Mô hình tính toán sự phân loại địa hóa của các kim loại vi lượng trong tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải

Springer Science and Business Media LLC - Tập 12 Số 12 - 2022
Anthony Njuguna Matheri1, Mohamed Belaid2, Freeman Ntuli2, Jane Catherine Ngila3, Caliphs Zvinowanda3
1Department of Chemical Engineering, University of Johannesburg, Johannesburg, South Africa
2Botswana International University of Science and Technology, Palapye, Botswana
3Department of Chemical Science, University of Johannesburg, Johannesburg, South Africa

Tóm tắt

Tóm tắtSự phân loại của các kim loại vi lượng trong các nhà máy xử lý nước thải quyết định số phận cuối cùng của chúng trong nước mặt tự nhiên do các quá trình sinh học và hóa học . Việc định lượng các nghiên cứu phân loại kim loại vi lượng được thực hiện tại WWTP và được đặc biệt quan tâm do tính bền vững và khó phân hủy của chúng trong sinh quyển. Các kim loại được quan tâm bao gồm: Al, Co, Cr, Cd, Fe, Cu, Ni, Mn, Mo, Zn, Pb và Ti. Sự tích lũy kim loại vi lượng được xác định bằng mô hình hóa địa hóa - cân bằng khối lượng. Mô hình cân bằng khối lượng có ảnh hưởng định lượng đến quy trình tối ưu hóa chi phí sử dụng trạng thái ổn định với một tập hợp các ràng buộc đã xác định trước để đánh giá các điểm vận hành, tham số điều khiển và kích thước nhà máy. Mô hình cân bằng khối lượng cho phép phát hiện các bất thường trong tập dữ liệu kim loại vi lượng và hỗ trợ xác định các lỗi hệ thống trong quá trình giảm kim loại. Nó định lượng loại bỏ tổng thể và số phận của các kim loại vi lượng trong các nhà máy xử lý sinh học. Các cân bằng khối lượng bao gồm xác định mẫu theo mùa cho thấy sự giảm đáng kể trong số lượng kim loại vi lượng. Việc loại bỏ kim loại từ các quá trình xử lý sinh học chủ yếu thông qua sự phức tạp của kim loại với vi sinh vật, kết tủa và hấp phụ. Sự so sánh giữa các dữ liệu đo đạc cho thấy một xu hướng gia tăng nồng độ cao trong bùn (sinh khối) có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường. Mô hình hóa địa hóa và tính toán phân loại kim loại vi lượng cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho thiết kế quy trình, xử lý sự cố và tối ưu hóa, đại diện cho một hệ thống đa biến mà không thể xử lý hiệu quả mà không có kỹ thuật và mô hình hóa máy tính phù hợp.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Abdel-Shafy HI, Mansour MSM (2014) Biogas production as affected by heavy metals in the anaerobic digestion of sludge. Egypt J Pet 23(4):409–417

Ahluwalia SS, Goyal D (2007) Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater. Biores Technol 98(12):2243–2257

Barakat MA (2011) New trends in removing heavy metals from industrial wastewater. Arab J Chem 4(4):361–377

Beamish FE (2012) Analysis of noble metals: overview and selected methods. Academic Press, INC Academic Press, INC

Biller DV, Bruland KW (2012) Analysis of Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, and Pb in seawater using the Nobias-chelate PA1 resin and magnetic sector inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). Mar Chem 130:12–20

Bożym M, Florczak I, Zdanowska P, Wojdalski J, Klimkiewicz M (2015) An analysis of metal concentrations in food wastes for biogas production. Renew Energy 77:467–472

Burgess JE, Quarmby J, Stephenson T (1999) Role of micronutrients in activated sludge-based biotreatment of industrial effluents. Biotechnol Adv 17(1):49–70

Cheng S, Grosse W, Karrenbrock F, Thoennessen M (2002) Efficiency of constructed wetlands in decontamination of water polluted by heavy metals. Ecol Eng 18(3):317–325

Department of Water and Sanitation, DWS (2021) General and special standards for the wastewater treatment, requirements for the purification of waste water or effluent, water act 54 of 1984, South Africa. Accessed June 2021

Davis TA, Volesky B, Mucci A (2003) A review of the biochemistry of heavy metal biosorption by brown algae. Water Res 37(18):4311–4330

Dimpe KM, Ngila JC, Mabuba N, Nomngongo PN (2014) Evaluation of sample preparation methods for the detection of total metal content using inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) in wastewater and sludge. Phys Chem Earth Parts a/b/c 76:42–48

Edokpayi JN, Odiyo JO, Popoola OE, Msagati TAM (2016) Assessment of trace metals contamination of surface water and sediment: a case study of Mvudi river, South Africa. Sustainability 8(2):135

Fein JB, Daughney CJ, Yee N, Davis TA (1997) A chemical equilibrium model for metal adsorption onto bacterial surfaces. Geochim Cosmochim Acta 61(16):3319–3328

Fu F, Wang Q (2011) Removal of heavy metal ions from wastewaters: a review. J Environ Manag 92(3):407–418

Gallego A, Hospido A, Moreira MT, Feijoo G (2008) Environmental performance of wastewater treatment plants for small populations. Resour Conserv Recycl 52(6):931–940

Gans N, Mobini S, Zhang XN (2007) Mass and energy balances at the gaobeidian wastewater treatment plant in Beijing, China. Available Source: http://www.chemeng.lth.se/exjobb/E458

Gawdzik J, Gawdzik B (2012) Mobility of heavy metals in municipal sewage sludge from different throughput sewage treatment plants. Pol J Environ Stud 21(6):1603–1611

Kamika I, Coetzee M, Mamba BB, Msagati T, Momba MBN (2014) The impact of microbial ecology and chemical profile on the enhanced biological phosphorus removal (EBPR) process: a case study of Northern Wastewater treatment works, Johannesburg. Int J Environ Res Public Health 11(3):2876–2898

Karlsson A, Einarsson P, Schnürer A, Sundberg C, Ejlertsson J, Svensson BH (2012) Impact of trace element addition on degradation efficiency of volatile fatty acids, oleic acid and phenyl acetate and on microbial populations in a biogas digester. J Biosci Bioeng 114(4):446–452

Karvelas M, Katsoyiannis A, Samara C (2003) Occurrence and fate of heavy metals in the wastewater treatment process. Chemosphere 53(10):1201–1210

Langergraber G, Rieger L, Winkler S, Alex J, Wiese J, Owerdieck C, Maurer M (2004) A guideline for simulation studies of wastewater treatment plants. Water Sci Technol 50(7):131–138

Luo Y, Guo W, Ngo HH, Nghiem LD, Hai FI, Zhang J, Wang XC (2014) A review on the occurrence of micropollutants in the aquatic environment and their fate and removal during wastewater treatment. Sci Total Environ 473:619–641

Mackenzie LD (2011) Water and wastewater engineering, design principles and practice. In: McGraw-Hill International Edition

Matheri AN, Mbohwa C, Belaid M, Seodigeng T, Ngila JC (2016) Multi-criteria analysis of different technologies for the bioenergy recovery from OFMSW. In: Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2016 Vol II WCECS 2016, October 19–21, 2016, San Francisco, USA

Metcalf L, Eddy HP, Tchobanoglous G (1991) Waste water engineering: treatment, disposal, and reuse. McGraw-Hill, New York

Mohan D, Pittman CU Jr (2007) Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents: a critical review. J Hazard Mater 142(1–2):1–53

Mullen MD, Wolf DC, Ferris FG, Beveridge TJ, Flemming CA, Bailey GW (1989) Bacterial sorption of heavy metals. Appl Environ Microbiol 55(12):3143–3149

Pomiès M, Choubert JM, Wisniewski C, Coquery M (2013) Modelling of micropollutant removal in biological wastewater treatments: a review. Sci Total Environ 443:733–748

Raval NP, Shah PU, Shah NK (2016) Adsorptive removal of nickel (II) ions from aqueous environment: a review. J Environ Manag 179:1–20

Schattauer A, Abdoun E, Weiland P, Plöchl M, Heiermann M (2011) Abundance of trace elements in demonstration biogas plants. Biosys Eng 108(1):57–65

Scientific TF (2009a) iTEVA software manual.

Scientific TF (2009b) ICP emission spectrometer. ICAP 6000 series

Shamuyarira KK, Gumbo JR (2014) Assessment of heavy metals in municipal sewage sludge: a case study of Limpopo province, South Africa. Int J Environ Res Public Health 11(3):2569–2579

Sheoran AS, Sheoran V (2006) Heavy metal removal mechanism of acid mine drainage in wetlands: a critical review. Miner Eng 19(2):105–116

Singanan M, Peters E (2013) Removal of toxic heavy metals from synthetic wastewater using a novel biocarbon technology. J Environ Chem Eng 1(4):884–890

Sötemann SW, Wentzel MC, Ekama GA (2006) Mass balance-based plant-wide wastewater treatment plant models-part 4: aerobic digestion of primary and waste activated sludges. Water SA 32(3):297–306

Srivastava NK, Majumder CB (2008) Novel biofiltration methods for the treatment of heavy metals from industrial wastewater. J Hazard Mater 151(1):1–8

Vega P, Alawneh F, Gonzalez L, Francisco M, Perez B (2007) A computer based tool for the simulation, integrated design and advanced control of wastewater treatment. In: Proceedings of European Congress of Chemical Engineering (ECCE-6), Copenhagen, 16–20 September 2007

Veglio F, Beolchini F (1997) Removal of metals by biosorption: a review. Hydrometallurgy 44(3):301–316

Volesky B (2001) Detoxification of metal-bearing effluents: biosorption for the next century. Hydrometallurgy 59(2–3):203–216

Wang S, Wang Y, Zhang R, Wang W, Xu D, Guo J, Yu K (2015) Historical levels of heavy metals reconstructed from sedimentary record in the Hejiang river, located in a typical mining region of Southern China. Sci Total Environ 532:645–654

Wang F, Lu X, Li X (2016) Selective removals of heavy metals (Pb2+, Cu2+, and Cd2+) from wastewater by gelation with alginate for effective metal recovery. J Hazard Mater 308:75–83

Wiel HJVd (2003) Determination of elements by ICP-AES and ICP-MS. National Institute of Public Health and the Environment (RIVM). Bilthoven, The Netherlands, pp 1–19

Zhang L, Ouyang W, Lia A (2012) Essential role of trace elements in continuous anaerobic digestion of food waste. Procedia Environ Sci 16:102–111