CC BY
47
УДК:504.5:519.71:665.6
Г. Г. Ягафарова (д.т.н., проф., зав. каф.)1, Л. Р. Акчурина (асп.)1, Е. Г. Ильина (к.т.н., доц.)1, А. Х.Сафаров (к.т.н., доц.)1, И. Р. Ягафаров (к.т.н., зав.сектора экологии)2
Прогнозирование биодеструкции нефтяных загрязнений с помощью математической модели
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра прикладной экологии 450112, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.(347) 2431737, e-mail: [email protected] 2 Уфимский государственный нефтяной технический университет, Научно-исследовательский проектный институт нефти и газа 450062, г. Уфа, ул. Кольцевая, 9, к. 204; тел. (347) 2605842
G. G. Yаgafarova, L. R. Akchurina, E. G. Ilina, A. H. Safarov, I. R. Yаgafarov
Forecasting of biodestruction of oil pollution by means
of mathematical model
Ufa State Petroleum Technical University, 1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2431737, e-mail: [email protected]
Разработана математическая модель для прогнозирования процесса биодеструкции нефтяных загрязнений в почве биомассой активного и избыточного ила при изменении параметров культивирования в пределах: доза внесения биомассы активного и избыточного ила от 10 до 50 г/кг, соотношение активный ил/ избыточный ил от 0.1/1 до 10/1 г/г, температура от 10 до 30 оС, концентрация нефти и нефтепродуктов 0.5 до 10 % мас. Произведен подбор параметров, при которых прогнозируется максимальная степень биодеструкции нефтяных загрязнений.
Ключевые слова: активный ил; биодеструкция; математическая модель.
The mathematical model is developed for forecasting of process of biodestruction of oil pollution in soil by a biomass of active and superfluous silt at change of parametres cultivation in limits: a dose of entering of a biomass of active and superfluous silt from 10 to 50 g/kg, a parity active silt / superfluous silt from 0.1/1 to 10/1 g/g, temperature from 10 to 30 0C, concentration of oil and mineral oil 0.5 to 10 % of weights. Selection of parameters at which the maximum degree of biodestruction of oil pollution is predicted is made.
Key words: active silt; biodestruction; mathematical model.
В условиях развития нефтяной промышленности нефть и нефтепродукты являются основными загрязнителями окружающей среды. Перспективным направлением решения данной проблемы являются биотехнологические методы. Наиболее полной очистки нефте-загрязненного грунта можно достичь путем внесения в нефтезагрязненную среду консорциума микроорганизмов, в частности, активного ила биологических очистных сооружений нефтехимических предприятий, представляющего собой ассоциацию гетеротрофных угле-водородокисляющих микроорганизмов 1.
Экспериментально установлено, что совместное внесение в нефтезагрязненный грунт биомассы активного ила из аэротенков и избы-
Дата поступления 17.03.10
точного ила из иловых карт позволяет повысить степень биодеструкции нефтепродуктов, в сравнении с их раздельным применением, в среднем на 20—30 %. Способ защищен патентом РФ 2.
Степень биодеструкции определяется различными факторами, такими, как доза внесения биомассы активного и избыточного ила, степень загрязненности грунта, температура окружающей среды и др. В связи с этим, дальнейшим этапом исследования процессов биодеструкции углеводородов в почве стало математическое моделирование.
Целью данной работы являлась разработка математической модели, описывающей влияние доз внесения активного и избыточного
ила, концентрации нефтепродуктов в почве и температуры на степень биодеструкции нефтепродуктов в почве, а также подбор параметров, обеспечивающих наибольшую степень биодеструкции на основе разработанной модели.
В соответствии с ПФЭ-2^ готовили 17 образцов, в которых исчерпаны все возможные комбинации изучаемых факторов на двух уровнях. Размах варьирования выбирали с таким расчетом, что оба уровня изучаемого фактора находились в лимитирующей области.
Для проведения исследования использовались активный ил из распределительной камеры вторичных отстойников и избыточный ил из иловых карт биологических очистных сооружений ОАО «Уфанефтехим». Активный и избыточный ил вносили в образцы нефтеза-грязненной почвы совместно в различном соотношении. Культивирование проводили в термостате при заданной по условиям опыта температуре в течение 30 дней. Об эффективности биодеструкции нефти и нефтепродуктов судили по их остаточному содержанию в пробах почвы. Содержание нефти и нефтепродуктов в почве определяли методом ИК-спектро-метрии на приборе ИКН-025 после экстракции четыреххлористым углеродом 3.
Получение математической модели произведено методом планирования эксперимента. В общем виде зависимость интенсивности процесса от нескольких факторов можно представить как у = /(г/ г2, г? .., гп). Для описания этой функции использовали уравнение регрессии, ограничившись для упрощения задачи
» 2 оптимизации линейной моделью 2.
В качестве входных параметров для построения математической модели процесса использовали следующие факторы: доза внесения биомассы ила, соотношение активного ила к избыточному, концентрация в почве нефтепродуктов и температура (табл. 1).
В качестве выходного параметра (у) использовали степень бидеструкции нефти и нефтепродуктов. Для построения математической модели использовали результаты трех параллельных опытов, в результате получали четыре значения степени биодеструкции: У1> У2> Уз и уср. =(у+У2+Уз)/3. Матрица планирования эксперимента представлена в табл. 2.
Для расчета коэффициентов регрессии при линейных членах производили построение матрицы планирования эксперимента в безразмерной системе координат. Статическую оценку значимости коэффициентов регрессии производили, используя критерий Стьюдента при 5%-м уровне значимости 5. Расчеты производили с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel. После исключения незначимых коэффициентов получили уравнение регрессии:
y=32.149+0.003-z/—0.362-z2—2.184-z3+ +0.899-z4+0.006-z/-z2+0.001-z/-z4+ 0.012 -z2-z4 --0.071-z3-z4 - 0.49-z2-z3 + 0.002-z2-z3-z4
Адекватность полученного уравнения была подтверждена с использованием критерия Фишера 3.
Результаты и обсуждение
Используя полученную модель, определили, что оптимальными исходными параметрами, при которых удается достичь максимальной степени биодеструкции нефтяных загрязнений — 62.05 %, являются следующие: доза внесения биомассы ила — 50 г/кг, соотношение активный ил / избыточный ил — 10/1, концентрация нефти и нефтепродуктов — 0.5 %, температура окружающей среды — 30 оС, при этом определяющими параметрами являются температура и концентрация нефтепродуктов.
Входные параметры процесса
Входные параметры Фактор Нижний уровень Средний уровень Верхний уровень
Доза внесения биомассы ила, г/кг Z1 10 30 50
Активный ил /избыточный ил, г/г Z2 0.1/1(0.1) 5.05/1(5.05) 10/1(10)
Концентрация нефтепродуктов, % Z3 0.5 5.25 10
Температура, оС Z4 10 20 30
Таблица 1
Таблица 2
Матрица планирования для ПФЭ-24 в натуральных единицах
№ опыта Значения факторов Степень биодеструкции,%
21, г/кг 22, г/г 23, % 24, "С У1 У2 Уз Уср.
1 10 0.1 0.5 10 39.98 40.92 39.24 40.05
2 50 0.1 0.5 10 40.82 40.65 40.24 40.57
3 10 10 0.5 10 37.29 38.74 37.65 37.89
4 50 10 0.5 10 40.9 41.1 39.85 40.62
5 10 0.1 10 10 12.13 12.85 11.78 12.25
6 50 0.1 10 10 12.98 12.34 13.32 12.88
7 10 10 10 10 7.21 8.92 8.15 8.093
8 50 10 10 10 11.45 11.12 11.98 11.52
9 10 0.1 0.5 30 57.85 57.66 57.27 57.59
10 50 0.1 0.5 30 58.67 59.98 58.64 59.1
11 10 10 0.5 30 57.31 58.11 58.34 57.92
12 50 10 0.5 30 62.64 61.92 61.12 61.89
13 10 0.1 10 30 16.72 16.21 16.27 16.4
14 50 0.1 10 30 18.21 18.54 18.01 18.25
15 10 10 10 30 19.14 19.99 20.43 19.85
16 50 10 10 30 23.67 23.97 23.59 23.74
Таким образом, подтверждена возможность использования данной модели для прогнозирования степени биодеструкции нефтяных загрязнений биомассой активного и избыточного ила, при изменении параметров: доза внесения ила от 10 до 50 г/кг, соотношение активный ил/избыточный ил от 0.1/1 до 10/1, концентрации нефтепродуктов от 0.5 до 10 % мас., температуры от 10 до 30 оС. Произведен подбор параметров, при которых прогнозируется максимальная степень биодеструкции нефтяных загрязнений.
Литература
1. Ягафарова Г. Г., Акчурина Л. Р., Шахова Ф. А. // Безопасность в техносфере.— 2009.— №6.— С. 36.
2. Патент РФ № 2351410. / Ягафарова Г. Г., Акчурина Л. Р., Барахнина В. Б., Сафаров А. Х., Ягафаров И. Р. // Б. И.- 2009.- № 10.
3. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. — М.:Химия, 1971.496 с.
4. ПНДФ 16.1:2.2.22-98 «Методика измерения массовой доли нефтепродуктов в почве и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. Количественный химический анализ почв».
5. Зайцев Г.Н. Математический анализ биологических данных.— М.: Наука, 1991.— 184 с.
