Гидравлическое обоснование использования биосорбента для очистки акваторий от загрязнений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.16, кандидат технических наук Маркелова, Елена Александровна

• Маркелова, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Маркелова, Елена Александровна

I. Общая часть.

1.1 Источники поступления нефти в водную среду и борьба с последствиями нефтяных загрязнений.

1.2 Анализ нефтесборного оборудования и его применения.

1.2.1. Боны.

1.2.2. Скиммеры.

1.2.3. Диспергенты.

1.3 Применение биосорбентов для ликвидации нефтяных загрязнений на воде

1.3.1. Состав, форма, вид и происхождение современных биосорбентов.

1.3.2. Способы производства и применения биосорбентов.

1.4 Обзор методов моделирования движения частиц в водной среде.

1.4.1. Осаждение одиночной частицы покоящейся жидкости.

1.4.2. Движение взвешенной частицы в турбулентном потоке.

Выводы и постановка задачи.

II. Экспериментальная часть. Физический эксперимент.

2.1 Изучение движения биосорбента в водной среде.

2.2 Установка для проведения физических экспериментальных исследований.

2.3 Подготовка исследуемых материалов к эксперименту.

2.3.1. Подготовка нефтепродуктов.

2.3.2. Подготовка биосорбента.

2.3.3. Точность измерений.

2.4 Анализ экспериментальных данных.

2.5 Схемы намокания биосорбента в нефти.

Выводы из результатов физических экспериментов.

III. Теоретическая часть.

3.1 Общие положения о моделировании процесса движения биосорбента. .'.

3.1.1. Модель ДКС для частиц биосорбента.

3.1.2. Вывод уравнений ДКС.

3.1.3. Задача Коши для системы уравнений ДКС.

3.1.4. Представление расчетных уравнений в безразмерном виде.

3.2 Численное моделирование процесса биодеструкции нефти.

Выводы по теоретической части.

IV. Численный эксперимент.

4.1 Описание результатов решения задачи биодеструкции нефти методом численного моделирования.

4.1.1. Распределение частиц биосорбента в объеме в процессе биодеструкции нефти.

4.1.2. Влияние турбулентности на процесс биодеструкции нефти.

4.2 Влияние дефицита загрузки на время биодеструкции нефтяного пятна.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидравлическое обоснование использования биосорбента для очистки акваторий от загрязнений»

Актуальность темы. При сложившейся экономической ситуации в России нефтегазовая промышленность является одним из основополагающих ресурсов экономического роста и развития. Основное число ресурсонесущих регионов располагается на значительных расстояниях от потребителя. Одним из необходимых условий эффективного использования этих ресурсов является интенсивный режим их транспортировки до мест переработки и непосредственного потребления. В то же время транспортная отрасль претерпевает ряд негативных изменений, касающихся устаревания и изношенности парка. Результатом этого является множество аварий, связанных с разливом нефти и нефтепродуктов. Широкая распространенность утечки нефтепродуктов в водную среду и их высокая токсичность представляют особую опасность для хозяйственного водопотребления, нормального функционирования водных биоценозов и общего состояния водной окружающей среды. Существующие способы ликвидации нефтяных загрязнений акватории имеют широкий спектр по методу действия и качеству сбора нефти. С целью локализации возможных зон разлива, ограждения отдельных районов и предотвращения растекания и перемещения плавающей нефти широко применяются различные типы боновых заграждений. Применяя их в качестве заградительного средства в первые часы после нефтяного разлива, возможно собрать толстые пленки нефти с последующим восстановлением бонов и утилизацией нефтепродукта. Для вспомогательных операций по ликвидации разливов часто используют легкие боны абсорбирующего типа, состоящие из полиэтиленовой сетки, заполненной синтетическим сорбентом. Однако боновым заграждениям присущ ряд недостатков, иногда сильно ограничивающих их применение при эксплуатации, в частности: эффективны только при малых скоростях течения и ветра;

• эффективны при большой толщине нефтяной пленки;

• несут значительные эксплуатационные затраты.

Одновременно с боновыми заграждениями используют плавучие механические средства сбора для очистки акватории. Но с увеличением площади нефтяного пятна его толщина уменьшается и при достижении толщины пленки 0,1 мм использование механических средств сбора нецелесообразно. Такая пленка не подлежит утилизации, возможно только ее уничтожение.

Среди способов ликвидации нефтяных пленок на воде одним из перспективных, экологичных и интенсивно развивающихся в настоящее время является их обработка нефтеокисляющими биосорбентами, представляющими собой сообщество штаммов микроорганизмов-биодеструкторов, покрытых питательной специальной оболочкой и закрепленных на носителях, придающих биосорбенту повышенные флотационные свойства. На данный момент химизм процесса биодеструкции (разрушения с помощью микрофлоры) нефтепродуктов в водной среде частицами биосорбента изучен относительно хорошо, однако нет никаких данных по влиянию гидродинамических параметров водной среды на этот процесс, и как следствие этого невозможна выработка методики эффективного применения биосорбентов при различных состояниях окружающей водной среды.

Технология изготовления биосорбента для нефтеудаления в настоящее время состоит в следующем: на инертный носитель, обеспечивающий плавучесть, закрепляются агрегаты активной микрофлоры. В результате микрофлора, находясь на свободной поверхности, удаляет нефтяную пленку. При этом требуемое количество микрофлоры зависит от того количества нефтепродукта, которое должно быть удалено. Одним из недостатков существующей технологии использования биосорбента является значительное количество инертного носителя, изготовленного из полимерных материалов, остающегося на поверхности акватории и представляющего опасность для морской фауны.

Предварительные эксперименты, проведенные с неприсоединенной к носителю микрофлорой, показали, что возможна более экономичная технология использования биосорбентов. Основным фактором этой технологии является то, что частицы активной микрофлоры, поглотившие нефть, приобретают отрицательную плавучесть и тонут. В процессе переработки нефтепродукта на поверхности частицы образуется пузырек СОг, которой увеличивается в размере и обеспечивает тем самым положительную плавучесть частицы «биосорбент+пузырек СОг». В результате частица всплывает на поверхность, причем ее биохимический потенциал оказывается далеко не исчерпан. На свободной поверхности частица вновь насыщается нефтью и цикл «осаждения/всплытия» повторяется несколько раз либо до полной биодеструкции нефтепродукта на поверхности воды, либо до полной деградации частицы микрофлоры. Такое поведение биосорбента в водной среде инициировало постановку задачи об использовании гидравлических характеристик процесса осаждения/всплытия для экономичного использования биосорбента за счет многократного его взаимодействия с нефтяной пленкой.

Движение частиц биосорбента, зависящее от состояния водной среды, после их взаимодействия с нефтяной пленкой отражается на конечном результате их деятельности-времени биодеструкции нефтяного загрязнения. Состояние водной среды характеризуется рядом факторов: метеорологической обстановкой водного бассейна, соленостью и температурой воды, наличием и скоростью течений и т.д. Для развития технологии эффективного применения биосорбентов при ликвидации нефтяных загрязнений необходимо провести оценку факторов, влияющих на эффективность действия частиц биосорбента в водной среде в процессе биодеструкции нефтяной пленки.

Перспективность и экологическая целесообразность использования активных примесей, в частности биосорбентов, была отмечена проф. А.И.Альхименко. Он оценил предложение соискателя по усовершенствованию технологии сбора загрязняющих веществ с поверхности водоема с помощью таких примесей. На кафедре МВТС СПбГПУ под руководством А.И.Альхименко соискателем была создана экспериментальная установка и разработана методика исследования гидравлических характеристик активной примеси.

Цель исследования- методика эффективного использования биосорбента, базирующаяся на учете гидравлических характеристиках взаимодействия биосорбента с водной средой в процессе удаления нефтепродуктов с поверхности акватории и их биодеструкции.

Для достижения этой цели решаются следующие задачи.

• Экспериментальное изучение влияния на время и глубину осаждения/всплытия биосорбента в процессе переработки нефтепродуктов микроорганизмами следующих факторов: фракционного состава биосорбента; времени намокания биосорбента; температурно-соленосного режима водной среды; скорости естественного разрушения (деградации) биосорбента;

• Стохастизация процесса осаждения/всплытия частиц биосорбента, формулировка математической модели и системы дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс.

• Анализ результатов численного решения системы дифференциальных уравнений с целью определения значимости основных факторов, влияющих на процесс биодеструкции.

• Разработка практических рекомендаций по экономичному использованию биосорбента в условиях конкретной акватории.

Объект исследования.

В качестве объекта исследований был выбран биосорбент, не закрепленный на носителе и содержащий штаммы микроорганизмов-биодеструкторов нефти: Candida, Fusarium sp., Rhodococcus, Pseudomonas, Bacillus и др. Как показали теоретические исследования, эти штаммы, в качестве основополагающих, используются в большинстве видов биосорбентов для деструкции нефтяных пленок на воде.

Методика исследования. Основной задачей при планировании экспериментального исследования был учет различных вариантов сочетания основных характеристик окружающей биосорбент водной среды, влияющих на его поведение в процессе взаимодействия с нефтяной пленкой. Поэтому за основу были взяты такие характеристики среды, как соленость и температура воды, наличие турбулентности в водной среде, а также фракционный состав исследуемого материала.

Результаты экспериментального исследования были обработаны с помощью стандартных приемов статистического анализа.

Верификация численной модели, описывающей движение частиц биосорбента в турбулентном потоке, проводилась на основе материалов, полученных в ходе экспериментального исследования.

При численном моделировании процесса биодеструкции в модели использовались экспериментальные данные по осаждению/всплытию частиц в покоящейся воде. Численное решение дифференциальных уравнений выполнялось с помощью устойчивых конечно-разностных схем.

Экспериментальные исследования и численное моделирование проводилось в лаборатории МВТС СПбГПУ г.Санкт-Петербург и Laboratory of Hydraulic Research, Division of Engineering and Policy for Cold Regional Environment, Hokkaido University, Япония.

Научная новизна работы заключается в:

• предложении использовать незакрепленный на носителе биосорбент;

• предложении использования гидравлические характеристики процесса осаждения/всплытия биосорбента при его взаимодействии с нефтяной пленкой в целях его экономичного расхода; экспериментальном определении зависимости гидравлических характеристик биосорбента от солености и температуры воды;

• стохастизации процесса движения биосорбента в водной среде и формулировка его математической модели;

• установлении обобщенных зависимостей времени биодеструкции от характеристик водной среды и разработке методики расчета дефицитной загрузки биосорбента.

Практическая ценность заключается в предложении новой технологии эффективного использования биосорбента для сбора нефтяных разливов на воде. Данная технология может найти применение при разработке нефтетранспортными предприятиями планов ликвидации аварийных разливов нефти, а также при прогнозировании аварий и варианте их ликвидации структурами МЧС. Ценными с практической точки зрения представляются результаты эксперимента по выявлению влияния температурного и соленосного режимов водной среды на скорость движения биосорбента, как основных факторов, влияющих на эффективность биодеструкции нефтяной пленки.

Реализация результатов работы. Разработанная технология эффективного применения биосорбентов для удаления нефтяных загрязнений с поверхности акваторий, а также рекомендации диссертации могут быть учтены при производстве нефтеокисляющих биосорбентов и при прогнозировании ликвидации аварийных разливов нефти.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на конференции «Молодые ученые -промышленности северо-западного региона-2005», «Экобалтика 2006», «Молодые ученые - промышленности северо-западного региона-2006», а также на международных семинарах, проводимых в International Science and Technology Center (ISCT)-2006 (Япония).

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 7 публикаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 100 страницах текста, содержит 3 таблицы, 26 рисунков, 6 приложений, библиография включает 55 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидравлика и инженерная гидрология», Маркелова, Елена Александровна

V.Основные результаты и выводы.

• Предложено использовать активные частицы биосорбента, не закрепленных на носителе. Получено подтверждение существования многократного цикла осаждения/всплытия и повторного насыщения нефтью на свободной поверхности не закрепленных на носителе частиц биосорбента.

• Экспериментально исследованы зависимости глубины и времени осаждения/всплытия от: о температурно-соленосного режима водной среды; о фракционного состава биосорбента, которые явились основой для формулировки стохастической модели процесса биодеструкции.

• Адаптирована модель диффузии с конечной скоростью для математического описания процесса биодеструкции с учетом осаждения/всплытия частиц биосорбента.

• Результаты численного решения системы дифференциальных уравнений модели ДКС позволили установить время удаления нефтяной пленки с поверхности воды в зависимости от дефицита загрузки для различных сочетаний собственных гидравлических характеристик биосорбента, турбулентности окружающей водной среды и состояния донной поверхности.

• Для практических расчетов рекомендуется связь между временем полной биодеструкции и дефицитной загрузкой для различных фракций частиц биосорбента и температурно-соленосных режимов.

• Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что предложение использовать не закрепленный на носителе биосорбент и эффект многократного цикла осаждения/всплытия его активных частиц в процессе биодеструкции нефтяной пленки может обеспечить существенную экономию биосорбента.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Маркелова, Елена Александровна, 2011 год

1. Альберс П. А. Разливы нефти и окружающая среда // Обзор о химическом и биологическом влиянии нефти Симпозиума по нефти. 1990. 12 с.

2. Альхименко А.И. Аварийные разливы нефти в море и борьба с ними. СПб, 2004. 230 с.

3. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей: пер. с англ. / Ф. Т. М. Ньистадт, X. Ван Доп. J1. : Гидрометеоиздат, 1985. 351 с.

4. Березин И.К. Оптимизация природоохранных мероприятий при ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов (на примере акватории Санкт-Петербурга): Дис. канд. техн. наук: 25.00.36. СПб, 2005. 166 с.

5. Великанов М.А., Зегжда А.П. Равномерное падение шара в вязкой жидкости. М: Гидрометеоиздат, 1945. 56 с.

6. Гиргидов А.Д. Механика жидкости и газа. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2004. 545с.

7. Гиргидов А.Д. Турбулентная диффузия с конечной скоростью. СПб: Изд-во СПбГПУ, 1996. 260 с.

8. Гончаров B.C., Гурянов А.Н., Касимов А. Р. Математическое моделирование многокомпонентной диффузии в реальных системах // Техника машиностроения. 2001. № 4. С. 44^45.

9. Горбис З.Р., Спокойный Ф.Е. Физическая модель и математическое описание процесса движения мелких частиц в турбулентном потоке газовзвеси. ТВТ, 1977. Т. 15. № 2. С. 399-408.

10. Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и газ. М.: Наука, 1997. 598 с.

11. Дюнин А.К. Общие дифференциальные уравнения двухфазных потоков. Изв. Сиб. отд. АН СССР, 1961. № 10. С. 43-48.

12. Жукова И.С., Саичев А.И. Локализация сгустков плавучих частиц на поверхности турбулентного потока // Прикладная математика и механика. 2000. Т. 64. Вып. 4. С. 624-630.

13. Зегжда А.П. Падение зерен песка и гравия в стоячей воде // Изв. НИИ Гидротехники. 1934. Т. 12. С. 30-54.

14. Килимник Д.Ю., Дик И.Г., Неессе Т., Павлихин Г.П. Экспериментальное исследование процесса седиментации полидисперсной суспензии: Тез. докл. конф. Экология речных бассейнов. Владимир: ВлГУ, 2002.

15. Кляцкин В. И., Саичев А.И. Статистическая и динамическая локализация плоских волн в хаотических слоистых средах // Успехи физ.наук. 1992. Т. 162. № 3. С. 161-194.

16. Кожевников B.C. Исследование вопросов турбулентной диффузии веществ загрязнения в водоемах // Дисс. канд.техн.наук. Л., 1972.

17. Колдоба A.B., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. М.: Наука, 2000. 254 с.

18. Колесниченко A.B., Маров М.Я. Турбулентность многокомпонентных сред. М.: Наука, 1999. 336 с.

19. Колюжный C.B., Данилович Д.А., Ножевникова А.Н. Анаэробная биологическая очистка сточных вод // Итоги науки и техники. Сер. Биотехнология. Т.29. М.: ВИНИТИ, 1991. 156 с.

20. Копытина C.B. Разработка технологии очистки сточных вод от нефтяных загрязнений с использованием иммобилизованных микроорганизмов-биодеструкторов. Автореф. дис. канд .техн. наук. M., 2000.

21. Копытина C.B., Цупрун K.M., Бирюков В.В., Битеева М.Б., Щебдыкин И.Н. Применение иммобилизованных культур для очистки от нефти и нефтепродуктов // Труды МГАХМ. Вып. 1: Тез. докл. 47 научно-технической конференции. М., 1997. С. 23-24.

22. Крайко А. Н., Стернин JI. Е. К теории течений двухскоростной сплошной среды с твердыми или жидкими частицами . ПММ, 1965. Т. 29. №3. С. 418-429.

23. Леви И.И. Моделирование гидравлических явлений. J1.: Энергия, 1967. 235 с.

24. Лапшев Н. Н. Гидравлика: учебник для вузов по направлению «Строительство» М.: Академия, 2010 . -272 с.

25. Михалев М.А. Теория подобия и размерностей: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. 67 с.

26. Монин A.C., Озмидов Р.В. Океанская турбулентность. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 376 с.

27. Мясников В.П. О динамических уравнениях движения двухкомпонентных систем // ПМТФ. 1967. № 2. С. 58-67.

28. Нельсон-Смит А. Нефть и экология моря. М.: Прогресс, 1997. 302 с.

29. Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 278 с.

30. Озмидов Р.В., Гезенцвей А.Н. Экспериментальное исследование диффузии искуственно вносимых в море примесей // Исследование океанической турбулентности. М.: Наука, 1973. С. 64-78.

31. Пааль Л.Л. Основы методов расчета турбулентной диффузии вещества загрязнения в водотоках // Дисс. д.техн.наук. Таллинн, 1971.

32. Романов М. В. Термодинамический подход для обеспечения устойчивого развития природно-хозяйственных систем. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003.

33. Семанов Г.С. Разливы нефти в море и обеспечение готовности к реагированию на них // Транспортная безопасность и технологии № 2. 2006, С. 5-9.

34. Соболевский К.В. Анализ поведения нефтяных пятен поверхности моря в различных климатических условиях / СПбГПУ Межвузовская научно-техн. конференция. Неделя науки. 2003.

35. Соколов Д.Я. Отстойные бассейны для ирригации и гидростанций. М.: Сельхозгиз, 1945. 444 с.

36. Coy С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536 с.

37. Шрайбер А.А., Милютин В.Н., Яценко В.П. Гидромеханика двухкомнонентных потоков с твердым полисперсным веществом. Киев: Паук, думка, 1980. 252с.

38. Федоров М.П., Шилин М.Б., Ролле Н.Н. Экология для гидротехников // Уч. пособие. СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1992. 80 с.

39. Яковлев В.В. Нефть. Газ. Последствия аварийных ситуаций. СПб.: СПбГПУ, 2003.416 с.

40. Akhtar N., Sastry S.K., Mohan P.M. Biosorption of silver ions by processed Aspergillus niger biomass // Biotechnol. Lett., 1995. Vol. 17. № 5. PP. 551556.

41. Balagurusamy E. Numerical methods. New Deli, 2002. 605 p.

42. Donnelan N., Rollan A., McHalle A.P. The effect of electric field simulation on the biosorption of uranium by non-living biomass derived from Kluyverocmyces marxianus IBM3. // Biotechnol. Lett., 1995. Vol. 17, № 4. PP. 439-442.

43. Engl A., Kunz B. Biosorbtion of heavy metals by Saccheromyces cerevisiae: effects of nutrient conditions. // J. Chem. Technol, 1995. Vol. 63, № 3. PP. 257-261.

44. John J. Kibane II, Biotechnological upgrading of petroleum // Petroleum microbiology. AMS Press. Washington, 2005. PP. 239-255.

45. Kaminskii V.A., Dil'man V.V. Nonlocal models of turbulent transfer // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2002. Vol. 36, № 4. PP. 314-318.

46. Liets W. Decontamination of heavy metal polluted solution in presents of the chelation agents NT A and EDTA // Meded. Fac. Landbouwwt. Rijksuniv. Gent., 1992. Vol. 57. № 4f. PP. 1721-1724.

47. Masoliver J., Weiss G.H. Finite velocity diffusion // Eur. J. Phys. 1996. PP. 190-196.<p/l rw / / Us

48. Michel Magot, Indigenous microbial communities in oil fíelas // Petroleum microbiology. AMS Press. Washington, 2005. PP. 21-33.

49. Nielsen P., Teakle I.A.L. Turbulent diffusion of momentum and suspended particles: a finite-mixing-length theory // Physics of Fluids. 2004. Vol. 16. No.7. 7 p.

50. Petroleum microbiology / edited by Bernard Ollivier and Michel Magot, AMS Press.Washington, 2005, 356 p.

51. Pradhan A. A., Levine A.D. Role of extra cellular components in microbial biosorbtion of copper and lead. Water-Soi. Technol., 1993, Vol. 26, № 9-11. PP. 2153-2156.

52. Ralf Rabus, Biodégradation of hydrocarbons under anoxic conditions // Petroleum microbiology. AMS Press.Washington, 2005. PP. 277-297.

53. Roger C. Prince, The microbiology of marine oil spill bioremediation // Petroleum microbiology. AMS Press.Washington, 2005. PP. 317-335.

54. Stephen J. Chapman FORTRAN 90/95 for Scientists and engineers. 1998, 874 p.

55. Stokes G.G. Velocity of a Sphere falling through a viscous liquid // Mathematical physical papers Cambridge, 1901. Vol. 3. PP. 60-72.