МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЕОТХОДОВ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

- Создание спасительной рыночной экономики;

- Увеличение доходов работающих в основном секторе экономики;

- Наличие социальной защиты бедных слоев населения;

- Неприкосновенность частной собственности и чистого труда. Экологическая безопасность включает в себя следующее:

- Координация промышленного развития страны с охраной окружающей среды;

- Обеспечение качества питьевой воды;

- Строгое соблюдение правил использования вредных для человека веществ в сельском хозяйстве. Список использованной литературы:

1. www.salamnews.com

2. www.turkmenportal.com

© Аннанепесов Б.О., Солтанова Г., Джумаев Д., Хайытов М., 2024

УДК 004.942

Асцатрян К.Ш.

магистрант 2 курса СамГТУ г. Самара, РФ Асцатрян Л.Ш. специалист 3 курса СНИУ г. Самара, РФ Научный руководитель: Бенгина Т.А.

Кандидат технических наук, СамГТУ г. Самара, РФ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОДЕГРАДАЦИИ НЕФТЕОТХОДОВ

Аннотация

В статье рассматривается математическая модель, предназначенная для оптимизации процессов биодеградации нефтесодержащих отходов (НСО). Уделяется внимание влиянию биодеградации на динамику роста микроорганизмов. Для исследования применяется модель В. В. Водопьянова [1], позволяющая оценить динамику роста бактерий, участвующих в разложении углеводородов.

В современном мире объёмы образования НСО постоянно растут, что приводит к обострению проблемы загрязнения почвы, грунтов и водных объектов нефтепродуктами.

Попадая в почву, нефтепродукты ухудшают её качество и снижают плодородие. Это приводит к гибели растений и микроорганизмов, которые необходимы для поддержания здоровья почвы [2]. Попадая в водоёмы, нефтепродукты нарушают экосистему, что приводит к гибели водных организмов, что приведет к нарушению баланса в экосистеме и снижению биоразнообразия. Кроме того, загрязнение водных объектов нефтепродуктами ухудшает качество питьевой воды и увеличивает риск заболеваний, связанных с её употреблением [3].

Источниками загрязнения могут быть утечки при транспортировке, аварийные ситуации на нефтяных месторождениях, а также нецелевое хранение и утилизация отходов. Всё это приводит к накоплению токсичных веществ в окружающей среде, угрожая экосистемам и здоровью человека [4].

Таким образом, оптимизация процессов восстановления почв и водных объектов после загрязнения

нефтепродуктами становится актуальной задачей, требующей комплексного подхода и разработки эффективных методов решения.

Для этого разрабатываются математические модели. Моделирование биодеградации нефтесодержащих отходов позволяет прогнозировать результаты очистки, оптимизировать условия для роста микроорганизмов и выявлять потенциальные проблемы на этапе планирования. Это снижает риски неэффективного использования ресурсов и обеспечивает научно обоснованный подход к восстановлению экосистем, пострадавших от загрязнения.

Целью статьи является обзор математической модели, предназначенной для оптимизации процессов биодеградации НСО, и её применение в решении практической задачи.

Задачи статьи:

1. Изучить проблему загрязнения окружающей среды нефтесодержащими отходами и его последствия.

2. Рассмотреть математическую модель В. В. Водопьянова, позволяющую оценить динамику роста бактерий, участвующих в разложении углеводородов.

3. Обсудить практическое значение полученных результатов для разработки комплексных подходов к восстановлению экосистем, пострадавших от загрязнения нефтепродуктами.

4. Исследовать возможности применения математического моделирования для прогнозирования результатов очистки и выявления потенциальных проблем на этапе планирования рекультивации.

5. Составить и решить задачу, описывающую разложение нефти в водоёме, на основе математической модели Водопьянова В. В..

6. Оценить результаты решения задачи и проанализировать влияние начальных условий и параметров модели на динамику процесса биодеградации

7. Обосновать научно-практическую значимость применения математической модели для оптимизации процессов восстановления экосистем, пострадавших от загрязнения нефтепродуктами.

Ключевые слова:

математическое моделирование, биодеградация, нефтесодержащие отходы, динамика роста

микроорганизмов, разложение углеводородов.

Математическая модель, разработанная В. В. Водопьяновым, позволяет оценить динамику роста микроорганизмов, участвующих в разложении углеводородов, и исследовать влияние различных факторов на этот процесс.

Модель включает четыре основных уравнения, каждое из которых описывает определенный аспект динамики взаимодействия между концентрацией нефти и микроорганизмами. К основным переменным модели относятся:

• С(1) - общая концентрация нефти в системе, представляющая собой сумму двух компонентов - С^) и С2(^.

• С|^) - концентрация нефти, разлагаемой под воздействием биологических факторов, таких как микроорганизмы.

• С2^) - концентрация нефти, разлагаемой физико-химическими факторами.

• М(1) - концентрация биомассы микроорганизмов, участвующих в процессе разложения нефти.

• 1 - время, измеряемое в месяцах.

Модель содержит некоторые постоянные параметры, такие как а, в, т, Л, о, ц, у, К и К2, которые определяют скорости процессов и взаимодействие между переменными. Например, а и в характеризуют скорость роста микроорганизмов и их зависимость от концентрации нефти и биомассы.

Первое уравнение описывает изменение концентрации микроорганизмов:

dM ^ ( М0- О (М0 - * (ОД -У) Т * ОД

- = M(t) * ( а *- — ß * —---- — -

dt w V Кг + M(t) н (Кг + M(t)) * (K2 + C(t))) (t + 0,9)4

Это уравнение показывает, что скорость изменения концентрации биомассы зависит от начального уровня микроорганизмов и текущего состояния системы. Первый член уравнения отражает рост микроорганизмов зависит от разности между начальной и текущей концентрациями. Второй член показывает влияние доступной нефти на рост биомассы и показывает, как изменение концентрации нефти влияет на микроорганизмы. Третий член отражает влияние концентрации нефти на скорость изменения биомассы, где скорость снижается с увеличением времени.

Второе уравнение моделирует уменьшение концентрации нефти, разлагаемой биологическими факторами:

dCi г г* п м X M(t) Ci(t) л

— = —с1(Ь)*(Л*М0+»ж-ШГ)* + Ci{t))

Скорость разложения нефти зависит от начальной концентрации микроорганизмов ЛМ(0) и текущей биомассы M(t). Это подчеркивает важность наличия достаточного количества микроорганизмов для эффективного разложения углеводородов.

Третье уравнение описывает экспоненциальное уменьшение концентрации нефти, разлагаемой физико-химическими факторами:

— = —a*c2(t)

Это уравнение показывает, что скорость разложения нефти в этом случае постоянна и не зависит от других переменных.

Четвертое уравнение связывает общую концентрацию нефти с ее компонентами:

C(t) = С&) + C2(t)

Общее количество нефти в системе представлено как сумма двух компонентов, разлагаемых различными факторами.

Модель демонстрирует сложные взаимодействия между концентрацией нефти и микроорганизмами. Концентрация нефти C(t) влияет на рост биомассы M(t), а также на скорость ее разложения. Важно учитывать, что при высоких концентрациях нефти может наблюдаться ингибирование роста микроорганизмов из-за токсичности углеводородов.

Параметры модели играют ключевую роль в определении динамики процесса. Например, значения а и ß показывают, как быстро микроорганизмы могут расти и адаптироваться к изменяющимся условиям среды. Параметры Kt и К2 определяют уровни насыщения для микроорганизмов и углеводородов соответственно, что критически важно для понимания пределов эффективности биодеградации.

Параметр т отражает влияние времени на скорость разложения нефти микроорганизмами, учитывая снижение эффективности разложения с течением времени. Коэффициент Л характеризует начальную скорость разложения нефти в зависимости от концентрации микроорганизмов, показывая, как начальное количество микроорганизмов (M0) влияет на биодеградацию. Параметр о определяет долю нефти, разлагаемой физико-химическими факторами, фиксируя скорость разложения в отсутствие биологических процессов. Коэффициент ц представляет скорость биодеградации нефти, зависящую от концентрации микроорганизмов и углеводородов, где более высокие значения указывают на большую эффективность разложения. Наконец, у отражает влияние токсичности углеводородов на рост микроорганизмов, где высокие значения могут ингибировать их развитие.

Исходя из данной математической модели была составлена и решена задача, описывающая разложение нефти в водоёме. Начальные условия и параметры модели заданы следующим образом:

• Начальная концентрация нефти: C(0) = 100 (мг/л).

• Начальная концентрация биомассы микроорганизмов: M(0) = 100 (мг/л).

• Константы, представленные в работах Водопьянова и Киреевой [5-9]:

а = 0,1 Л = 0,1 K = 5

в = 0,05 ц = 0,03 K2 = 20

т = 0,02 о = 0,1

Для решения системы уравнений применён численный метод, в частности, метод Эйлера. Был разработан код для численного решения системы уравнений для программы Python. Код представлен в Приложении №1. Данный код предназначен для получения графиков, показывающий динамику изменения концентраций нефти и биомассы микроорганизмов во времени. На полученном графике будет видно, как со временем уменьшается концентрация нефти Q(t) и C2(t), а также как изменяется концентрация микроорганизмов M(t).

После запуска программы на Python были графики, представленные на рисунке 1.

Динамика разложения нефти и биомассы

- Clit)

■ C2<t) - Mit]

1

\

0 5 10 15 20 25

Время {мес!

Рисунок 1 - График изменения концентрации нефти и микроорганизмов во времени

М(р) - концентрация биомассы микроорганизмов в зависимости от времени; - концентрация нефти, разлагаемой под действием микроорганизмов;

С^) - концентрация нефти, разлагаемой физико-химическими факторами.

В ходе исследования были изучены процессы биодеградации нефти в водной среде с использованием математического моделирования. Анализ показал, что концентрация нефти, разлагаемой биологическими факторами С^), существенно снижалась в течение первых месяцев, что свидетельствует о высокой активности микроорганизмов. Это подтверждает ключевую роль микроорганизмов в эффективном разложении углеводородов.

Физико-химические процессы разложения нефти С2^) также способствовали снижению концентрации, но с меньшей скоростью и более равномерным характером. Эти данные указывают на менее значительную эффективность физико-химических факторов по сравнению с биологическими.

Концентрация биомассы М^) увеличивалась в первые месяцы до достижения пика, после чего наблюдалось замедление роста. Это может быть связано с истощением доступных углеводородов или токсичностью нефти при высоких концентрациях, что согласуется с теорией ингибирования роста микроорганизмов.

Общая концентрация нефти C(t) демонстрировала устойчивое снижение на протяжении всего моделируемого периода. Это подтверждает эффективность предложенной модели для описания процесса биодеградации нефти и оценки влияния различных факторов на эффективность этого процесса.

Результаты исследования подчеркивают, что разработанная модель позволяет прогнозировать эффективность биоремедиации и оптимизировать условия для роста микроорганизмов. Это способствует более рациональному планированию восстановительных мероприятий и улучшению экологической ситуации в загрязненных водоемах.

Список использованной литературы:

1. Водопьянов В.В. Математическое моделирование численности микроорганизмов и биодеградации нефти в почве // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2006. Т. 8. № 4. С. 132-139.

2. Андресон, Р.К. Изучение факторов, влияющих на биоразложение нефти в почве / Р.К. Андресон, Л.А. Пропадущая // Коррозия и защита в нефтегазодобывающей промышленности.- М., 1979.- №3.- С. 30-32.

3. Васильев, А.В. Экологический мониторинг загрязнения почвы нефтесодержащими отходами / А.В. Васильев, Д.Е. Быков, А.А. Пименов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. -2015 г. - № 4. - 269-272 с.

4. Двадненко М.В., Маджигатов Р.В., Ракитянский Н.А. Воздействие нефти на окружающую среду // Международный журнал экспериментального образования. - 2017. - № 3-1. - С. 89-90

5. Водопьянов, В.В. Моделирование биодеградации нефти в почве микроорганизмами / В. В. Водопьянов, Н. А. Киреева, Т. С. Онегова, Н. В. Жданова // Нефтяное хозяйство. 2002. № 12. С. 128-130.

6. Киреева, Н. А. Математическое моделирование биодеградации нефти в почве / Н. А. Киреева, В. В. Водопьянов // Биотехнология. 1996. № 8. С. 55-59.

7. Киреева, Н.А. Математическое моделирование микробиологических процессов в нефтезагрязненных почвах / Н. А. Киреева, В. В. Водопьянов // Почвоведение. 1996. № 10. С. 1222-1226.

8. Киреева, Н. А. Математическое моделирование процессов разложения нефти в почве / Н. А. Киреева, В. В. Водопьянов // Башкирский химический журнал. 1996. Т. 3, вып. 5-6. С. 68-69.

9. Киреева, Н. А Биологическая активность нефтезагрязненных почв / Н. А. Киреева, В. В. Водопьянов, А. М. Мифтахова. Уфа: Гилем, 2001. 356 с

© Асцатрян К.Ш., Асцатрян Л.Ш., 2024

УДК 004

Байрамов Р.Д.

Инженерно-технологический университета Туркменистана им. Огузхана Научный руководитель: Чарыев Ш.

Преподаватель компьютерных наук и информационных технологий, Инженерно-технологический университета Туркменистана им. Огузхана.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТУДЕНЧЕСКИМ ОБЩЕЖИТИЕМ

Аннотация

В статье рассматривается разработка и внедрение Системы управления студенческим общежитием (СУСО), предназначенной для автоматизации административных задач, повышения удовлетворенности