Гидравлическое обоснование использования биосорбента для очистки акваторий от загрязнений

Актуальность темы

При сложившейся экономической ситуации в России нефтегазовая промышленность является одним из основополагающих ресурсов экономического роста и развития. Основное число ресурсонесущих регионов располагается на значительных расстояниях от потребителя. Одним из необходимых условий эффективного использования этих ресурсов является интенсивный режим их транспортировки до мест переработки и непосредственного потребления. В то же время транспортная отрасль претерпевает ряд негативных изменений, касающихся устаревания и изношенности парка. Результатом этого является множество аварий, связанных с разливом нефти и нефтепродуктов. Широкая распространенность утечки нефтепродуктов в водную среду и их высокая токсичность представляют особую опасность для хозяйственного водопотребления, нормального функционирования водных биоценозов и общего состояния водной окружающей среды. Существующие способы ликвидации нефтяных загрязнений акватории имеют широкий спектр по методу действия и качеству сбора нефти. С целью локализации возможных зон разлива, ограждения отдельных районов и предотвращения растекания и перемещения плавающей нефти широко применяются различные типы боновых заграждений. Применяя их в качестве заградительного средства в первые часы после нефтяного разлива, возможно собрать толстые пленки нефти с последующим восстановлением бонов и утилизацией нефтепродукта. Для вспомогательных операций по ликвидации разливов часто используют легкие боны абсорбирующего типа, состоящие из полиэтиленовой сетки, заполненной синтетическим сорбентом. Однако боновым заграждениям присущ ряд недостатков, иногда сильно ограничивающих их применение при эксплуатации, в частности: эффективны только при малых скоростях течения и ветра;

• эффективны при большой толщине нефтяной пленки;

• несут значительные эксплуатационные затраты.

Одновременно с боновыми заграждениями используют плавучие механические средства сбора для очистки акватории. Но с увеличением площади нефтяного пятна его толщина уменьшается и при достижении толщины пленки 0,1 мм использование механических средств сбора нецелесообразно. Такая пленка не подлежит утилизации, возможно только ее уничтожение.

Среди способов ликвидации нефтяных пленок на воде одним из перспективных, экологичных и интенсивно развивающихся в настоящее время является их обработка нефтеокисляющими биосорбентами, представляющими собой сообщество штаммов микроорганизмов-биодеструкторов, покрытых питательной специальной оболочкой и закрепленных на носителях, придающих биосорбенту повышенные флотационные свойства. На данный момент химизм процесса биодеструкции (разрушения с помощью микрофлоры) нефтепродуктов в водной среде частицами биосорбента изучен относительно хорошо, однако нет никаких данных по влиянию гидродинамических параметров водной среды на этот процесс, и как следствие этого невозможна выработка методики эффективного применения биосорбентов при различных состояниях окружающей водной среды.

Технология изготовления биосорбента для нефтеудаления в настоящее время состоит в следующем: на инертный носитель, обеспечивающий плавучесть, закрепляются агрегаты активной микрофлоры. В результате микрофлора, находясь на свободной поверхности, удаляет нефтяную пленку. При этом требуемое количество микрофлоры зависит от того количества нефтепродукта, которое должно быть удалено. Одним из недостатков существующей технологии использования биосорбента является значительное количество инертного носителя, изготовленного из полимерных материалов, остающегося на поверхности акватории и представляющего опасность для морской фауны.

Предварительные эксперименты, проведенные с неприсоединенной к носителю микрофлорой, показали, что возможна более экономичная технология использования биосорбентов. Основным фактором этой технологии является то, что частицы активной микрофлоры, поглотившие нефть, приобретают отрицательную плавучесть и тонут. В процессе переработки нефтепродукта на поверхности частицы образуется пузырек СОг, которой увеличивается в размере и обеспечивает тем самым положительную плавучесть частицы «биосорбент+пузырек СОг». В результате частица всплывает на поверхность, причем ее биохимический потенциал оказывается далеко не исчерпан. На свободной поверхности частица вновь насыщается нефтью и цикл «осаждения/всплытия» повторяется несколько раз либо до полной биодеструкции нефтепродукта на поверхности воды, либо до полной деградации частицы микрофлоры. Такое поведение биосорбента в водной среде инициировало постановку задачи об использовании гидравлических характеристик процесса осаждения/всплытия для экономичного использования биосорбента за счет многократного его взаимодействия с нефтяной пленкой.

Движение частиц биосорбента, зависящее от состояния водной среды, после их взаимодействия с нефтяной пленкой отражается на конечном результате их деятельности-времени биодеструкции нефтяного загрязнения. Состояние водной среды характеризуется рядом факторов: метеорологической обстановкой водного бассейна, соленостью и температурой воды, наличием и скоростью течений и т. д. Для развития технологии эффективного применения биосорбентов при ликвидации нефтяных загрязнений необходимо провести оценку факторов, влияющих на эффективность действия частиц биосорбента в водной среде в процессе биодеструкции нефтяной пленки.

Перспективность и экологическая целесообразность использования активных примесей, в частности биосорбентов, была отмечена проф. А. И. Альхименко. Он оценил предложение соискателя по усовершенствованию технологии сбора загрязняющих веществ с поверхности водоема с помощью таких примесей. На кафедре МВТС СПбГПУ под руководством А. И. Альхименко соискателем была создана экспериментальная установка и разработана методика исследования гидравлических характеристик активной примеси.

Цель исследованияметодика эффективного использования биосорбента, базирующаяся на учете гидравлических характеристиках взаимодействия биосорбента с водной средой в процессе удаления нефтепродуктов с поверхности акватории и их биодеструкции.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи.

• Экспериментальное изучение влияния на время и глубину осаждения/всплытия биосорбента в процессе переработки нефтепродуктов микроорганизмами следующих факторов: фракционного состава биосорбентавремени намокания биосорбентатемпературно-соленосного режима водной средыскорости естественного разрушения (деградации) биосорбента;

• Стохастизация процесса осаждения/всплытия частиц биосорбента, формулировка математической модели и системы дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс.

• Анализ результатов численного решения системы дифференциальных уравнений с целью определения значимости основных факторов, влияющих на процесс биодеструкции.

• Разработка практических рекомендаций по экономичному использованию биосорбента в условиях конкретной акватории.

Объект исследования.

В качестве объекта исследований был выбран биосорбент, не закрепленный на носителе и содержащий штаммы микроорганизмов-биодеструкторов нефти: Candida, Fusarium sp., Rhodococcus, Pseudomonas, Bacillus и др. Как показали теоретические исследования, эти штаммы, в качестве основополагающих, используются в большинстве видов биосорбентов для деструкции нефтяных пленок на воде.

Методика исследования. Основной задачей при планировании экспериментального исследования был учет различных вариантов сочетания основных характеристик окружающей биосорбент водной среды, влияющих на его поведение в процессе взаимодействия с нефтяной пленкой. Поэтому за основу были взяты такие характеристики среды, как соленость и температура воды, наличие турбулентности в водной среде, а также фракционный состав исследуемого материала.

Результаты экспериментального исследования были обработаны с помощью стандартных приемов статистического анализа.

Верификация численной модели, описывающей движение частиц биосорбента в турбулентном потоке, проводилась на основе материалов, полученных в ходе экспериментального исследования.

При численном моделировании процесса биодеструкции в модели использовались экспериментальные данные по осаждению/всплытию частиц в покоящейся воде. Численное решение дифференциальных уравнений выполнялось с помощью устойчивых конечно-разностных схем.

Экспериментальные исследования и численное моделирование проводилось в лаборатории МВТС СПбГПУ г. Санкт-Петербург и Laboratory of Hydraulic Research, Division of Engineering and Policy for Cold Regional Environment, Hokkaido University, Япония.

Научная новизна работы заключается в:

• предложении использовать незакрепленный на носителе биосорбент;

• предложении использования гидравлические характеристики процесса осаждения/всплытия биосорбента при его взаимодействии с нефтяной пленкой в целях его экономичного расходаэкспериментальном определении зависимости гидравлических характеристик биосорбента от солености и температуры воды;

• стохастизации процесса движения биосорбента в водной среде и формулировка его математической модели;

• установлении обобщенных зависимостей времени биодеструкции от характеристик водной среды и разработке методики расчета дефицитной загрузки биосорбента.

Практическая ценность заключается в предложении новой технологии эффективного использования биосорбента для сбора нефтяных разливов на воде. Данная технология может найти применение при разработке нефтетранспортными предприятиями планов ликвидации аварийных разливов нефти, а также при прогнозировании аварий и варианте их ликвидации структурами МЧС. Ценными с практической точки зрения представляются результаты эксперимента по выявлению влияния температурного и соленосного режимов водной среды на скорость движения биосорбента, как основных факторов, влияющих на эффективность биодеструкции нефтяной пленки.

Реализация результатов работы. Разработанная технология эффективного применения биосорбентов для удаления нефтяных загрязнений с поверхности акваторий, а также рекомендации диссертации могут быть учтены при производстве нефтеокисляющих биосорбентов и при прогнозировании ликвидации аварийных разливов нефти.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на конференции «Молодые ученыепромышленности северо-западного региона-2005», «Экобалтика 2006», «Молодые ученые — промышленности северо-западного региона-2006», а также на международных семинарах, проводимых в International Science and Technology Center (ISCT)-2006 (Япония).

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 7 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 100 страницах текста, содержит 3 таблицы, 26 рисунков, 6 приложений, библиография включает 55 наименований.

V.Основные результаты и выводы.

• Предложено использовать активные частицы биосорбента, не закрепленных на носителе. Получено подтверждение существования многократного цикла осаждения/всплытия и повторного насыщения нефтью на свободной поверхности не закрепленных на носителе частиц биосорбента.

• Экспериментально исследованы зависимости глубины и времени осаждения/всплытия от: о температурно-соленосного режима водной средыо фракционного состава биосорбента, которые явились основой для формулировки стохастической модели процесса биодеструкции.

• Адаптирована модель диффузии с конечной скоростью для математического описания процесса биодеструкции с учетом осаждения/всплытия частиц биосорбента.

• Результаты численного решения системы дифференциальных уравнений модели ДКС позволили установить время удаления нефтяной пленки с поверхности воды в зависимости от дефицита загрузки для различных сочетаний собственных гидравлических характеристик биосорбента, турбулентности окружающей водной среды и состояния донной поверхности.

• Для практических расчетов рекомендуется связь между временем полной биодеструкции и дефицитной загрузкой для различных фракций частиц биосорбента и температурно-соленосных режимов.

• Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что предложение использовать не закрепленный на носителе биосорбент и эффект многократного цикла осаждения/всплытия его активных частиц в процессе биодеструкции нефтяной пленки может обеспечить существенную экономию биосорбента.