Согласно статье в журнале Environmental Technology, новый тип биопленочного реактора, адаптированный к бразильским условиям и использующий полиуретановую пену для снижения затрат, может снизить количество соединений азота в сточных водах на целых 70% . Исследователи, проводившие исследование, разработали математическую модель для анализа и прогнозирования механизма удаления азота. Биопленка состояла из бактерий, которые превращали соединения азота в газообразный азот, безвредный для окружающей среды.

Исследование проводилось под руководством Бруно Гарсии Сильвы во время его докторской работы в области гидротехники и санитарии в Университете Сан-Паулу (USP) в Бразилии с Эухенио Форести в качестве научного руководителя. Форести — профессор Инженерной школы Сан-Карлоса (EESC-USP). Исследование было поддержано FAPESP. Исследователи из Федерального университета Сан-Карлоса (UFSCar) и Технологического института Мауа (IMT) сотрудничали.

«Удаление азота по-прежнему осуществляется только на нескольких очистных сооружениях в Бразилии, в то время как в Европе и Соединенных Штатах это регулярно выполняется», — сказал Гарсия Agência FAPESP. «Идея состоит в том, чтобы адаптировать [необходимую инфраструктуру] к нашей реальности. Обычный метод здесь основан на анаэробных реакторах, которые производят сточные воды с низким содержанием органических веществ , что затрудняет удаление азота».

Удаление соединений азота (нитритов, нитратов и аммиака и др.) как из бытовых, так и промышленных сточных вод имеет важное значение, поскольку они загрязняют поверхностные воды (озера, водохранилища и ручьи), а также водоносные горизонты и другие подземные воды , способствуя росту бактерий, водоросли и растения выходят из-под контроля в процессе, известном как эвтрофикация.

Кроме того, потребление воды, загрязненной нитратами, может привести к таким заболеваниям, как детская метгемоглобинемия (синдром синего ребенка), которая вызывает головную боль, головокружение, утомляемость, вялость, одышку и неврологические изменения, такие как судороги и кома в тяжелых случаях.

«При цветении водорослей , например, в таких водохранилищах, как Биллингс (один из основных источников воды для Сан-Паулу), недостаток кислорода в воде приводит к гибели рыбы и потере водоснабжения, а также зон отдыха. Очень сложно удалить водоросли из водоемов», — сказал Форести, возглавляющий группу.

Дифференциаторы

Одним из ключевых отличий этой новой модели реактора является биопленка, образованная в результате биологического процесса, при котором бактерии создают пленку на пенополиуретане . Другим является конфигурация оборудования, обеспечивающая то, что исследователи называют контрдиффузией, когда кислород вводится с противоположной стороны от загрязняющих веществ.

«Кислород транспортируется в пену, потому что это гарантирует, что он останется только там, где это необходимо для протекания реакции», — объяснил Гарсия. «Мы не хотим, чтобы кислород все время вступал в контакт с органическими веществами. Если бы это было так, бактерии израсходовали бы весь кислород на его расщепление, и не осталось бы ничего, что могло бы поглотить нитриты и нитраты. Поэтому мы вставляем кислород на другой стороне биопленки. Цель состоит в том, чтобы органическое вещество, достигающее биопленки на противоположной стороне, окислялось не только кислородом, но также нитритами и нитратами».

Когда кислород не поступает в реактор, аммиак остается неизменным. Однако когда аммиак поступает на участок реактора с подачей кислорода, он превращается в нитрит и нитрат. «Единственный выход — через биопленку, и соединения преодолевают этот барьер путем диффузии в направлении, противоположном органическому веществу. Их столкновение с органическим веществом в противотоке создает оптимальные условия для удаления нитритов и нитратов, потому что кислорода больше нет, а есть достаточно органического вещества для денитрификации», — сказал Гарсия.

Форести пояснил, что в Бразилии анаэробные реакторы (которые разлагают органические вещества с помощью бактерий, которым для выживания не требуется кислород) все чаще используются муниципальными компаниями по очистке сточных вод из-за преобладающего климата, который теплее, чем в северном полушарии. Бактерии быстрее разлагают органику в теплую погоду. В Европе и США, где средние температуры ниже, процесс происходит иначе. Органическое вещество, находящееся в жидкой фазе после удаления ила, окисляется аэробно (кислородом).

Однако в Бразилии соединения азота не удаляются полностью из соображений экономии и напрямую выбрасываются в природу. Новый тип реактора, разработанный исследователями, предназначен для добавления второй, более простой и дешевой стадии очистки сточных вод, для разработки будущих технологий и партнерства.

Стипендия для исследований в США

Исследователи, работающие в лаборатории Роберта Неренберга, профессора Университета Нотр-Дам в США, сотрудничали с Гарсией, который был там в качестве приглашенного исследователя в 2019–2020 годах при поддержке FAPESP.

«Отличие моего проекта от их в том, что вместо пенополиуретана используется полупроницаемая мембрана, которая напоминает соломинку для питья, наполненную воздухом. Когда этот капилляр соприкасается с водой, он пропускает кислород, но не воду, поэтому биопленка прилипает к поверхности и растет на ней.Иными словами, через стенки этой тонкой трубки к бактериям поступает кислород.Кислород выходит наружу, а вода дает аммиак и органические вещества.Это та же система, что и контрдиффузия, за исключением того, что материал, который мы используем, проще и дешевле», — сказал Гарсия.

«Бактерии растут на поверхности, образуя биопленку, но, собственно говоря, это не фильтр, потому что он не обеспечивает механического сопротивления прохождению частиц. На самом деле реактор служит опорой для роста бактерий и потребляют растворимые органические вещества и соединения азота».

Следующие шаги

По словам Форести, новая конфигурация реактора вдохновляет группу на дальнейшие исследования. В рамках программы сотрудничества между Государственной базовой санитарной корпорацией Сан-Паулу (SABESP) и FAPESP исследователи планируют протестировать новую модель с реальными сточными водами, прошедшими через аэробный реактор на очистных сооружениях, управляемых SAAE, муниципальной санитарной службой в Сан-Карлос. Исследователи из UFSCar и IMT также участвуют в программе и будут разрабатывать другие системы для тестирования.

«Исследование Бруно — первое, где контрдиффузия используется таким образом здесь, в Бразилии», — сказал Форести. «Это доказательство концепции синтетических сточных вод. Эффективность, обнаруженная в этой конфигурации реактора, была значительно выше, чем в предыдущих исследованиях, но нам все еще нужно оценить несколько факторов».

Новая конфигурация была протестирована в лаборатории. Эффективность будет измеряться в дальнейших проектах, так как невозможно предсказать, как поведет себя оборудование при переработке больших объемов стоков, а систему необходимо тестировать на реальных хозяйственно-бытовых и промышленных стоках. До сих пор его тестировали только на образцах синтетических отходов, приготовленных самими исследователями.

«Возможно, нам придется улучшить дизайн и геометрию», — сказал Гарсия. «Как можно оптимизировать конструкцию, чтобы получить наибольшую оптимальную площадь поверхности на объем реактора, чтобы снизить стоимость? Исследование обеспечивает основу, основу, на которой мы можем продолжать думать о процессе и математическом инструменте».