Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ПЛАНИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ БИОДЕГРАДАЦИИ ЦИНКА В ПРОЦЕССЕ КОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ТБО

Амангельдинова А.К. 1 Джамалова Г.А. 2 Мусина У.Ш. 2
1 Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
2 ТОО «НДЦ AEG»
В статье описаны результаты, полученные при математическом планировании и оптимизации биодеградации цинка в процессе компостирования органических компонентов ТБО. Показано, что ТБО обогащается цинком благодаря смёту с промплощадок и городских улиц и обеспечение процесса утилизации цинка в компостируемом субстрате актуально, т.к. предлагаемое мероприятие будет способствовать санитарному «оздоровлению» компоста, производимого из ТБО. Выявлено, что почти все исследуемые факторы (исключение Х2), положительно коррелируют со степенью биодеградации цинка: чем выше их уровни, тем выше показатель степени биодеградации, так, повышение. При этом выявлено, что наиболее сильнодействующими факторами, влияющие на степень биодеградации цинка в компостируемом субстрате, являются такие факторы, как обсемененности бактерий рода Desulfobacteriaceae, температура и день компостирования.
твердые бытовые отходы
компостирование
цинк
моделирование
1. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник в 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. – М.: Экология, 1995. Кн.4. Главные d-элементы. – 416 с.
2. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / Под ред. А.П. Солодова. – М.: Недра, 1990. – 342 с.
3. Kitagishi, K. and Yamane, H. (1981) Heavy metal pollution in soils of Japan. CRC Press, Tokyo, 19–26.
4. Химия окружающей среды – Пер. с англ. / Под ред. А.П. Цыганкова. – М.: Химия, 1982. – 672 с.
5. Краснова М., Шальнов М., Шилов В.Н. и др. Полный справочник санитарного врача. – М.: Научная книга, 2013. – 233 с.
6. Сизенцов А.Н., Мисетов И.А., каримов И.Ф. Антибиотики и химиотерапевтические препараты: учебник. Оренбургский университет – Оренбург: ОГУ, 2012. – 489 с.
7. Алексеенко В.А. Цинк и кадмий в окружающей среде. – М.: Наука, 1992. – 197 с.
8. Горох Н.П. Экологическая оценка вредных веществ при комплексной утилизации муниципальных отходов // Коммунальное хозяйство городов: Научно-технический сборник. – 2005. – №63. – С. 172–181.
9. ГН 2.1.7.2041–06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.
10. Витковская С.Е. Твердые бытовые отходы: антропогенное звено биологического круговорота. – СПб.: АФИ, 2012. – 132 с.
11. 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)ю – 2016. – № 33 (59). – С.71–76.
12. 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/viewid=24633.
13. 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/viewid=21293 (дата обращения: 23.02.2018).
14. Moreau J.W., Weber P.K., Martin M.C., Gilbert B., Hutcheon Ian D., Banfield Jillian F. Extracellular Proteins Limit the Dispersal of Biogenic Nanoparticles // Science. 2007. V. 316. P. 1600–1603.

Цинк am1.wmf – это относительно распространенный (кларк 0,008), жизненно и промышленно важный, токсичный 3d-металл.

Обеспечение процесса утилизации цинка в компостируемом субстрате актуально, т.к. будет способствовать санитарному «оздоровлению» компоста, производимого из ТБО.

Наиболее типичные химические соединения Zn2+ (d10) – ZnO, ZnS, [Zn(OH)6]2+, [Zn(OH)4]2–, соли Zn2+, ZnF2, ZnCl2, множество комплексов [1].

Растворимость соединений Zn снижается от легкорастворимых ZnSO4 и ZnCl2 к труднорастворимому ZnCO3 и очень трудно растворимымZn3(PO4)2 и ZnS; осаждение Zn(OH)2 – при рН 5,2 [2].

Загрязнение почв Zn в техногенезе широко распространено, а время его полуудаления составляет 70–81 год. Качество таких загрязненных почв восстанавливается внесением извести или органического вещества [3]. Растворимость Zn повышается в кислых условиях, а также при значительном количестве низкомолекулярных органических лигандов.

Содержание Zn в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг [4]. Накопление Zn отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: ведет к изменению свойств почв, снижает биологическую деятельность, т.к. подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток Zn в почве затрудняет ферментацию разложения целюлозы, процессы дыхания [5]. Zn оказывает влияние на процесс накопления грибами органических кислот, в частности лимонной кислоты. Недостаток Zn приводит к значительному замедлению роста актиномицетов. Ионы Zn оказывают влияние на углеродный, азотный и фосфорный обмены ряда организмов и участвуют в окислительно-восстановительных процессах [6]. Цинк входит в состав РНК и участвует в его синтезе [7].

ТБО обогащается цинком благодаря смёту с промплощадок и городских улиц [8].

ПДК в почве 23,0 мг/кг [9], компосте – меньше 200 мг/кг [10].

Цель. Планирование и оптимизация биоутилизации цинка в процессе компостирования органических компонентов ТБО.

Вычисления основаны на применении данных, указанных в работах [11, 12] и основаны на методике, описанной в работе [13].

Результаты и обсуждение. В целях планирования и оптимизации в процессе биодеградации цинка при компостировании ТБО, были отобраны пять факторов.

Как видно из табл. 1, фактор Х1 учитывает уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae). Известно [14], что сульфатредуцирующие бактерии, обитая в рудных месторождениях, в глубоком почвенном слое и в глубинах океана, используют в своих реакциях ионы цинка. Именно поэтому, в целях дополнительного обогащения компостируемого субстрата сульфатредуцирующими бактериями, предполагается регулировать вторым (Х2 – добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг) фактором. Также выделены три физических фактора (Х3 – влажность, %; Х4 – температура компостируемого субстрата, оС; Х5 – день компостирования в биореакторе), которые влияют не только на процесс компостирования, но и на активность исследуемых таксонов.На основе пятифакторной матрицы планирования эксперимента был проведен расчет опытных значений частных функций (табл. 2).

Таблица 1

Область факторного пространства

Факторы

Уровни факторов

1

2

3

4

5

Х1 – Уровень разведения сульфатредуцирующих бактерий (на примере рода Desulfobacteriaceae)

2

3

4

5

6

Х2 – Добавление почвы в компостируемый субстрат, г/кг

20

60

100

140

180

Х3 – Влажность, %

30

39

48

57

66

Х4 – Температура, °С

32

39

46

53

60

Х5 – День компостирования в биореакторе

40

48

56

64

72

Таблица 2

Расчет экспериментальных значений частных функций

№ фактора

Уровень

Среднее -значение

1

2

3

4

5

Х1

93

96,4

93,4

94

96,8

94,72

Х2

96,8

94

93,4

96,4

93

Х3

93,4

96,8

94

93

96,4

Х4

96,4

94

93

96,8

93,4

Х5

94

93,4

96,8

96,4

93

Выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов. Расчет значений и апроксимация опытных функций определил выборку на точечные графики по закономерности изменения степени очистки компостируемого субстрата от цинка с учетом принятых пяти факторов (рисунок).

amn.tiff

Выборка на точечные графики: закономерности изменения степени очистки компоста от цинка с учетом обсемененности Desulfobacteriaceae (а), вводимого в компостируемый субстрат количества почвы (б), влажности (в) и температуры (г) компостируемой массы, дня компостирования (д)

Как видно из рисунка:

1) почти все исследуемые факторы (исключение Х2), положительно коррелируют со степенью биодеградации цинка: чем выше их уровни, тем выше показатель степени биодеградации, так, повышение:

– обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae со 2-го по 6-й уровень разведения приводит к повышению степени очистки компостируемого субстрата ТБО от цинка с 93,68 % до 99,16 %,

– влажности с 30 до 66 %, температуры с 30 до 60оС и дня компостирования с 40 по 72 день приводит к повышению биодеградации цинка с 94 до 95,44 %, с 94,678 до 94,762 % и c 94,52 до 94.92 % соответственно;

2) отрицательная корреляционная зависимость, как это выявлено из расчетов, характерно для фактора Х2, т.к. чем больше количество вводимой почвы в компостируемый субстрат (с 20 до 180 г/кг), тем ниже процент биодеградации цинка (с 95,75 до 93,68 %);

3) наиболее сильнодействующими факторами, влияющие на степень биодеградации цинка в компостируемом субстрате, являются такие факторы, как Х1 (обсемененности бактерий роды Desulfobacteriaceae), Х4 (температура) и Х6 (день компостирования), т.к. полученные сотые (Х1, Х4) и тысячные (Х6) показатели процента очистки свидетельствуют о высокой чувствительности процесса биодеградации цинка к этим факторам.

Анализ обобщенного уравнения (Yоб) показал, что оптимальными условиями для компостирования являются: обсемененность бактерий из рода Desulfobacteriaceae на уровне шестого разведения, количество почвенной добавки не должно превышать 20 г/кг, W 66 %, t 60oC, продолжительность компостирования 72 дня) степень очистки компостной системы от цинка может достигнуть 100 %.


Библиографическая ссылка

Амангельдинова А.К., Джамалова Г.А., Мусина У.Ш. ПЛАНИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ БИОДЕГРАДАЦИИ ЦИНКА В ПРОЦЕССЕ КОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ТБО // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 4-4.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18809 (дата обращения: 27.02.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074