МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ БІОЛОГІЧНОГО ЗНЕЗАЛІЗНЕННЯ ПІДЗЕМНИХ ВОД В КОНТАКТНОМУ ЗАВАНТАЖЕННІ БІОРЕАКТОРІВ

Анотація

Проведений аналіз сучасних біотехнологій в галузі очищення підземних вод показав, що одним із трендів є розвиток напрямку біологічного знезалізнення, який має не тільки тривалу історію та фундаментальність досліджень фізіології, ультраструктури та механізмів життєдіяльності феробактерій, але й широке впровадження методу на станціях водопідготовки в країнах Європи, Австралії, Канади, США, Японії. Впровадження сучасного технологічного обладнання на таких станціях викликає потребу в необхідності прогнозування їх роботи використовуючи методи математичного моделювання процесів із їх подальшою комп’ютерною реалізацією. В роботі наведено короткий аналіз існуючих математичних моделей, більшість з яких базується на кінетиці ферментативних реакцій та представлено у вигляді модифікацій рівнянь Міхаеліса-Ментен та Моно. Незважаючи на велику кількість досліджень за даною тематикою, до цього часу не існує комплексної моделі, яка б враховула всі процеси які відбуваються в контактному завантаженні біореакторів при біологічному знезалізненні підземних вод, на відміну від фізико-хімічного механізму в процесі фільтрування до якого розроблені сучасні багатокомпонентні математичні моделі.

Метою роботи є розробка математичної моделі кінетики процесу біологічного знезалізнення підземних вод в біореакторах та перевірка її комп’ютерної реалізації з даними експериментальних досліджень. Математична модель представлена задачею Коші для нелінійної системи диференціальних рівнянь в частинних похідних першого порядку. Система задачі Коші складається з п’яти рівнянь з п’ятьма невідомими функціями, які описують розподіл концентрацій катіонів феруму, бактерій, а також, матриксних структур в двох фазах як у просторі, так і у часі. В моделі враховано зворотний вплив характеристик процесу, зокрема концентрації матриксних структур в міжпоровому просторі, а також характеристик середовища за допомогою коефіцієнтів масообміну та пористості. Модель дозволяє прогнозувати зміну ефективності очищення в залежності від тривалості фільтроциклу, швидкості фільтрування, концентрації Fe²⁺, вмісту залізобактерій та їх матриксних структур в міжпоровому просторі, визначати оптимальний час роботи біореактора між промивками.