efficiency for wastewater treatment of ferric ions remain unresolved in such points: the influence of the specific biomass of duckweed, the duration, the initial concentration of ferric ions on the efficiency of removal of ferric ions from wastewater. The aim of the thesis is to improve the wastewater treatment biotechnology with usage of Lemna minor to increase the efficiency of ferric ion removal. 8 Scientific novelty. 1. For the first time, the efficiency of using L. minor duckweed for industrial wastewater treatment from Fe3+ ions up to 90% as obtained with iron concentrations in treated water less than 0.3 mg/dm3 , which meets the regulatory requirements for wastewater discharge into natural reservoirs. 2. For the first time, the rational parameters for the removal of Fe3+ ions from wastewater using L. minor were determined: duration 8±0.2 h; specific duckweed biomass 25±1 g/dm3 ; load on duckweed for iron ions 0.30 ± 0.05 mg/(g · day); specific rate of extraction of iron ions by duckweed 0.25 ± 0.05 mg/(g · day); at a water temperature of 18-20 ° C, artificial lighting for 12 hours a day with an intensity of 3000 lux and an initial iron concentration of 2.0 mg/dm3 . 3. For the first time rational parameters of malt plant wastewater treatment was established using biocenosis of immobilized microorganisms and duckweed from iron ions and nitrates at the initial concentration, respectively, up to 1.3 mg/dm3 and up to 53 mg/dm3 : duration – 8 ± 0.2 hour; the specific value of duckweed biomass - 25±1 mg/dm3 , biomass of immobilized microorganisms – 2.0 ± 0.1 mg/dm3 ; the density of the fibrous carrier in the bioreactor is 2.4 ± 0.1 g/dm3 ; the degree of removal of iron ions and nitrates was, respectively, up to 40% and up to 53% at a water temperature of 18-24 ° C. 4. For the first time for biological wastewater treatment a rational mode of operation of a jet aerator of rotor type equipped with a ring nozzle with peripheral holes with a diameter of 12 mm with an angular velocity of 38 s-1 , aeration intensity of 12-14 m2 /(m3 · h) is established. Degree of wastewater treatment by COD up to 40%, aggregative resistance of flakes and viability of activated sludge microorganisms, sludge index up to 90 cm3 /g and reduction of energy costs. Research methods and techniques. The study of the chemical composition (concentration of ferric ions, nitrates, nitrites, ammonium nitrogen, phosphates, HCC, dissolved oxygen) and physicochemical parameters (hydrogen index, 9 temperature) of wastewater was determined by spectroscopy, potentiometry, titration. The study of duckweed growth was determined by gravimetric method, microscopy. Changes in the parameters of activated sludge (activated sludge index, mixed liquor suspended solids, qualitative evaluation) were investigated by gravimetric method and microscopy. The practical value of a thesus is as follows: The design of the bioreactor has been developed (patent of Ukraine for utility model No. 136188), which ensures efficient sewage treatment of ferric ions. The wastewater treatment plant biotechnology in the bioreactor with the duckweed was developed and implemented, which ensures the removal of iron and nitrate compounds as per the regulatory requirements. The technological and instrumental schemes of sewage treatment of Slavuta Malt House in the bioreactor with duckweed have been developed (the act of introduction). Cost of wastewater treatment – 1,34 UAH/m3 . The duckweed cultivation technology, its equipment and technological scheme are developed. The technology is used for wastewater treatment. Cultivation parameters were established: medium temperature 18-25 ° C, Steinberg medium, dissolved oxygen concentration 1.5-2.0 mg/dm3 . Testing showed that when the load on the duckweed in the bioreactor for ferric ions 0.30 mg/(g·dm3 ) the concentration of ferum in treated wastewater reached 0.8 mg/dm3 , which meets the regulatory requirements. The developed biotechnology is implemented at the treatment plants of the Slavuta Malt House, which is confirmed by the act of introduction. Personal contribution of the Ph.D. student. The dissertation was performed at the Department of Ecobiotechnology and Bioenergy of the Faculty of Biotechnology and Bioingeniring of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" and on the basis of PJSC "Slavuta Malt House". Research planning and discussion of the results was carried out jointly with the supervisor. The personal contribution of the dissertation is to conduct research on the biological treatment of wastewater from iron ions with duckweed; research 10 on the influence of mixing modes of different constractions of aeration-rotor installation on the state of activated sludge; preparation for publication of articles and approbation of the obtained experimental data; development and implementation of biotechnology for wastewater treatment from iron ions. The first chapter of thesis provides an analytical review of the literature on technologies for the extraction of heavy metal ions, in particular iron. Physicochemical and biological purification methods are analyzed. The efficiency of the use of duckweed for removal of iron ions has been established. The second chapter describes the methods of analysis, and describes the experimental instalations on which the research was conducted. The third chapter describes the biological agent and its properties, provides theoretical studies of the mechanisms of heavy metal ions extraction by biological agent cells and their subsequent metabolic pathway, the influence of qualitative composition and water parameters on the efficiency of the iron ion transport process in duckweed cells. The fourth chapter presents the results of laboratory studies of the iron ions removal from the model wastewater, the efficiency of the process taking into account the influence of factors such as temperature, pH, the initial concentration of ferric ions, specific biomass of duckweed and sewage control Poninka Paper Mill factrory. Chapter 5 presents the results of the semi-production research on the basis of the treatment plants of the Slavutf Malt House (industrial testing act). In the sixth chapter, technological and instrumental schemes of wastewater treatment biotechnology of Slavuta Malt House from iron ions by duckweed (introduction act) are developed and technical and economic indicators are given. Publications. 28 scientific papers have been published on the topic of the dissertation, including 13 scientific articles, 11 of which have been published in Ukrainian scientific publications of Ukraine on technical sciences, 1 article in scientific journal registered in country-member of Organisation for Economic Cooperation and Development (Hungary); 1 - in other publications; 1 patent of Ukraine for a utility model; 14 abstracts of reports at national and international conferences.uk
dc.description.abstractukВ Україні впродовж останніх десятиліть спостерігається погіршення якості поверхневих та підземних вод. Це екологічно небезпечне явище спричиняється скидом недостатньо очищених стічних вод, і, незважаючи на наявність державних та місцевих нормативів щодо регулювання гранично допустимих концентрацій забруднюючих речовин у водоймах різного виду водокористування та правил приймання промислових стічних вод у комунальні та відомчі каналізаційні системи, відбувається забруднення поверхневих водойм органічними речовинами, важкими металами, сполуками Нітрогену, Фосфору [1]. Причинами такого стану є недостатній ступінь очищення на існуючих очисних спорудах з причини їх зношеності, використання старих малоефективних технологій. Діяльність промислових підприємств, зокрема солодових заводів, картонно-паперових фабрик, включає технологічні процеси промивки і обробки сировини, в результаті яких утворюються стічні води, що містять завислі речовини, розчинені органічні сполуки, іони важких металів, зокрема Феруму, сполуки Нітрогену й Фосфору, солі та ін. у концентраціях, які перевищують норми, і тому потребують належного очищення перед відведенням у природну водойму. Серед технологій очищення стічних вод від іонів Феруму широко застосовуються технології фізико-хімічного очищення стічних вод з використанням таких методів: хімічне осадження; коагуляція і флотація. Дані методи очищення стічних вод від сполук Феруму є дороговартісними, супроводжуються утворенням значних об’ємів вологоємких осадів, що потребують утилізації. Методи сорбції, іонного обміну потребують використання процесів регенерації сорбентів та іонітів, а електрохімічні методи є енергоємними, внаслідок їх застосування можливе утворення у стічних водах токсичних продуктів відновлення. Перспективними біологічними об’єктами для очищення стічних вод від іонів важких металів, зокрема Феруму, нітратів та фосфатів вважаються водні макрофіти, через їх високу здатність до вилучення цих забруднень. Найперспективнішим водним макрофітом вважають рослину Lemna minor, яка може ефективно видаляти іони Феруму з води, стійка до температур нижче 10°С, є вільноплаваючою рослиною з одним із найшвидших темпів росту і часом подвоєння кожні 5-6 діб. Значний внесок в галузі очищення води від іонів важких металів зроблений такими іноземними вченими: Бругеманном В., Апенротом К., Кобаяші T., Маршнером Х., Нішизавою Н. і вітчизняними вченими Астреліним І.М., Запольським А.К., Максіним В.І., Саблій Л.А., Хоружим П.Д. Невирішеними залишаються питання ефективності використання L. minor для очищення стічних вод від іонів Феруму; вплив питомої біомаси ряски, тривалості, вихідної концентрації іонів Феруму на ефективність видалення іонів Феруму зі стічних вод. Метою роботи є удосконалення біотехнології очищення стічних вод з використанням Lemna minor для підвищення ефективності видалення іонів Феруму. В дисертації вперше отримані такі нові наукові результати: 1. Вперше встановлено ефективність використання ряски L. minor для очищення стічних вод промислових підприємств від іонів Fe3+ до 90 % з одержанням концентрацій Феруму в очищеній воді менше 0,3 мг/дм3 , що відповідає нормативним вимогам до скиду стічних вод у природні водойми. 2. Вперше визначено раціональні параметри видалення іонів Fe3+ зі стічних вод за допомогою L. minor: тривалість 8±0,2 год; питома біомаса ряски 25±1 г/дм3 ; питоме навантаження на ряску за іонами Феруму qF 0,24±0,05 мг/(г·доба); питома швидкість видалення іонів Феруму рясковими ρ 0,20±0,05 мг/(г·доба); потужність біореактора щодо видалення іонів Феруму ПFe 5,0±0,3 мг/(дм3 ·доба). за температури води 18-20 °С, штучного освітлення протягом 12 год на добу інтенсивністю 3000 лк і початкової концентрації Феруму 2,0 мг/дм3. 3. Вперше встановлено раціональні параметри доочищення стічних вод солодового заводу з використанням біоценозу іммобілізованих мікроорганізмів та ряскових від іонів Феруму та нітратів за початкової концентрації, відповідно, до 1,3 мг/дм3 та до 53 мг/дм3 : тривалість – 8±0,2 год; питома величина біомаси ряски – 25±1 мг/дм3 , біомаси іммобілізованих мікроорганізмів – 2,0±0,1 мг/дм3 ; щільність волокнистого носія в біореакторі – 2,4±0,1 г/дм3 ; ступінь видалення іонів Феруму та нітратів становила, відповідно, до 40 % та до 53 % за температури води 18-24 °С. 4. Вперше для біологічного очищення стічних вод встановлено раціональний режим роботи струминного аератора роторного типу, оснащеного кільцевою насадкою з периферійними отворами діаметром 12 мм з кутовою швидкістю 38 с-1 , що забезпечує збільшення ступеня очищення стічних вод за ХСК до 40 %, агрегативну стійкість пластівців і життєздатність мікроорганізмів активного мулу, муловий індекс до 90 см3 /г та зниження енергетичних витрат. Методи та методики досліджень. Дослідження зміни показників хімічного складу (концентрації іонів Феруму, нітратів, нітритів, амонійного азоту, фосфатів, ХСК, розчиненого кисню) та фізико-хімічних параметрів (водневий показник, температура) стічних вод визначали методами спектроскопії, потенціометрії, титрування. Біомасу ряски, іммобілізованих мікроорганізмів, показники активного мулу визначали за допомогою гравіметричного методу, склад мікроорганізмів – за допомогою мікроскопування. Практична цінність дисертаційної роботи полягає у наступному: Розроблено конструкцію біореактора (патент України на корисну модель № 136188), який забезпечує ефективне очищення стічних вод від іонів Феруму. Розроблена і впроваджена біотехнологія доочищення стічних вод солодового заводу у біореакторі з рясковими, що забезпечує видалення сполук Феруму і нітратів до нормативних вимог. Розроблена технологічна та апаратурна схеми доочищення стічних вод Славутського солодового заводу в біореакторі з рясковими (акт впровадження). Собівартість доочищення 1 м3 стічних вод – 1,34 грн. Розроблено технологію культивування ряскових, її апаратурну та технологічну схеми. Ряска використовується для очищення стічних вод. Культивування здійснюється на середовищі Штейнберга за таких параметрів: температура середовища 18-25°С; концентрація розчиненого кисню 1,5-2,0 мг/дм3. Встановлено раціональне питоме навантаження на ряску за іонами Феруму 0,24±0,05 мг/(г·доба), питома швидкість видалення іонів Феруму – 0,20±0,05 мг/(г·доба), потужність біореактора щодо видалення 5,0±0,3 мг/(дм3·доба), які дозволяють розрахувати технологічні і конструктивні параметри біореактора для різних витрат стічних вод і вихідних концентрацій іонів Феруму. Результати досліджень впроваджено в навчальний процес для студентів спеціальності 162 «Біотехнології та біоінженерія» в дисциплінах «Біотехнології очищення води» та «Екобіотехнологія». В першому розділі приведено аналітичний огляд літератури щодо технологій вилучення іонів важких металів, зокрема Феруму. Проаналізовано фізико-хімічні та біологічні методи очищення. Встановлено ефективність використання ряскових для видалення іонів Феруму. В другому розділі викладено методи та методики аналізу, наведено опис експериментальних установок, на яких проведено дослідження. У третьому розділі наведено опис біологічного агенту та його властивостей, приводяться теоретичні дослідження механізмів вилучення іонів важких металів клітинами біологічного агенту та їх подальший метаболічний шлях, вплив якісного складу і параметрів води на ефективність перебігу процесу транспорту іонів Феруму у клітини рослин ряски. У четвертому розділі наведено результати лабораторних досліджень щодо видалення іонів Феруму з модельного розчину, ефективності перебігу процесу з урахуванням впливу таких факторів, як температура, рН, вихідна концентрація іонів Феруму, питома біомаса ряскових та наведено результати перевірки на стічних водах Понінківської картонно-паперової фабрики. В п’ятому розділі наведено результати досліджень у напіввиробничих умовах на базі очисних споруд Славутського солодового заводу (акт промислових випробувань). У шостому розділі подано розроблені технологічну та апаратурну схеми біотехнології доочищення стічних вод Славутського солодового заводу від іонів Феруму за допомогою ряскових, впровадженої на підприємстві (акт впровадження), та наведено її техніко-економічні показники. Особистий внесок дисертанта. Дисертаційна робота виконана на кафедрі екобіотехнології та біоенергетики факультету біотехнології та біоінженерії Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» та на базі ПАТ «Славутський солодовий завод». Планування досліджень та обговорення результатів проводили спільно з науковим керівником д.т.н., проф. Саблій Л.А. Особистий внесок дисертанта полягає у проведенні досліджень біологічного очищення стічних вод від іонів Феруму за допомогою ряскових; встановленні впливу режимів перемішування в різних конструкціях аераційно-роторної установки на стан активного мулу; підготовці до публікацій статей та апробації отриманих експериментальних даних; розробці і впровадженні біотехнології очищення стічних вод від іонів Феруму. За темою дисертації опубліковано 28 наукових праць, в тому числі: 13 наукових статей, з яких 11 опубліковані в українських наукових виданнях України з технічних наук, 1 стаття у періодичному науковому фаховому виданні держави, яка входить до Організації економічного співробітництва та розвитку та Європейського Союзу (Угорщина), 1 – в інших виданнях; 1 патент України на корисну модель; 14 тез доповідей на всеукраїнських та міжнародних конференціях.uk
dc.format.page198 с.uk
dc.identifier.citationКоренчук, М. С. Підвищення ефективності біологічного очищення стічних вод з видаленням іонів феруму : дис. … д-ра філософії : 162 – біотехнології та біоінженерія / Коренчук Микола Сергійович. – Київ, 2020. – 198 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/35848
dc.language.isoukuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectстічні водиuk
dc.subjectіони Ферумуuk
dc.subjectряскаuk
dc.subjectбіотехнологіяuk
dc.subjectочищенняuk
dc.subjectкультивуванняuk
dc.subjectсолодовий заводuk
dc.subjectкартонно-паперова фабрикаuk
dc.subjectбіореакторuk
dc.subjectбіомасаuk
dc.subjectсобівартістьuk
dc.subjectwastewateruk
dc.subjectiron ionsuk
dc.subjectduckweeduk
dc.subjectbiotechnologyuk
dc.subjecttreatmentuk
dc.subjectcultivationuk
dc.subjectmalt plantuk
dc.subjectpaper milluk
dc.subjectbioreactoruk
dc.subjectbiomassuk
dc.subjectproduction costuk
dc.subject.udc606:628.316.12/.358+628.355.2:628.356.2uk
dc.titleПідвищення ефективності біологічного очищення стічних вод з видаленням іонів ферумуuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Korenchuk_diss.pdf
Розмір:
5.05 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.06 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КЕБ)
Дисертації (вільний доступ)