Д.В.Коннов, І.С.Пашковскій, "Геолінк Консалтинг"
1. Введення
В даний час в світі існує велика практика очищення грунту і підземних вод від нафтопродуктових забруднень. Для ліквідації нафтопродуктових забруднень в даний час широко використовуються такі методи, як випаровування забруднювача в грунті, біологічна очистка, складування ґрунту з подальшим самоочищенням, екскавація забрудненого грунту з подальшим похованням або термічною обробкою. З усіх технологій ліквідації наслідків нафтопродуктового забруднення грунтів нафтопродуктами, найбільш щадить до навколишнього середовища є біоочищення на місці забруднення. Її перевагою є відносна простота технологічної реалізації установки і експлуатації, а також відносно невисокі фінансові витрати. Вона широко використовується в багатьох країнах вже протягом 29 років, успішно застосовується при очищенні грунтів від бензину, дизельного палива і інших нафтопродуктів.
Біологічне очищення є внесення в грунт бактерій, здатних розкладати нафтопродукт і виробляють речовини, що сприяють його швидкому змиванню (біогенних ПАР); речовин, необхідних для їх росту, а також інші заходи для створення для них найбільш сприятливих умов. Принцип організації системи біологічної очистки грунту на місці забруднення (in situ) представлена на рис.1.
Рис.1. Схема процесу очищення грунту від нафтопродуктів з внесенням нефтеокисляющих мікроорганізмів
В даний час в процесі біоочищення використовуються переважно аеробні бактерії. Дослідженнями показано їх здатність активно розкладати вуглеводні, визначені вимоги до умов, найбільш сприятливим з росту. Їх метаболізм детально вивчений і показано, що продукти переробки мікроорганізмами нафтопродуктів не є небезпечними для людини і навколишнього середовища.
На стадії планування і здійснення проекту біоочищення для оцінки часу очищення (а значить, і вартості робіт), а також вибору оптимальних параметрів всього технологічного процесу, доцільними представляються прогнози ходу очищення на всіх її стадіях. Для таких прогнозів широко використовують математичне моделювання.
У даній роботі пропонується модель биоразложения і масопереносу нафтопродуктів в зоні аерації, яка враховує основні процеси, що протікають при очищенні грунту. Застосовність моделі розглянута на основі польових даних та результатах лабораторних експериментів.
2. Математична модель
Розглядаються основні процеси, що відбуваються при очищенні грунту від нафтопродуктового забруднення шляхом періодичного внесення розчину біопрепарату. На основі наявних літературних та експериментальних даних були розглянуті наступні процеси - це розкладання нафтопродукту бактеріями, зростання і відмирання бактерій, вироблення бактеріями поверхнево-активних речовин, перехід нафтопродукту в емульсію, перенесення бактерій з інфільтруються водою з урахуванням їх сорбції та десорбції, перенесення емульсії нафтопродукту з інфільтруються водою.
2.1. Динаміка мікробної популяції
Розглянемо процеси, в яких беруть участь бактерії. це
а) зростання і відмирання,
б) вимивання - вертикальний перенесення з інфільтруються водою.
а) Для опису динаміки мікробної популяції використовується рівняння Моно з урахуванням відмирання клітин [1,2,3]:
де M - концентрація бактерій, # 956; m - максимальна швидкість росту бактерій, G - концентрація субстрату (нафтопродукту), Ks - константа спорідненості субстрату до мікроорганізму, # 955; - швидкість відмирання клітин.
б) Запишемо рівняння, що описує повне число бактерій в грунтової середовищі:
де - щільність грунту, Ms - число бактерій, закріплених на грунтової матриці, Mw - число бактерій, що міститься в грунтової воді, n - пористість.
Залежність числа закріплених бактерій від числа бактерій у воді описується рівнянням адсорбції [4,5]:
де - коефіцієнт адсорбції бактерій.
Кінцевий вигляд рівняння для опису концентрації бактерій у воді:
- ефективна пористість. Підсумкове рівняння для зростання, відмирання і перенесення бактерій:
2.2. Спад вільного нафтопродукту
Спад вільного нафтопродукту відбувається за рахунок розкладання бактеріями і вимивання в емульгованому вигляді. Біорозпад може бути описано рівнянням Моно [1,2,6,7,8], а вимивання - рівнянням конвективного переносу, їх комбінація описує повну спад нафтопродукту:
де q - коефіцієнт пропорційності, що зв'язує кількість утворилися клітин з поглинутим субстратом, С - концентрація емульсованого нафтопродукту в грунтової воді.
2.3. БіоПАВ
У більшості випадків можна вважати, що бактерії виробляють поверхнево-активні речовини одночасно з розкладанням нафтових вуглеводнів [9,10], тобто деяка частина вуглеводнів використовується для вироблення ПАР.
Виробництво бактеріями ПАР теж можна описати рівнянням типу Моно:
де S - концентрація БіоПАВ, qs - коефіцієнт пропорційності, що зв'язує кількість утвореного ПАР з поглинутим субстратом, тобто біоПАВ є одним з продуктів розкладання нафтопродукту.
Витрата БіоПАВ на емульгування може бути описано, як реакція ПАР з нафтопродуктом:
де - число молекул ПАР, утворюють міцели. Швидкість цієї реакції буде складатися з швидкостей освіти міцели ПАР і швидкості включення в цю міцелу молекули вуглеводню. Можна вважати [11], що швидкість витрати ПАР буде пропорційно його концентрації і концентрації нафтопродукту:
де k - константа взаємодії ПАР і нафтопродукту.
З використанням рівнянь (7) і (9) отримуємо підсумкове рівняння, що описує зміну концентрації БіоПАВ:
В принципі, при емульгуванні нафтопродукту відразу після вироблення ПАР, концентрація вільних ПАР повинна завжди дорівнювати 0.
2.4. емульгований нафтопродукт
Для опису концентрації емульсованого нафтопродукту в грунтової воді, виходячи з рівнянь (7) і (8) і з урахуванням виносу з інфільтруються водою, отримуємо:
2.5. Підсумкова система рівнянь
Рівняння (5), (6) і (11) утворюють систему, що описує зміну концентрації бактерій, вільного і емульгованих нафтопродукту в грунтової середовищі:
За допомогою чисельної моделі, розробленої на основі цієї системи рівнянь, можна розрахувати такі інтегральні величини, як концентрацію нафтопродукту і нефтеокисляющих бактерій в товщі грунту на заданий розрахунковий період, концентрацію нафтопродукту, вимивається із забрудненого шару грунту, а також зміна концентрації вільного нафтопродукту в залежності від глибини, його вертикальний перенесення в грунті і розподіл бактерій в товщі грунту на заданий момент часу.
Початковими умовами є початковий розподіл вільного нафтопродукту, емульгованих нафтопродукту і бактерій. Граничним умовою є концентрація бактерій в подається розчині.
Константи, необхідні для розрахунку, можуть бути визначені за даними лабораторних модельних експериментів, для грубої оцінки можна використовувати наявні літературні дані.
3. Приклад розрахунку
На рис.2 і 3 наведені результати моделювання очищення, здійснюваної шляхом промивання розчином біопрепарату товщі забрудненого нафтопродуктом грунту. Дане моделювання було проведено для реального процесу очищення грунту, забрудненого в результаті розливу нафтопродукту [12,13]. Об'єктом очищення був верхній шар грунту товщиною 5 м, забрудненого бензином, середня концентрація якого становила 0.005 г / г грунту.
Рис.2. Середня концентрація нафтопродукту в шарі грунту (г / г)
Рис.3. Концентрація емульсованого нафтопродукту, що потрапляє в підземні води (мг / л)
Рис.4. Зміна концентрації нафтопродукту в шарі грунту в ході очищення
Рис.5. Зміна концентрації бактерій в шарі грунту в ході очищення (кл / г)
Рис.6. Дані розрахунку по моделі і спостережувані значення концентрації нафтопродукту (1 рік очищення)
Порівняння результату прогнозного розрахунку убутку нафтопродукту через рік очищення з даними польових спостережень показало хороший збіг (рис.6).
Дана модель була також перевірена і параметризрвані в ході серії лабораторних експериментів, проведених у співпраці з лабораторією нафтової мікробіології РАН.
висновок
Розроблено математичну модель, що дозволяє визначати спад нафтопродукту на заданий розрахунковий період, зміна його концентрації в залежності від глибини, зміна концентрації бактерій в часі, їх розподіл в товщі грунту, концентрацію нафтопродукту, вимивається із забрудненого шару грунту, його вертикальний перенесення в грунті.
Розраховані за цією моделлю, з використанням даних лабораторних експериментів концентрації нафтопродуктів і бактерій добре збігаються з спостерігаються в реальних умовах при застосуванні методу біологічного очищення.