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 (Yэ) результат и теоретический (Ym) результат, число действующих факторов (K), среднее экспериментальное значение (Yср).
В основе приемов подбора аппроксимирующей функции находится метод наименьших квадратов:
(2)
; (3)
. (4)
Обобщенное уравнение Yоб, анализ которого позволяет определить оптимальные параметры для повышения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков в аэротенках:
, (5)
где частные функции (Y1, Y2, Y3, …Yп), общее среднее всех учитываемых значений (Yср) 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 табл. 1.
На основе восьмифакторной матрицы планирования эксперимента был выполнен анализ моделей для алгебраического описания функций методом наименьших квадратов и проведен расчет опытных значений частных функций (табл. 2).
Расчет значений и апроксимация исследованных функций (табл. 3) позволил составить выборку на точечные графики, указывающие на закономерности изменения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков с учетом принятых в опыте факторов (рисунок).
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 |
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 |
Таблица 3
Расчет значений и аппроксимация опытной функции
|
Σ |
Расчет значений |
Аппроксимация |
||||
|
Х |
Y |
Х2 |
ХY |
b |
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 |
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)
Как видно из рисунка:
1) закономерности изменения степени очистки пластовой воды от ксенобиотиков с учетом температуры (рисунок, а: с 90,44 % до 93,08 %), концентрации активного ила (рисунок, 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 (рисунок, ж: от 89,12 % до 94,40 %) существенны, т.к. крутизна графиков (рисунок, а, в) и сотые показатели процента очистки (рисунок, 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 (рисунок, б), концентрацией активного ила (рисунок, в), концентрацией растворенного в пластовой воде кислорода (рисунок, в), БПКполн (рисунок, г), содержанием в пластовой воде углеводородов сырой нефти (рисунок, д) и количеством используемого коксуского карбонатно-сланцевого шунгита (рисунок, 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.
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 %.