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 табл. 1.
На основе шестифакторной матрицы планирования эксперимента был проведен расчет опытных значений частных функций (табл. 2).
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).
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, °С |
32 |
39 |
46 |
53 |
60 |
|
Х5 – Содержание органических компонентов в ТБО, % |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
|
Х6 – День биоутилизации |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
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 |
|
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:
– 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°С 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°С, 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 %.