X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Нефть на сегодня занимает ключевую роль не только в развитии техногенеза, но и в загрязнении окружающей среды вследствие разливов нефти в водный бассейн и невосполнимого урона биоразнообразию.

Вода, как стабильный спутник нефти, перемещаясь по пластам и «обогащаясь» углеводородами нефти и другими неорганическими соединениями (тяжелыми металлами) также становится потенциальным загрязнителем природной среды [1].

Объект исследования: пластовая вода месторождения Кенлык, Казахстан.

Цель исследования: математическое планирование и оптимизация процесса очистки пластовой воды от ксенобиотиков.

Методика исследования. В основе технологии очистки пластовой воды от ксенобиотиков стоит многофакторная зависимость, планирование которого позволяет найти эмпирическую зависимость, которая описывает влияние исследуемых факторов на конечный результат, в нашем случае – на степень очистки пластовой воды от ксенобиотиков в аэротенках в заданных условиях.

Метод планирования эксперимента на основе нелинейной множественной корреляции [2-4]:

(1)

где: число описываемых точек (N), экспериментальный (У_э) результат и теоретический (У_m) результат, число действующих факторов (K), среднее экспериментальное значение (У_ср).

В основе приемов подбора аппроксимирующей функции находится метод наименьших квадратов:

(2)

(3)

(4)

Обобщенное уравнение У_об, анализ которого позволяет определить оптимальные параметры для повышения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков в аэротенках:

(5)

где: частные функции (У₁, У₂, У₃, …У_п), общее среднее всех учитываемых значений (У_ср) обобщенной функции.

Результаты и обсуждение. Отобранные для исследования математическим методом факторы (Х₁– температура, ^оС; Х₂– рН; Х₃– концентрация активного ила, г/л; Х₄–концентрация растворенного в пластовой воде кислорода, мг/л; Х₅ – БПКполн, мг/л; Х₆ –содержание углеводородов сырой нефти, г/л; Х₇ – количество используемого биоактиватора (КСКШ), г/л; Х₈ – время нахождения пластовой воды в биореакторе, час) приведены в таблице 15.

Таблица 1. Область факторного пространства

Факторы	Уровни факторов
	1	2	3	4	5
Х1– Температура, оС	10	14	18	22	26
Х2– рН	6	6,5	7	7,5	8
Х3– Концентрация активного ила, г/л	0,3	0,6	0,9	1,2	1,5
Х4–Концентрация растворенного в пластовой воде кислорода, мг/л	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5
Х5 – БПКполн, мг/л	150	160	170	180	190
Х6 –Содержание углеводородов сырой нефти, г/л	25	30	35	40	45
Х7 – Количество используемого биоактиватора (КСКШ), г/л	5	25	50	75	100
Х8 – Время нахождения пластовой воды в биореакторе, час	24	36	48	60	72

На основе восьми-факторной матрицы планирования эксперимента был выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов и проведен расчет опытных значений частных функций (таблица 2).

Таблица 2. Расчет опытных значений частных функций

№ фактора	Уровень						Среднее значение, %
	1	2	3	4	5
Х1	94,6	87,2	89,4	92,2	95,4	91,76
Х2	91,4	94,4	89,6	91	92,4	91,76
Х3	91,6	95,6	94,2	89,8	87,6	91,76
Х4	90	92	95,8	92	89	91,76
Х5	92	91,8	89,4	95,6	90	91,76
Х6	90,6	95	93	87,6	92,6	91,76
Х7	92,6	90,6	95	93	87,6	91,76
Х8	87,6	92,6	90,6	95	93	91,76

Расчет значений и апроксимация исследованных функций (таблица 3) позволил составить выборку на точечные графики, указывающие на закономерности изменения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков с учетом принятых в опыте факторов (рисунок 1).

Таблица 3. Расчет значений и аппроксимация опытной функции

Σ	Расчет значений				Апроксимация
	Х	Y	Х2	ХY		a
Х1	90	458,8	1780	8284,8	0,165	88,79
Х2	35	458,8	247,5	3210,9	- 0,28	93,72
Х3	4,5	458,8	4,95	408,78	- 4,6	95,9
Х4	7,5	458,8	13,75	687,2	- 0,41	92,375
Х5	850	458,8	145500	77994	-0,002	92,1
Х6	175	458,8	6375	16041	- 0,068	94,14
Х7	255	458,8	18775	23213	- 0,04	93,8
Х8	240	458,8	12960	22180,8	0,11	86,48

Как видно из рисунка 1:

1) закономерности изменения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков с учетом температуры (рис.1, а: с 90,44 % до 93,08 %), концентрации активного ила (рис.1, в: с 94,52 % до 89 %), концентрации растворенного в пластовой воде кислорода (рис.1, г: от 92,17 до 91,35) и используемого количества биоактиватора (рис.1, ж: от 89,12 % до 94,40 %) существенны, т.к. крутизна графиков (рис.1, а, в) и сотые показатели процента очистки (рис.1, г, ж) свидетельствуют о высокой чувствительности степени очистки ксенобиотиков от учитываемых факторов;

2) высокий процент утилизации ксенобиотиков:

- положительно коррелирует с температурой и временем нахождения пластовой воды в биореакторе, т.е. аэротенке: от 90,44 до 93,08 %, от 89,12 до 94,40 % соответственно,

- отрицательно коррелирует с рН (рис.1, б), концентрацией активного ила (рис.1, в), концентрацией растворенного в пластовой воде кислорода (рис.1, в), БПКполн (рис.1, г), содержанием в пластовой воде углеводородов сырой нефти (рис.1, д) и количеством используемого коксуского карбонатно-сланцевого шунгита (рис.1, ж), т.к. чем выше их показатели, тем ниже степень очистки: с 92,04 до 91,48 %, с 94,52 до 89 %, с 92,17 до 91,35 %, с 91,8 до 91,72 %, с 92,44 до 91,08 % и с 93,6 % до 89,8 % соответственно.

а)	б)
в)	г)
д)	е)
ж)	з)

Рисунок 36 - Выборка на точечные графики: закономерности изменения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков с учетом температуры (а), рН (б), концентрации активного ила (в), концентрации растворенного в пластовой воде кислорода (г), БПКполн (д), содержания углеводородов сырой нефти (е), используемого количества биоактиватора (ж), времени нахождения пластовой воды в биореакторе (з)

Анализ обобщенного уравнения показал, что при оптимальных условиях процесса биоремедиации пластовой воды и при заданных технологических параметрах (температура, 26 ^оС; рН 6; концентрация активного ила, 0,3 г/л; концентрация растворенного в пластовой воде кислорода, 0,5 мг/л; БПКполн, 150 мг/л; содержание углеводородов сырой нефти, 25 г/л; количество используемого биоактиватора (КСКШ), 5 г/л; время нахождения пластовой воды в биореакторе, 72 ч) степень очистки пластовой воды от ксенобиотиков можно довести до 100 %.

Выводы:

1. Методом моделирования на основе множественной корреляции изучено влияние независимых переменных на степень очистки пластовой воды от ксенобиотиков в процессе аэробной биоремедиации.

2. Установлено, что наиболее сильнодействующими факторами для очистки пластовой воды от ксенобиотиков являются температура, рН, концентрации активного ила и растворенного кислорода, продолжительность интенсифицированной технологии биоремедиации в биореакторе.

3. Наибольший процент очистки пластовой воды от ксенобиотиков происходит при заданных изменениях исследуемых факторов в пределах 92,04 – 94,52 %.

Список литературы:

1. Turkayeva A., Jamalova G., Mussina U., Oshakbayev M., Timma L., Pubule Je., Blumberga D. Chemical and Microbiological Nature of Produced Water Treatment Biotechnology//International Scientific Conference “Environmental and Climate Technologies”, CONECT 2016, 12-14 October 2016, Riga, Latvia. Energy Procedia 113, P. 116-120. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article (дата обращения: 17.02.2018).

2. Казова Р.А. Моделирование обезвреживания техногенных материалов // Материалы XI международной научно-технической конференции «Новое в безопасности жизнедеятельности. Экология». Алматы: КазНТУ имени К.И.Сатпаева. 2008. – С.56 – 59.

3. Малышев В.П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента. Алма-Ата: Наука, 1977. – 35 с.

4. Джамалова Г.А. Математическое планирова-ние выхода продуктов био-разложения твердых бытовых отходов в зависимости от про-токола загрузки биореактора. Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4; URL: http://www.science-education.ru/127-21293 (дата публикации и обраще-ния: 17.02.2018).

Код для цитирования: Скопировать