Моделирование очистки газовых выбросов нефтехимического производства с использованием адаптированных микроорганизмов активного ила

Терещенко Юлия Петровна; Васильев Андрей Витальевич; Заболотских Влада Валентиновна; Терещенко Иван Олегович

УДК 504.3.054

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИРОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ АКТИВНОГО ИЛА

ООО «Институт химии и инженерной экологии», г. Тольятти

Статья поступила в редакцию 02.02.2016

В результате экспериментального поиска путей интенсификации процесса биологической очистки газовых выбросов нефтехимического предприятия автором статьи на модельных растворах (суспензия активного ила и смесь загрязняющих веществ) была выявлена прямая зависимость удельной скорости биодеструкции загрязняющих веществ от их концентрации и концентрации активного ила. Экспериментально и с помощью методов математического моделирования установлена в условиях периодического культивирования оптимальная концентрация ила (2,5-3,25 г/л) и концентрация загрязняющих веществ, при которых обеспечивается максимальная удельная скорость биодеградации. Выявленная зависимость позволит рассчитать и смоделировать оптимальные условия для эффективной биодеградации загрязняющих веществ и снизить антропогенное воздействие на окружающую среду токсичных выбросов нефтехимического предприятия. Ключевые слова: моделирование, очистка, газовые выбросы, нефтехимическое производство, адаптированные микроорганизмы, активный ил.

Проблема интенсификации биохимического окисления загрязняющих веществ, входящих в состав газовых выбросов, привлекает внимание отечественных и зарубежных ученых. Современные исследования в основном направлены на регулирование состава и свойств биоценоза активного ила или биопленки либо на селекцию или создание новых микробных культур, способных утилизировать отдельные виды загрязнений [1, 5-11]. В настоящее время создаются и развиваются методологические подходы к интенсификации и регулированию основных параметров процесса биоочистки промышленных газовых выбросов с использованием культур активного ила.

Разработка основ культивирования микроорганизмов-деструкторов компонентов газового потока позволит расширить возможности применения биологического метода очистки вентиляционных выбросов нефтехимического производства.

Авторами проведена серия экспериментов, направленных на исследование дегидрогеназной активности адаптированного активного ила и скорости биологического разрушения смеси основных загрязняющих веществ, образующихся в процессе работы сушильных камер нефтехимического производства.

Терещенко Юлия Петровна, директор по качеству. E-mail: [email protected]

Васильев Андрей Витальевич, доктор технических наук, профессор, генеральный директор. E-mail: [email protected]

Заболотских Влада Валентиновна, кандидат биологических, доцент, заместитель генерального директора по научной работе. E-mail: [email protected] Терещенко Иван Олегович, инженер. E-mail: [email protected]

Состав смеси загрязняющих веществ, смоделированный на примере состава газовых выбросов сушильных камер ООО «Тольяттикаучук» и использующийся в экспериментах, представлен в табл. 1.

Эксперименты по биодеструкции загрязняющих веществ сообществом активного ила проводились на модельных растворах. Состав модельного раствора включал в себя суспензию активного ила и смеси загрязняющих веществ, взятых в определенных ранее концентрациях. представленных в табл. 2.

Адаптированный активный ил отбирался со станции по биологической очистке сточных вод ООО "Тольяттикаучук" в начале зоны аэрирования иловой смеси.

Для приготовления 100 см3 модельного раствора (рис. 1) загрязняющие вещества последовательно взвешивали, помещали в коническую колбу Эрленмейера и доводили до метки суспензией активного ила, затем тщательно перемешивали. Для предотвращения попадания частиц пыли и минимизации испарения загрязняющих веществ, а также осуществления аэрации колбы закрывали ватно-марлевыми пробками. Пробы исследовались в трех повтор-ностях с контролем. В качестве контрольной пробы использовали водопроводную воду со смесью загрязняющих веществ в тех же концентрациях, что и в исследуемой пробе. Перемешивание осуществляли на устройстве ПЭ-6500 (рис.2). Экспериментальные исследования проводились при нормальных условиях.

Процесс биодеградации загрязняющих веществ контролировали и проводили в условиях периодического культивирования в течение 30-60 часов.

Таблица 1. Состав загрязняющих веществ, использующихся при моделировании очистки газовых выбросов сушильных камер, и их физические свойства

№ п/п Наименование загрязняющего вещества Физические свойства

оГ ^кип, ^ Агрегатное состояние

1 Стирол 145 жидкое

2 Изопрен 34,059 жидкое

3 Изопентан 28°С жидкое

Таблица 2. Концентрации загрязняющих веществ и активного ила при проведении экспериментальных исследований (I этап)

№ п/п Наименование загрязняющего вещества Начальная концентрация Ош, мг/л Концентрация активного ила в модельном растворе, САИ, г/л Температура модельного раствора, °С

1вар 2вар. Звар. 4вар. 5вар.

1 стирол 100 200 300 450 550 2,9 - 3,46 19-22

2 изопрен 50 100 150 200 250

3 изопентан 50 60 80 100 150

Таблица 3. Концентрации загрязняющих веществ и активного ила при проведении экспериментальных исследований (II этап)

№ Наименование Концентрация активного ила во всех Начальная

п/п загрязняющего вариантах модельного раствора, САИ, концентрация С03В,

вещества г/л мг/л

1вар 2вар. Звар. 4вар.

1 стирол 300

2 изопрен 2,5 3,5 4,5 5,5 150

3 изопентан 100

Рис. 1. Приготовление модельного раствора для проведения исследований

Процесс контролировали по следующим параметрам:

- концентрация ЗВ в модельном растворе в ходе исследования;

- сухой вес активного ила;

- свойства активного ила;

- уровень дегидрогеназной активности микросообщества [2].

Контроль кислотности среды (рН) проводили перед началом и окончанием исследования.

Пробу для анализа концентрации загрязняющих веществ готовили следующим образом: в емкость с пробой объемом 10 см3 добавляли концентрированной соляной кислоты и 1 г сульфата магния и 25 см3 экстрагента. В качестве экстрагента использовали н-гексан. Далее

пробу интенсивно перемешивали в течение 30 мин. с помощью перемешивающего устройства. После прекращения перемешивания эмульсию отстаивали 10 мин для разделения водной и органической фаз.

Затем на горло емкости помещали сепаратор. В боковой отросток сепаратора добавляли биди-стиллированную воду, которая выдавливала экстракт в центральный отросток сепаратора, откуда его отбирали шприцем для дальнейшего анализа. Для удаления влаги использовали стеклянную емкость с тщательно притертой пробкой, содержащей 2 г сорбента, в которую перенесли экстракт и интенсивно встряхивали в течение 30 мин. После встряхивания 20 мм3 предварительно разбавленного н-гексаном элюата хроматографиро-вали (множитель разбавления 3) по стандартной методике [3].

Одни из полученных результатов экспериментальных исследований представлены на рис. 3.

Экспериментальные данные, представленные графической форме, показали уменьшение относительных концентраций загрязняющих веществ в активном иле в зависимости от времени.

Во всех исследуемых пробах ил имел физиологически активное состояние (рис. 4), уровень дегидрогеназной активности соответствовал уровню дегидрогеназной активности исходного ила. Время обесцвечивания раствора метилено-вой сини составляло 67-96 с.

По методике, приведенной автором в работе [4], были определены промежуточные показатели биодеградации и её удельная скорость в каждом

из опытов. При определении скорости биоутилизации загрязняющих веществ учитывалось их испарение из контрольного образца.

Поиск зависимостей между полученными экспериментально данными проводился с помощью методов математической статистики, в частности, нами был использован дисперсионный анализ двухфакторного неравномерного комплекса. Данный метод позволяет объективно оценить влияние каждого из факторов (концентрация активного ила, концентрация загрязняющих веществ) на скорость биодеградации.

Для проведения дисперсионного анализа из экспериментальных данных были выбраны 3 значения концентрации активного ила, а также 4 значения суммарной концентрации загрязняющих веществ. Далее были отобраны 24 значения расчетной удельной скорости биодеструкции. По результатам анализа определили, что связь между величинами существует, коэффициент детерминации статистически значим и уравнение регрессии статистически надежно.

На основе полученных экспериментальных данных разработана математическая модель процесса биоутилизации модельной смеси загрязняющих веществ нефтехимического производства.

Одним из способов определения взаимосвязей между известными параметрами процесса является получение уравнения множественной регрессии. Для построения математической модели было предложено использовать данный способ определения взаимосвязи между удельной скоростью биодеструкции, концентрациями

а)

б)

в)

Рис. 3. Зависимость удельной концентрации загрязняющих веществ от времени. Начальные концентрации ЗВ: а) С0ст= 200 мг/л; б) С0изопр= 100 мг/л; в) С0изопен= 60 мг/л

Рис. 4. Микроорганизмы активного ила в ходе проведения экспериментальных исследований

по биодеструкции загрязняющих веществ

загрязняющих веществ и концентрацией активного ила.

С помощью симплекс-метода получено уравнение множественной регрессии:

У = 5.72-0.0383Х1 + 0.1Х2 + 0.0384Х3-1.18С,

где У - удельная скорость биодеградации смеси загрязняющих веществ:

Х1 - концентрация стирола в газовом потоке; Х2 - концентрация изопрена в газовом потоке; Х3 - концентрация изопентана в газовом потоке;

С- концентрация суспензии активного ила. На основании полученного уравнения были определена оптимальная концентрация актив -ного ила, равная 2,5 мг/л, при которой обеспечивается максимальная скорость биодеградации загрязняющих веществ нефтехимического комплекса - 33,53 мг/г-ч. Данная скорость биохимического окисления смеси загрязняющих веществ приходилась на первые 12 часов культивирования. Полученные в ходе исследований данные полностью согласуются с литературными.

Таким образом, получены оптимальные характеристики процесса биодеградации приоритетных загрязняющих веществ, присутствующих в составе выбросов сушильных камер, что позволяет судить о возможности применения адаптированного активного ила для очистки газов аналогичного состава. Оптимизируя условия для биоценоза активного ила можно повышать скорость и эффективность биоочистки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Винаров А.Ю. Эффективность биотехнологических методов окружающей среды // Биозащита и биобезопасность. 2012. Т.4, №4(13). С. 52-58.

2. Пат. №2476598 Российская Федерация, МПК6 С1201/32С12М9/02. Способ количественного определения дегидрогеназной активности микроорганизмов / Чухчин Д. Г., Тупин П. А., заявитель

и и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет» (С(А)ФУ) -2011116872/10; заявл. 27.04.2011, опубл. 10.11.2012.

3. ГОСТ Р 52406-2005. Вода. Определение нефтепродуктов методом газовой хроматографии. М.: Стандартинформ. 2007. 21 с.

4. Ханин К.В. Особенности биохимической аэробной очистки ацетонсодержащих выбросов: дис. ... канд. техн. наук. Пенза, 2002. 142 с.

5. Хиггинс И. Биотехнология. Принципы и применение: пер. с англ. [под ред.И.Хиггинса, Д. Беста и Дж. Джонса]. М.: Мир. 1988. 480 с.

6. Патракова Г.Р. Проблемы комплексной переработки отходов производства и экологическая стратегия развития предприятия химической промышленности (на примере ОАО «Нижнекам-скнефтехим») // Вестник КТУ. 2014. №4. С. 214-217.

7. Васильев А.В., Заболотских В.В., Терещенко Ю.П. Газовые выбросы химических предприятий и методы их очистки и дезодорации // Международный инновационный форум молодых ученых: В рамках IV Международного экологического конгресса (VI Международной научно-технической конференции) « Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT 2013: сборник научных докладов. 2014. С. 307-310

8. Васильев А.В., Терещенко Ю.П. Технико-экономическое обоснование эффективности биологических методов очистки и дезодорации выбросов нефтехимических предприятий в воздушную среду // В сборнике: Стратегическое планирование развития городов России. Памяти первого ректора ТГУ С.Ф. Жилкина. Сборник материалов III Международной заочной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Д.В. Антипов. 2013. С. 59-63.

9. Разработка модельного образца биоустановки для исследований по повышению эффективности микробиологической очистки газовоздушных выбросов промышленных предприятий нефтехимического комплекса // А.В. Васильев, Ю.П. Терещенко, И.О. Терещенко, В.В. Заболотских // В сборнике: Стратегическое планирование развития городов России. Памяти первого ректора ТГУ С .Ф. Жилкина. Сборник материалов III Международной заочной научно-практической конференции. Ответствен-

ный редактор: Д.В. Антипов. 2013. С. 64-70.

10. Терещенко Ю.П., Васильев А.В., Заболотских В.В. Разработка установки для эффективной очистки газовых выбросов нефтехимических предприятий // Башкирский химический журнал. 2012. Т. 19. № 5. С. 33-36.

11. Моделирование очистки газовых выбросов нефтехимического производства с использованием

адаптированных микроорганизмов активного ила / Ю.П. Терещенко, А.В. Васильев, В.В. Заболотских, И.О. Терещенко // В сборнике: Сборник трудов пятого международного экологического конгресса (седьмая международная научно-техническая конференция « Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов БЬР!Т-2015». г. Самара, 2015. Т.2. С. 155-163.

MODELLING OF CLEANING OF GAS EMISSIONS OF PETROCHEMICAL PRODUCTION WITH USE OF THE ADAPTED MICROORGANISMS OF ACTIVE SILT

Limited Liability Company "Institute of Chemistry and Engineering Ecology", Togliatti

As a result of experimental search of ways of an intensification of process biological cleaning gas emissions of the petrochemical production by the author of article on model solutions (suspension of active silt and mix of the polluting substances) direct dependence of specific speed of biological destruction of the polluting substances on their concentration and concentration of active silt was revealed. Optimum concentration of silt (2,5- 3,25 g/l) and total concentration of the polluting substances at which the maximum specific speed of biodegradation is provided is experimentally established in the conditions of periodic cultivation. The revealed dependence will allow to calculate and simulate optimum conditions for effective biodegradation of the polluting substances and to reduce anthropogenic impact on environment of toxic emissions of the petrochemical production.

Keywords: modeling, cleaning, gas emissions, petrochemical production, adapted microorganisms, active silt.

Yuliya Tereshchenko, Director of Quality. E-mail: [email protected].

Andrey Vasilyev, Doctor of Technical Sciences, Professor,

General Director. E-mail: [email protected]

Vlada Zabolotskikh, Candidate of Biological Sciences,

Associate Professor, Deputy of General Director on Science.

E-mail: [email protected]

Ivan Tereshchenko, Engineer.

E-mail: [email protected]