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

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 повторностях 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
		t кип, °С	Агрегатное состояние
1	Стирол	145	жидкое
2	Изопрен	34,059	жидкое
3	Изопентан	28°C	жидкое

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

№ п/п	Наименование загрязняющего вещества	Начальная концентрация С озв , мг/л					Концентрация активного ила в модельном растворе, САИ, г/л	Температура модельного раствора, ° C
		1вар	2вар.	3вар.	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)

№ п/п	Наименование загрязняющего вещества	Концентрация активного ила во всех вариантах модельного раствора, САИ, г/л				Начальная концентрация С03В, мг/л
		1вар	2вар.	3вар.	4вар.
1	стирол	2,5	3,5	4,5	5,5	300
2	изопрен					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

Рис. 2. Перемешивающее устройство с установленными колбами Эрленмейера, содержащими модельный раствор

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 хроматографировали (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 метиленовой 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

б)

В)

Рис. 3. Зависимость удельной концентрации загрязняющих веществ от времени. Начальные концентрации ЗВ: а) С_0ст = 200 мг/л; б) С_0изопр = 100 мг/л; в) С_{0изопен} = 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:

Y = 5.72-0.0383X1 + 0.1X2 + 0.0384X3-1.18С,

где Y – удельная скорость биодеградации сме-   4.

си загрязняющих веществ:

X₁ – концентрация стирола в газовом потоке;

X₂ – концентрация изопрена в газовом потоке;  ^5.

X₃ – концентрация изопентана в газовом потоке;

С – концентрация суспензии активного ила.

На основании полученного уравнения были определена оптимальная концентрация активного ила, равная 2,5 мг/л, при которой обеспечивается максимальная скорость биодеградации 7. 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 при-   8.

оритетных 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.