Mathematical model of the associated processes of denitrification and renewal of sulfates in an innovative biofilter

Abstract

The problem of pollution of underground water sources with nitrates, as well as geogenic compounds (sulfates, hydrocarbonates) is of interest to researchers around the world. Nitrates represent a particular risk to the health of the population living in places without centralized water treatment. In this case, post-treatment of water at the point of use is recommended using both technologies for the removal of nitrates from treated water and their biological conversion into nitrogen. Without downplaying the role of the former, the latter technologies are seen as promising, requiring research and improvement. The purpose of the work is to study the process of nitrate biotransformation in a small submersible biofilter in the presence of basic groundwater anions (sulfates and hydrocarbonates) and their effect on the quality of treated water. The shift of sulfate-sulfide balance in aquatic environment of the biofilter and the influence of the concentrations of sulfate ions and the substrate of bacterial nutrition on the accumulation of hydrogen sulfide and its consumption in the volume of the biofilter have been studied. It is shown that the processes of denitrification and reduction of sulfates to hydrogen sulfide proceed sequentially. The reduction of sulfates to hydrogen sulfide begins after the removal of nitrates from the treated water at a dosage of the nutrient substrate that exceeds the stoichiometric requirement for denitrification. Hydrogen sulfide, which is formed in the zone of connection of inlet and outlet knees of the biofilter, is practically not detected at its outlet. The reduction of sulfates associated with the removal of nitrates can be a useful tool for additional treatment of water from impurities of heavy and polyvalent metal ions.

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.