X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Вопрос утилизации ртути в компостируемой массе органических отходов актуален вследствие того, что, во-первых, он относится к веществам первого класса опасности (ТБО обогащается ртутью за счет ртутьсодержащих приборов: ртутные лампы, термометры, элементы питания) [1], во-вторых, миграционно активен в окружающей среде и, в-третьих, в процессе компостирования органических отходов, он «стремится» зафиксироваться в виде стойких ртутьорганических соединений [2].

В окружающей среде, как отмечено в работе UllrichS.M. (2001) [3], ртуть может существовать преимущественно в виде нескольких взаимопревращающихся друг в друга химических форм: элементарной ртути (Hg(0), Hg(I), Hg(II)), двухвалентных неорганических солей и комплексов, и органических соединений метилртути и диметилртути.

Цель. Планирование и оптимизация биоутилизации ртути при компостировании ТБО.

Работа основана на обработке данных, указанных в работах [4, 5] и основана на методике, описанной в работе [6]

При математическом планировании и оптимизации процессов биоутилизации ртути при аэробном биоразложении органических компонентов ТБО были приняты для исследования шесть факторов.

Согласно данным, полученным Ермаковым (2010) [7] установлено, что такие факторы, как высокое содержание органических веществ (с преобладанием гуминовых кислот), восстановительная среда (дефицит кислорода), низкое содержание сульфидов и железа, нейтральная или слабокислая среда способствуют процессам алкилирования ртути а на биодоступность ртути [8, 9] влияют такие экологические факторы, как температура, pH, окислительно-восстановительный потенциал, доступность питательных веществ и акцепторов электронов, присутствие лигандов и адсорбирующих поверхностей.

Устойчивость бактерий к тяжелым металлам кодируется генами, чаще всего сосредоточенными в плазмидах, реже - в транспозонах и меньше всего - в хромосомах. Детально изучена и описана у бактерий структура и экспрессия генетических детерминант, обеспечивающих устойчивость к ртути. Acinetobactersp., Serratiamarcescens, Pseudomonasputrefaciens, P. stutzeri, Shigellasp. проявляли Hg-резистентность, обусловленную присутствием различных плазмид. Бактерии Pseudomonasaeruginosa характеризовались механизмом устойчивости, связанным с присутствием транспозонаТп501 ~ у Thiobacillus ferrooxidans и Bacillussp. гены Hg-резистентности выявлены в хромосомах [10].

Исходя из вышеизложенного, отобранные для исследования математическим методом факторы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Область факторного пространства

Факторы	Уровни факторов
	1	2	3	4	5
Х1– Thiobacillus ferrooxidans, КОЕ/г	1	2	3	4	5
Х2–Добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг	20	60	100	140	180
Х3–Влажность, %	30	39	48	57	66
Х4–Температура, 0С	32	39	46	53	60
Х5 – Содержание органических компонентов в ТБО, %	50	55	60	65	70
Х6 – День биоутилизации	40	60	80	100	120

На основе шестифакторной матрицы планирования эксперимента был проведен расчет опытных значений частных функций (таблица 2).

Таблица 2 - Расчет экспериментальных значений частных функций

№ фактора	Уровень						Среднее значение
	1	2	3	4	5
Х1	88,2	82,2	88	86,8	91	87,24 %
Х2	91,2	88,4	82	85,2	89,4
Х3	85,6	90,6	86	84,6	89,4
Х4	89,2	87,2	93,2	85,8	80,8
Х5	86,4	88,2	86,2	86	89,4
Х6	82,4	91,8	87	89,4	85,6

Выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов. Расчет значений и апроксимация исследованных функций позволил составить выборку на точечные графики, указывающие на закономерности изменения степени очистки компостируемого субстрата от ртути с учетом принятых факторов (рисунок 1).

а	б
в	г
д	е

Рисунок 1 - Выборка на точечные графики: закономерности изменения степени очистки компоста от ртути с учетом обсемененности Thiobacillusferrooxidans (а), вводимого в компостируемый субстрат количества почвы (б), влажности (в), температуры (г), содержания органических компонентов (д), дня компостирования (е)

Как видно из рисунка 1:

- повышение обсемененности Thiobacillus ferrooxidans с первого по пятый уровень разведения приводит к повышению степени очистки компостируемого субстрата ТБО с 82,5 % до 89,28 % (следует обратить внимание, что изменения по проценту очистки компостируемого субстрата ТБО от ртути существенны, т.к. разница составляет 6,78 %),

- повышение дозы вводимого в компостируемый субстрат почвы приводит к снижению степени очистки субстрата от ртути: при введении 20 г/кг степень очистки составляет 88,6 %, тогда как при введении 180 г/кг – всего 85,88 %;

- с повышением влажности компостируемого субстрата с 30 до 66 %, повышается и степень очистки субстрата от ртути с 86,95 до 87,56 % (полученные сотые показатели процента очистки свидетельствуют о высокой чувствительности),

- повышение температуры с 32 до 60 ⁰С сопровождается для компостируемого субстрата понижением степени очистки субстрата от ртути от 90,88 до 83,6 % (ртуть легко испаряется при низкой температуре, а при высоких – образует стойкие органические соединения, которые представляют опасность для природной среды из-за высокой токсичности [11]),

- с увеличением в составе компостируемого субстрата органических веществ с 50 до 70 %, повышается и степень очистки субстрата от ртути с 86,48 до 88 %,

- высокий процент утилизация ртути положительно коррелирует с продолжительностью компостирования, т.е. чем дольше протекает процесс компостирования (с 40-го дня по 120-й день), тем выше процент очистки с 86,44 до 88,04 %.

Анализ обобщенного уравнения показал, что при оптимальных условиях компостирования и при заданных технологических параметрах (обсемененность Thiobacillus ferrooxidans на пятом уровне разведения, добавление почвы в субстрат в количестве 20 г/кг, влажность 66 %, температура 32 ⁰С, содержание органического компонента в ТБО 70 %, продолжительность компостирования 120 дней) степень очистки компостной системы от ртути составит 96,51 %.

Выводы:

1. Методом моделирования на основе множественной корреляции изучено влияние независимых переменных на степень очистки компоста от ртути в процессе аэробного биоразложения органических компонентов ТБО.

2. Установлено, что наиболее сильнодействующими факторами являются обсемененность Thiobacillus ferrooxidans, влажность и продолжительность компостирования.

3. Наибольший процент очистки компоста от ртути происходит при заданных изменениях исследуемых факторов в пределах 86,48 – 90,88 %.

Литература

1. Водяницкий Ю.Н. Нормативы содержания тяжелых металлов и металлоидов в почвах // Почвоведение, 2012, № 3, с. 368–375.

2. Виноградов В.Н., Милков Г.В., Лашков Б.П. Пары ртути в помещениях. - СПб, 1991. - 14 с.

3. Ullrich S.M., Tantona T.W., Abdrashitova S.A. Mercury in the Aquatic Environment: A Review of Factors Affecting Methylation / Critical Reviews in Environmental Science and Technology, Volume 31, Issue 3, 2001.

4. Гарабаджиу А.В., Джамалова Г.А., Свирко Е.А., Джолдыбаева С.М. Изменчивость ксенобиотической активности и микробиоценоза в компостируемом композите «твердые бытовые отходы + почва» // Известия СПбГТИ(ТУ), № 33 (59), СПб- 2016.С.71-76.

5. Гарабаджиу А.В., Джамалова Г.А., Джолдыбаева С.М., Свирко Е.А. Изменчивость ксенобиотиче-ской активности и микробио-ценоза в компостируемом композите «твердые бытовые отходы» // Современные проблемы науки и образования. – 2016. – № 3.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=24633.

6. Джамалова Г.А. Математическое планирование выхода продуктов биоразложения твердых бытовых отходов в зависимости от протокола загрузки биореактора // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21293 (дата обращения: 23.02.2018).

7. Ермаков В.В. Биогенная миграция и детоксикация ртути / В сборнике: Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты. Материалы Международного симпозиума (Москва, 7-9 сентября 2010 г.). – М.: ГЕО-ХИ РАН, 2010. – С. 10/

8. Luengen A., Fisher N.S., Bergamaschi B.A. Dissolved organic matter reduces algal accumulation of methylmercury / Environmental Toxicology and Chemistry, Volume 31, Issue 8, August 2012, pp. 1712–1719.

9. Zheng W., Liang L., Gu B. Mercury Reduction and Oxidation by Reduced Natural Organic Matter in Anoxic Environments / Environ. Sci. Technol., 2012, 46 (1), pp 292–299.

10. Cervantes C, Silver S. Metal resistances in Pseudomonads: Genes and Mechanisms // Molecular Biology of Pseudomonads Ed. by T.Nakazawaet. al. Washington: ASM Press, 1996. P. 398-415.

11. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. 13 Тяжелые металлы как супертоксиканты ХХI века: Учеб. пособие. -М.: Изд-во РУДН, 2002. - 140 с.

Код для цитирования: Скопировать