УДК 628.351
DOI 10.35776/VST.2026.08.03

Пукемо М. М., Кадысева А. А.

Современные исследования влияния поверхностно‑активных веществ на перенос кислорода в аэрационных системах

Аннотация

Представлен обзор современных мировых исследований, посвященных влиянию поверхностно-активных веществ на перенос кислорода в системах аэрации сточных вод. Систематизированы данные о механизмах воздействия ПАВ на объемный коэффициент массопереноса kLa, включая снижение коэффициента массопередачи жидкой фазы kL на 20–70%, образование диффузионных барьеров на границе раздела фаз, изменение размеров пузырьков и межфазной поверхности. Показано, что альфа-фактор для мелкопузырчатых аэраторов при обработке городских сточных вод составляет 0,4–0,8 и существенно зависит от концентрации ПАВ. Рассмотрены различия в воздействии анионных, катионных, неионогенных и амфотерных ПАВ, а также биоПАВ. Обсуждаются нестандартные эффекты, включая возможное повышение эффективности переноса кислорода в присутствии ПАВ при определенных условиях. Сформулированы практические рекомендации по проектированию систем аэрации с учетом содержания ПАВ в сточных водах и определены ключевые направления дальнейших исследований.

Ключевые слова

сточные воды , аэрация , массоперенос кислорода , поверхностно-активные вещества , коэффициент массопереноса , альфа-фактор , критическая концентрация мицеллообразования

Для цитирования: Пукемо М. М., Кадысева А. А. Современные исследования влияния поверхностно‑активных веществ на перенос кислорода в аэрационных системах // Водоснабжение и санитарная техника. 2026. № 8. С. 23–31. DOI: 10.35776/VST.2026.08.03.

Дальнейший текст доступен по платной подписке.
Авторизуйтесь: введите свой логин/пароль.
Или оформите подписку

Список цитируемой литературы/REFERENCES

1. Rosso D., Stenstrom M. K. Surfactant effects on alpha-factors in aeration systems. Water Research, 2006, v. 40, no. 7, рр. 1397–1404. DOI: 10.1016/j.watres.2006.01.044.
2. Hwang H. J., Stenstrom M. K. Evaluation of fine-bubble alpha factors in near full-scale equipment. Journal WPCF, 1985, v. 57, no. 12, рр. 1135–1141.
3. Mitru D., Nechifor G. et al. Removal and effects of surfactants in activated sludge system. Revista de Chimie, 2020, v. 71, no. 1, рр. 173–180. DOI: 10.37358/rc.20.1.7819.
4. de Oliveira L., dos Reis D. R., de Oliveira S. B., Formiga K. T. M. Systematic map of chemical and biological surfactant effects on oxygen transfer at the air-water interface. Water Environment Research, 2026, v. 98, pр. e70084. 10.1002/wer.70271.
5. Chen X., Liu G. H. et al. Effects of surfactant contamination on oxygen mass transfer in fine bubble aeration process. Korean Journal of Chemical Engineering, 2013, v. 30. DOI: 10.1007/s11814-013-0092-x.
6. Eckenfelder W. W. Water quality engineering for practicing engineers. New York, Barnes and Noble, 1970, 328 p.
7. Xuefei Li, Sheng Miao, Chao Liu, Xiang Shen, Changqing Liu. A novel theoretical model for predicting volumetric mass transfer coefficients in bubble aeration systems. Physics of Fluids, 2025, v. 37 (9), pp. 095167. DOI: 10.1063/5.0288044.
8. Боровкова И. С., Вольхин В. В., Казаков Д. А. Влияние растворенных органических веществ на скорость транспорта кислорода через границу фаз газ – жидкость // Вестник Пермского государственного технического университета. Химическая технология и биотехнология. 2011. № 12. С. 127–137.
   Borovkova I. S., Vol’khin V. V., Kazakov D. A. [The effect of dissolved organic matter on the rate of oxygen transport across the gas-liquid phase boundary]. Vestnik Permskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta. Chemical Technology and Biotechnology, 2011, no. 12, pp. 127–137. (In Russian).
9. Wild M., Takors R., Mast Y. Revisiting basics of kLa dependency on aeration in bubble columns. Chemie Ingenieur Technik, 2023, v. 95. DOI: 10.1002/cite.202200165.
10. Manikantan H., Squires T. M. Surfactant dynamics: hidden variables controlling fluid flows. Journal of Fluid Mechanics, 2020, v. 892, pp. P1. DOI: 10.1017/jfm.2020.170.
11. Schwarz M., Behnisch J., Trippel J. et al. Oxygen transfer in two-stage activated sludge wastewater treatment plants. Water, 2021, v. 13, no. 14, pp. 1964. DOI: 10.3390/W13141964.
12. Schwarz M., Trippel J., Engelhart M., Wagner M. Determination of alpha factors for monitoring of aeration systems with the ex situ off-gas method. Environmental Science and Pollution Research, 2022, v. 29, pр. 84718–84734. DOI: 10.1007/s11356-022-21915-2.
13. García-Figueroa A. A., Albijanic B. et al. Hydrophobicity of benzene-based surfactants and its effect on bubble coalescence inhibition. Molecules, 2024, v. 29, рp. 5042. DOI: 10.3390/molecules29215042.
14. Xia S., Zhou Y., Zhang Z. Enhancement mechanisms of short-time aerobic digestion for waste activated sludge in the presence of cocoamidopropyl betaine. Scientific Reports, 2017, v. 7, pp. 13491. DOI: 10.1038/s41598-017-13223-4.
15. Schwarz M., Trippel J., Engelhart M., Wagner M. Dynamic alpha factor prediction with operating data – a machine learning approach. Water Research, 2023, v. 231, pp. 119650. DOI: 10.1016/j.watres.2023.119650.
16. Mateus M. V., Araújo L. S., Leopoldino A. B. et al. Molecular interactions and modeling of anionic surfactant effect on oxygen transfer in a cylindrical reactor. Environmental Engineering Science, 2019, v. 36, no. 2, pp. 164–171. DOI: 10.1089/ ees.2018.0217.
17. Adenaya A., Stolle C. et al. Effects of natural and artificial surfactants on diffusive boundary dynamics and oxygen exchanges. Oceans, 2021, v. 2, p. 43. DOI: 10.3390/oceans2040043.
18. Prades-Mateu O., Monrós-Andreu G., Torró S. et al. Effects of SDS surfactant on oxygen transfer in a fine-bubble diffuser aeration column. Water, 2025, v. 17, no. 24, pp. 3473. DOI: 10.3390/w17243473.
19. Ma T., Hessenkemper H., Lucas D., Bragg A. D. Effects of surfactants on bubble-induced turbulence. December 2022. DOI: 10.48550/arXiv:2212.03620.
20. Mölder E., Tenno T. Research of oxygen mass transfer through the air-water surface at low bulk concentrations of surfactants. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2009, v. 58, no. 2, pp. 132–136. DOI: 10.3176/PROC.2009.2.05.
21. Sardeing R., Hébrard G. et al. Effect of surfactants on liquid-side mass transfer coefficients in gas-liquid systems. Chemical Engineering Science, 2006, v. 61 (19), pp. 6249–6260.
22. Andersson F., Rezk K., Sandberg M., Lin W. Numerical and experimental analysis of oxygen transfer in bubble columns. Environmental Technology & Innovation, 2024, v. 33, pp. 103522. DOI: 10.1016/j.eti.2023.103522.
23. Masutani G. K., Stenstrom M. K. Dynamic surface tension effects on oxygen transfer. Journal of Environmental Engineering, 1991, v. 117, no. 1, pp. 126–142. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9372(1991)117:1(126).
24. Campbell K., Wang J. New insights into the effect of surfactants on oxygen mass transfer in activated sludge process. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2020, 8(5):104409.
25. Therrien J. D., Vanrolleghem P. A., Dorea C. C. Characterization of the performance of venturi-based aeration devices. Water SA, 2019, v. 45, no. 2, pp. 268–276. DOI: 10.4314/WSA.V45I2.12.
26. Xu Y., Zhu N., Sun J., Liang P., Xiao K., Huang X. Evaluating oxygen mass transfer parameters for large-scale engineering application of membrane bioreactors. Process Biochemistry, 2017, v. 60, pp. 13–18. DOI: 10.1016/j.procbio.2017.05.020.
27. Lebrun G., Xu F., Le Men C. et al. Gas-Liquid mass transfer around a rising bubble: Combined effect of rheology and surfactant. Fluids, 2021, v. 6, pp. 84. DOI: 10.3390/FLUIDS6020084.
28. Бочаров В. В., Рыжкова О. А. Гигиеническая оценка биологически «жестких» линейных алкилбензолсульфонатов // Гигиена и санитария. 2010. № 3. С. 83–86.
    Bocharov V. V., Ryzhkova O. A. [Hygienic estimation of biologically «hard» linear alkylbenzenesulfonates]. Gigiena i Sanitariia, 2010, no. 3, pp. 83–86. (In Russian).
29. Янзунов Е. И., Уллах Р., Фаткуллин Д. И. Синергетический эффект композиции сульфонатного ПАВ на основе жирных спиртов при добавлении карбоксилата этоксилированного нонилфенола: сборник трудов IX Международной молодежной научной конференции Tatarstan UpExPro 2025. Казань, 9–12 апреля 2025 г. – СПб.: ООО «Скифия-принт», 2025. С. 86–89. DOI: 10.24412/cl-37425-2025-1-86-89.
    Ianzunov E. I., Ullakh R., Fatkullin D. I. [Synergistic effect of a sulfonate surfactant composition based on fatty alcohols with the addition of ethoxylated nonylphenol carboxylate]. Proceedings of the IX International Youth Scientific Conference Tatarstan UpExPro 2025, Kazan, April 9–12, 2025. Saint-Petersburg, Skifiia-Print Publ., 2025, pp. 86–89. DOI: 10.24412/cl-37425-2025-1-86-89. (In Russian).
30. Варсегов И. С., Пиковской И. И., Сыпалов С. А. и др. Определение кокамидопропилбетаина в воде плавательного бассейна методом высокоэффективной жидкостной хроматографии – масс-спектрометрии высокого разрешения // Масс-спектрометрия. 2025. Т. 22. № 2. С. 73–81. DOI: 10.25703/MS.2025.22.08.
    Varsegov I. S., Pikovskii I. I., Sypalov S. A. et al. [Determining cocamidopropyl betaine in swimming pool water by high-performance liquid chromatography – high-resolution mass spectrometry]. Mass-Spektrometriia, 2025, v. 22, no. 2, pp. 73–81. DOI: 10.25703/MS.2025.22.08. (In Russian).
31. Кокоамидопропилбетаин (КАПБ): техническое описание и применение в косметических и моющих средствах. – М.: ООО «МХК». https://mos-chem.ru/catalog/syre_dlya_kosmetiki_bytovoy_khimii_i_moyushchikh_sredstv/kokamidopropilbetain-kupit-optom/.
    Kokoamidopropilbeain (KAPB): tekhnicheskoe opisanie i primenenie v kosmeticheskikh i moiushchikh sredstvakh [Cocoamidopropyl Betaine (CAPB): technical description and application in cosmetics and detergents. Moscow, MKHK Publ.]. https://mos-chem.ru/catalog/syre_dlya_kosmetiki_bytovoy_khimii_i_moyushchikh_sredstv/kokamidopropilbetain-kupit-optom/. (In Russian).