CC BY
12
УДК: 656.2.08:665.6+502.36:66 ЗЕЛЕНЬКО Ю.В., к.т.н., доцент (ДНУЗТ);
ГОРБОВА О.В., провщний iнженер комп'ютерних систем (ДНУЗТ); ВОСТРОКНУТОВА 1.В., завiдувач вщдшом «1нтелектуальна власшсть» (ДНУЗТ); ЛЕЩИНСЬКА АЛ. астрант (ДНУЗТ).
Оптимiзацiя використання бюкомпозитних матерiалiв та моделюван-ня процесiв бюлопчноУ деструкщУ нафтопродуктiв
Вступ
На сучасному рiвнi одним з важ-ливiших питань, з позици забезпечення по-зитивних екологiчних показникiв експлуа-таци залiзничного транспорту, е: оп-тимiзацiя монiторингу стану еколопчнох безпеки i органiзацiя управлiння еколого-економiчними ризиками. При цьому, об'ективне управлшня еколопчними ризиками потребуе наявносп математичного апарату для моделювання можливих мас-штабiв емюп i швидкосп процесiв нафтоде-струкци у кожному конкретному випадку [1, 2].
Постановка проблеми
В даний час е велика кшькють мате-матичних моделей, що описують динамiку нафтового забруднення. Проте, фактично вiдсутнi математичш моделi динамiки на-фтового забруднення з одночасним обль ком конвективного перенесення, дифузп i бюлопчнох деструкцп, крiм того, багато проблем дослщжено з недостатньою пов-нотою, так, наприклад, в наявних моделях не враховуеться фракцшшсть складу наф-ти, рiзнi види бактерiйного населення та час початку бюлопчно'1 обробки.
Таким чином, необхщним стае за-вдання розробки i адаптацп математичних моделей динамши нафтового забруднення з одночасним облшом конвективного перенесення, дифузп i бюлопчнох деструкцп, фракцшносп складу нафти, при цьо-му, для спрощення користування моделями необхщно вивчення факторiв, що
впливають на процес з цiллю вилучення факторiв з незначним впливом [3].
Анал1з досл1джень 1 публ1кац1й
В лiтературi [4-7] запропоновано дворiвнева iерархiчна система математичних моделей бюлопчно'1 деструкцп нафтового забруднення у виглядi краевих за-вдань для систем квазшншних рiвнянь параболiчного типу. При цьому використання базово'1 моделi можливе лише для грубо'1 оцiнки процесу бюлопчнох деструкцп нафтового забруднення;
Узагальнення базово'1 математично'1 моделi за рахунок облiку просторово! не-однорiдностi розвитку популяцiй, так звана «базова математична модель з ураху-ванням таксису», вона може бути застосо-ваною в тих випадках, коли враховують характер деструкцп i те, що поверхня на-фтового забруднення не може бути обро-блена рiвномiрно бюпрепаратом, наприклад iз-за свого розмiру. Математична модель з урахуванням таксису дозволяе дос-лщжувати просторову неоднорiднiсть розвитку популяцп нафтоокислюючих мк-роорганiзмiв i оцiнити п вплив на бюлогь чну деструкцiю нафтового забруднення. Проте, це завдання ставиться насамперед перед тдроздшами, що займаються лшвь дацшними заходами (пiдроздiли МНС). У нашому випадку важливою е оцiнка еко-логiчних наслiдкiв аваршнох емюп та оць нка можливих економiчних збитюв для залiзницi з метою 1х мiнiмiзацii.
Зазвичай, в практицi, при вивченш процесiв розповсюдження нафтопродуктiв
не враховують 1х фракцiйну склад - розг-лядають тiльки нафту. Проте, в нашому випадку неможливо нехтувати цим чин-ником, оскiльки статистика вантажопере-везень тдтверджуе широту спектру наф-топродукпв, що транспортуються, залiз-ничними мапстралями.
Для бiльш об'ективного та детального аналiзу було чiтко сформульовано за-вдання та умови протшання процесу бю-лопчно! нафтодеструкцп. З цшлю тдви-щення ефективностi процесу збору наф-топродуктiв, запропоновано використання сучасних сорбуючих бiомiнеральних композит на базi вiдходiв виробництв, яю вiдрiзняються комплексним ефектом очистки - сорбщею та бiодеструкцieю. До-слiджено характер i швидкостi протшання процесу деструкцп адсорбованих нафто-продукпв, а також визначено чинники та умови навколишнього середовища, що нашстотшше впливають на процес очистки [1].
Вибiр моделi для опису поведшки нафтопродуктiв у грунтах залежить вщ умов 1х находження, дп рiзних факторiв, а також вщ поставлено! мети. Найбiльш важливими завданнями стае моделювання процесу мграцп (розповсюдження) нафтопродукту у грунтi та модель санацп грунту. Для удосконалення опису про-цесiв необхiдно провести аналiз iснуючих математичних рiвнянь.
Для виршення завдання мграцп може бути використана програмна система MODTECH, розроблена в ЗАТ «Геолшк Консалтинг». У основу ршення покладено рiвняння конвективного пере-несення [4, 5], :
дС дС дС ПС ЖСп . _ по — = Щ (t )—+ щ (t )—+ иж (t )- +--Я- С'
дг дх ду т т
де С — концентращя нафтопро-дукт1в у водоносному горизонту их(г), иу(г) i и7(г) — компоненти швидкостi фшьтрацп вiдповiдно по осях х, у 1 7 (в даному випадку и7(г) вщповщае перетiканню у во-доносний горизонт, що пролягае нижче);
Ж — штенсившсть iнфiльтрацiйного водного живлення; С„ — концентрацiя нафтопродуктiв шфшьтратц по — ефек-тивна пористють; т — потужнiсть водоносного горизонту. Коефщент розпаду X приймаеться в даному випадку для анае-робних умов i, як правило, на порядок менше ще'1 ж величини для зони аерацп.
У деяких роботах [4], що розгляда-ють в основному процес м^ацп забруд-нюючо! речовини в розчиненому вигляд^ при розрахунку бiорозкладання викори-стовуеться рiвняння швидкостi розкла-дання першого порядку i змiна концен-трацп забруднюючо! речовини (С) вира-жаеться у виглядi:
дС = -К - С,
дг с
При моделюваннi процесiв змен-шення концентрацiй нафтопродуктiв в грунтi споаб розрахунку за даним рiвнян-ням не може бути використаний, оскшьки в цьому випадку не враховуються мшробюлопчш процеси (зростання i вщ-мирання клiтин). Проте його застосову-ють при моделюваннi мграцп розчинених нафтопродуктiв з потоком пiдземних вод, оскшьки iз-за обмеженого надходження кисню концентрацiя бактерiй тут може бути постшною.
Основний матер1ал досл1джень
Для моделювання процеав мiкробiологiчного окиснення нафтопро-дуктiв для опису динамiки бактерюлопч-но! популяцп та зменшення концентрацп нафтопродукту використовують залеж-нiсть, на базi рiвняння Моно, з врахуван-ням вiдмирання бактерш [4]. Використання зазначених рiвнянь е доцiльним для моделювання процесу бюлопчно! деструкцп нафтозабрудненних грунпв шляхом обробки зони емсп бактерiологiчним розчином при досить значних витратних показниках.
Таким чином, з цшлю подальшо! можливостi оптимiзацп i моделювання процесу бiорозкладання за допомогою за-
пропонованих бюкомпозипв запропоно-вано використання базових математичних рiвнянь, якi описують процес бiорозкла-дання.
Враховуючи особливостi взаемод^-чо'1 системи, що моделюеться, пропо-нуеться формулювати процес бюрозкла-дання на базi рiвняння масопереносу, принципу Лiбiха i формули Моно. Таким чином вони будуть мати наступний ви-гляд:
дм _ ¡тО дМ.
-= --М- Я-М--:
д1 'К + G дх
д 'К + О
м,
(1)
(2)
де М - концентращя бактерiй в rрунтi, кл/г; О - концентращя нафтопро-дуктiв в грунт!, г/г; Кх - константа
спорщнення субстрату до бактерiй; ¡1т -максимальна швидкiсть росту бактерiй; X - швидкiсть вщмирання бактерiй; 8i -коефiцiент, що враховуе фракцшний склад нафтопродукту; у - коефiцiент пропорцiйностi мiж нафтофшьним препаратом та кiлькiстю окисненого нафтопро-дукту, враховуе просторову неодно-рщшсть.
Поставлене завдання не мае аналiтичного рiшення, тому воно виршу-валося двома методами: методом кшцевих диференцiалiв та методом Рунге-Кутта 4-ого порядку.
Основною цiллю модельних до-слiджень було визначення термшу бюроз-
кладання для регулювання кшькосп вне-сення бiопрепарату.
При цьому, використання запропо-нованох моделi дозволяе враховувати гли-бину, на якш вiдбуваеться процес бюде-градацп (рис. 1). Вiдомо, що в залежност вiд глибини термiн протшання процесу очистки уповiльнюеться. Це, зпдно про-ведених дослiджень, пояснюеться проце-сами шфшьтрацп нафтопродуктiв за грун-товим профiлем, кiлькiстю грунтового по-вiтря та кiлькiстю поживних та фермент-них речовин [8].
Для вiзуалiзацii чисельних рiшень застосовано середовище програмування CBuilder С++ 7.0. На рис. 1 показано результата моделювання динамши змши чи-сельностi популяцiй (а) та концентрацп дизельного палива (б) у вщносних оди-ницях за 1 рш очищення на глибинах 0 -0,1м; 0,1 - 2,5м; 2,5 - 5,0.
На основi запропонованоi модел^ були розрахованi змши концентрацш нафтопродукту i бактерiй за глибиною профшю грунту залежно вщ часу.
Результати моделювання динамiки 6юлопчно'1 деструкцп нафтопродуктiв за грунтовим профшем пiдтверджуються натурними дослiдженнями за якими було визначено, що швидюсть нафтодеструкци залежить вiд фракцiйного складу нафто-продукту, типу грунту, глибини за грунто-вим профшем та ^матичних умов. Ре-зультати математичного моделювання процесу санацп за 24 мюящ, наведено на рис. 2.
Рис. 2. Динамша бюлопчно! деструкцп дизельного палива за 24 мюящ.
Ш Прир—ш 14тш ' • >■1 ■ |им«| 1К1М О «(мрнц*
л - п 1 и
< ► 6а»''вм«и 1Е7
I ' |>обмтвонш 'ве ' О' 5 * М <» I,"."(>■ 1ч I >•) >' и и п^ьдшо пун
А-ГРТ'Ч -Ч.Ч11Ч.».« «' ; I
* I !■ |Щ11|« II» II* ■ I ....... |гщ
I г'пб1мес1*гут***е [ ] «о»ф дм аюрапгеов 1
*П' ' Iд 11 Н||!Г>||1ПН1!1<' й>4<< (ЦЦИи
а б
Рис. 1. Динамша бюлопчно! деструкцп дизельного палива за 12 мюящв.
Порiвняльний аналiз прогнозних ро-зрахунюв динамiки змiни концентраци нафтопродуктiв в ходi бюдеструкцп з да-ними натурних дослщжень (рис. 3) демон-струе збiжнiсть, що безперечно свщчт
про адекватнiсть запропоновано! моделi та методу 11 чисельного визначення. При цьому вщхилення (погрiшнiсть) обчислю-вання не перевищувало 8% при допусти-мих параметрах погршносп - 20%.
Рис. 3. Порiвняльний аналiз розрахункових за моделлю результат та даних
натурних дослiджень. 1 - за результатами модельного прогнозу; 2 - за даними натурних дослщжень.
Треба вщзначити, що швидкють руйнування нафтозабруднення змiнюeться в залежност вiд варiативностi комплексу наступних факторiв: концентрацiя нафто-продукту в грунту ступiнь зволоження грунту, тип грунту, поруватють грунтово'1' маси, глибина забруднення, склад абори-генно'1 мiкрофлори грунту, метеоролопчш умови, ступiнь спроможностi грунту до самовщновлення, ступiнь i характер попе-реднього забруднення грунту та шш. [9].
Висновок
Отже, застосування математичного моделювання на даному етат дозволяе оцiнити час, необхiдний для повно'1 сана-ци грунту з урахуванням найважливших факторiв. Крiм того, проведет модельш розрахунки довели, що внесення бак-терiйного субстрату достатньо проводити лише на першш стадп очищення, що дозволяе значно скоротити вартють запропо-новано'1' бiоремедiацiйноi технологи [8].
Список л1тератури
1. Зеленько Ю.В. Науковi ос-нови еколопчно'1' безпеки технологiй транспортування та використання нафто-продуктiв на залiзничному транспортi / [Текст] = Монографiя Видавництво Ма-ковецький;.- Д., 2010 - 242 с.
2. Зеленько Ю.В., Бойченко С.В., Белокопытов Ю.В. Анализ и оптимизация управления рисками возникновения чрезвычайных ситуаций при транспортировке нефтепродуктов железнодорожным транспортом // Залiзничний транспорт Украши, №3, 2011. - С.26-28.
3. Козлитин А.М., Яковлев Б.Н. Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка. Детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы: Учебное пособие / Под ред. А.И.Попова. Саратов: Сарат.гос.ун-т, 2000. - 124 с.
4. Огняник Н.С. Основы изучения загрязнения геологической среды легкими нефтепродуктами / Н.С. Огняник, Н.К., Парамонова, А.Л. Брикс и др. - К.: [А.П.Н.], 2006. - 278с.
5. Технологии очистки геологической среды от загрязнения нефтепродуктами. Рекламный проспект компании «Геолинк». № 10, октябрь 2007г.
6. Хлесткин Р.Н., Шеметов А.В., Самойлов Н.А. Моделирование процесса механизированного сбора нефти и нефтепродуктов при их аварийных разливах.// Сборник тезисов докладов 11 Международной научной конференции «Математические методы в химии и технологиях». Владимир, 1998, том 2, С. 214-217.
7. Дембицкий С.И., Уртенов М.Х., Шарпан М.В. Математическое мо-
делирование и анализ биологической деструкции нефти при разных способах внесения биопрепаратов // «Экологические системы и приборы», №11, 2007 г.
8. Зеленько Ю.В. Изучение остаточной токсичности почв при аварийных розливах бензиновых фракций путем биотестирования // Вюник Дншропет-ровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту iм. акад. В.Лазаряна, Дншропетровськ, -2008, Випуск 23, С.133-137.
9. Зеленько Ю.В. Ращональне природокористування в лшвщацшних заходах пiд час транспортних аварш з нафтопродуктами // Международный научно-технический журнал «Локомотив информ», Харьков -2008, №10, С.7-9.
Анотацн:
У статп розглянуп 1снуюч1 математичш р1вняння щодо моделювання процеав нафтозаб-руднення. Запропоновано ошгашзацш викори-
стання бюкомпозитних матерiалiв шляхом за-стосування розроблено! математично! моделi, яка описуе процес бюдеструкцп.
Ключовi слова: лiквiдацiя аварш, нафто-продукти, сорбент, бiологiчна деструкщя, матема-тична модель.
В статье рассмотрены существующие математические уравнения для моделирования процессов нефтезагрязнения. Предложена оптимизация использования биокомпозитных материалов с применением разработанной математической модели, описывающей процесс биодеструкции.
Ключевые слова: ликвидация аварий, нефтепродукты, сорбент, биологическая деструкция, математическая модель.
The existing mathematical equations to simulate the processes of oil pollution is considered in the article. The optimization of biocomposite materials using the developed mathematical model describing the process of biodegradation was proposed.
Keywords: liquidation of failures, oilproducts, sorbent, biological degradation, the mathematical mode.
УДК 629.45
