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

Таблица 2

Расчет экспериментальных значений частных функций

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 %.