Практическая работа - Системный анализ проблемы загрязнения территорий нефтешламом

Подождите немного. Документ загружается.

Содержание

1. Фиксация проблемы 3

1.1 Определение потребности в исследовании проблемы 3

1.2 Анализ уже существующих методов 3

1.3 Критика существующих методов и формулировка проблемы 4

2. Участники проблемной ситуации и анализ их интересов 6

2.1 Список участников проблемной ситуации 6

3. Формирование проблемного массива 6

3.1 Анализ противоречий и поиск компромиссов 7

4. Формирование конфигуратора 7

4.1 Список источников информации, необходимых для решения

проблемы 8

5. Выявление цели 8

5.1 Формирование массива критериев и показателей решения

проблемы

5.2 Формирование дерева целей 8

6. Исследование технологии улучшения биопрепаратов 9

6.1 Технология подготовки территорий загрязненых нефтешламом 9

6.2 Виды биопрепаратов и технология их применения 10

7. Генерация идеи решения проблемы 10

1. Фиксация проблемы

1.1 Определение потребности в исследовании проблемы

С каждым годом мировая промышленность наращивает объемы производства, сей

факт заставляет мировые промышленные компании потреблять все больше

энергоресурсов. Одним из важнейших энергоресурсов на данный момент является нефть.

Как известно нефть добывается из недр земли, затем перерабатывается для улучшения

качества на нефтеперерабатывающих предприятиях. Как и во всех перерабатывающих

отрослях в нефтепереработке существуют отходы – нефтешламы. С экономической точки

зрения нефтешлам - это нефтесодержащие отходы, образующиеся при добыче,

транспортировке и переработке нефти и не нашедшие рентабельной технологии их

использования. Данные отходы являются одними из самых опасных как для человека, так

и для окружающей среды.

Природа появления нефтешлама разнообразна, поэтому и его состав варьирует в

определенных пределах для каждой отрасли промышленности. В данной работе будут

затронуты нефтешламы от деятельности нефтеперерабатывающих предприятий с

содержанием нефтепродуктов (20-30%), вода (20-30%) и механические примеси (40-

50%).

Получившиеся отходы в лучшем случае сбрасывают в специализированные

хранилища, которые зачастую переполнены и изношены, в основном же местами сброса

становятся близлежащие водоемы или карьеры. Данная ситуация особенно характерна для

регионов Сибири, где добыча и переработка нефти ведется вдалеке от населенных

пунктов, что на порядок снижает уровень контроля за утилизацией отходов производства.

Нежелание руководителей нефтеперерабатывающих предприятий очищать

загрязненные нефтешламом территории кроется в убыточности и трудоемкости

существующих методов. Так же предлагаемые методы часто занимают слишком много

времени. Те же руководители предприятий, которые все-таки пытаются восстанавливать

территории загрязненные от их деятельности, сталкиваются с дополнительной проблемой

– методы очитки и обезвреживания нефтешлама, которыми они пользуются, зачастую

являются вторичными источниками загрязнения окружающей среды.

Одной из главных причин загрязнения территорий нефтешламом является отсутствие

высокоэффективного, быстрого и экологичного метода очистки объектов окружающей

среды от отходов нефтеперерабатывающей промышленности.

Анализ уже существующих методов.

В мировой практике для утилизации и обезвреживания нефтешламов используют

множество методов, которые реализуются различными способами. Рассмотрим их.

К термическим методам обезвреживания отходов относится сжигание.

Сжигание - наиболее отработанный и используемый способ. Этот метод

осуществляется в печах различных конструкций при температурах не менее 1200 ºС. В

результате сгорания органической части отходов образуются диоксид углерода, пары

воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола,

имеющая в своем составе неподвижную форму тяжелых металлов, накапливается в

нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или

используется в производстве цемента.

Биологические методы обезвреживания нефтешлама находят все более широкое

применение. Они основаны на способности различных штаммов микроорганизмов в

процессе жизнедеятельности разлагать или усваивать в своей биомассе многие

органические загрязнители. Биологические методы можно условно подразделить на

микробиодеградацию загрязнителей и биопоглощение.

Микробиодеградация - это деструкция органических веществ определенными

культурами микрофлоры, внесенными в грунт. Микробиодеградация может быть

использована во всех случаях, где естественный микробиоценоз сохранил

жизнеспособность и видовое разнообразие.

Биопоглощение - это способность некоторых растений и простейших организмов

ускорять биодеградацию органических веществ или аккумулировать загрязнения в

клетках.

Электрокинетические методы начали широко применяться с 60-х годов.

Электрокинетическая обработка применяется для очистки глинистых и суглинистых

грунтов. Электрокинетические явления, наблюдающиеся в пористых средах при

протекании постоянного электрического тока. Один из способов реализации данного

метода – это электрофорез.

При протекании электрофореза в поровом пространстве грунта, заполненном

полностью или частично водой, перемещаются минеральные частицы. Это явление имеет

крайне незначительную роль в электрокинетическом переносе загрязнений в

диссоциированной форме, но определяющую в переносе коллоидных и заряженных

минеральных частиц. Электрофоретическое перемещение коллоидных и микрочастиц

наблюдается в макропористых грунтах (песчаник, супесь). Под действием напряжения,

приложенного к электродам, которые погружены в скважины, вода и экотоксиканты в

коллоидном состоянии перемещаются к электродным резервуарам, из которых затем вода

с загрязнениями извлекается на поверхность и очищается.

Эффективен для очистки грунта от нефтепродуктов ультразвук. Начиная с

критического значения звукового давления акустических волн, в жидкости возникает

кавитация. При схлопывании кавитационных полостей образующиеся микроструи с

линейными скоростями 300-800 м/с срывают с поверхности твердых частиц нефтяные

загрязнения. При кавитационных разрывах жидкости происходит ионизация молекул,

стимулирующая окисление и полимеризацию углеводородных молекул.

1.3 Критика существующих методов и формулировка проблемы

Методов очистки нефтешламов достаточно много. Каждый метод имеет свои

достоинства и недостатки. Некоторые из них приведены в Таблице 1.3.1

Таблица 1.3.1 достоинства и недостатки существующих методов утилизации

нефтешлама.

Название метода Достоинства Недостатки

Сжигание Простой метод, не

требующий наукоемких

технологий, универсален для

различных видов

промышленных отходов

Вторичное загрязнение

воздуха токсичными

аэрозолями, необходимость

утилизации золы и тепловой

энергии, требует больших

энегретических затрат

Микробиодеградация Высокоэкологичный метод,

очистка природных объектов

без нарушения микрофлоры

среды, естественный способ

восстановления загрязненных

областей,высокоэффективный

метод

Низкая скорость очистки,

небольшие объемы действия

биопрепаратов, зависимость

от природных условий,

требует предварительной

рекультивации почв.

Биопоглощение Экологически чистый и

естественный способ

восстановления загрязненных

областей, очистка природных

объектов без нарушения

микрофлоры среды.

Низкая скорость очистки, не

возможно круглогодично,

зависимость от природных

условий, небольшие

очищаемые объемы

Электрофорез Высокая степень очистки

различных объектов

окружающей среды от

нефтешламов сложного

состава

Эффективен лишь на

глинистых почвах,

электрический ток пагубно

влияет не живые организмы

Ультразвук Экологически чистый метод,

высокий КПД, высокая

мобильность

Требует больших затрат,

плохо изучены побочные

действия на живые организмы

На основании анализа приведенной таблицы 1.3.1 можно сделать вывод о том, что

наиболее безопасным и эффективным для окружающей среды методом очистки от

нефтешлама является – микробиодеградация .

Метод реализуется с помощью различных штаммов микроорганизмов, которые

разлагают нефтешламы с определённой скоростью. Скорость деструкции нефтепродуктов

зависит от скорости размножения микроорганизмов и их времени жизни.

Ускорить процесс микробиодеградации можно созданием оптимальных для каждого

микроорганизма условий, изменением температуры и влажности среды, но этого не

достаточно для устранения основных недостатков метода.

Формулировка проблемы:

Необходимо создание технологии для ускорения процессов роста, размножения и

увеличения жизненного периода микроорганизмов разлагающих нефтешлам.

2. Участники проблемной ситуации и анализ их интересов

2.1 Список участников проблемной ситуации

В процессе исследования проблемной ситуации восстановления территорий

загрязненных нефтешламом выявлены следующие участники:

1. Заказчик: нефтеперерабатывающая отрасль РФ;

2. Разработчик: организации, имеющие соответствующих специалистов;

3. Потребитель: нефтеперерабатывающие предприятия РФ;

4. Окружающая среда: флора, фауна;

5. Культура: традиции исследований, проектирования, разработки данных методов;

6. Инвесторы: нефтеперерабатывающая отрасль РФ.

3. Формирование проблемного массива

Проблемный массив очистки территорий от нефтешлама можно представить в виде

таблицы 3.1

Таблица 3.1 Матрица проблемного массива

Участники проблемной

ситуации

Проблемы участников

1. Заказчик - Организовать прибыльное внедрение технологии

- Получить эффективный метод в кратчайший срок

- Обеспечить необходимые составляющие метода по

минимальным ценам

- Сделать метод максимально легким для освоения и

дальнейшего пользования

- Обеспечить качество метода и его безопасность

2. Разработчики

1) инженеры-экологи

2) инженеры-биологи

3) физики

4) микробиологи

5) проектировщики

6) конструкторы

- Обеспечить теоретическое решение поставленной

задачи;

- Обеспечить высокую скорость разрабатываемого

метода;

- Обеспечить большие объемы действия метода;

- Обеспечить конструктивное решение метода с

минимальным потреблением энергии и высокой

эффективностью;

- Обеспечить удобную для использования установку.

3. Потребитель - Научиться пользоваться методом без

переквалификации работников;

- Обеспечить грамотное и эффективное использование

оборудования;

- Обеспечить минимальные затраты на приобретение и

эксплуатацию;

4. Окружающая среда - Экологическая чистота при создании и эксплуатации

применяемого оборудования;

5. Культура - Прогресс, дизайн, удобство применения

6. Инвесторы - Не потерять вложения

- Получить заказ в срок, заявленный в договоре

3.1 Анализ противоречий и поиск компромиссов

На основании матрицы проблемного массива по данной конкретной теме

выявляются противоречия между потребителем и разработчиком, в освоении метода без

переквалификации работников. Для ее решения необходимо обеспечить дополнительные

курсы по повышению квалификации. Это потребует дополнительных затрат.

4. Формирование конфигуратора

Чтобы учесть особенности, связанные с создание метода очистки территорий от

нефтешлама, выполним описание на различных языках. В качестве языков описания

выберем следующие:

- профессиональный. К ним относится микробиология, биофизика, оптическая

физика, экология

- алгоритмический. Для конструирования установки возможно использование

программный комплекс AutoCad, Компас.

- финансовый. Для маркетинга характерны такие понятия как лимитная цена,

себестоимость;

- технический. В процессе проектирования и использования метода необходимо

использовать системы ЕСКД и ЕСТД, ГОСТы и ОСТы, регламентирующие

качество;

- информационный. Результаты исследований, разработки установок.

4.1 Список источников информации, необходимых для решения

проблемы

Для разработки нового метода очистки территорий загрязненных нефтешламом

сформирован следующий список необходимой литература других информационных

источников:

1. А.Б. Рубин Биофизика. В 2 т. Изд. 3-е. Учебник. М.: Изд. Моск. ун-та;

«Наука». Т. I. Теоретическая биофизика. 2004.448 с. Т. 2. Биофизика клеточных

процессов. 2004. 469 с.

2. Патент РФ 2006. №2279472С2. Способ очистки почвы от нефтяных

загрязнений. / Т. С. Онегова, Н. Л. Киреева, Н. В. Жданова и др. // Б.И. 2006. № 19.

3. Аренс В. Ж., Саушин А.З., Гридин О. М., Гридин А.О. Очистка

окружающей среды от углеводородных загрязнений. – М.: Интербук, 1999.

4. Назаров А.В., Иларионов С.А. Потенциал использования микробно-

растительного взаимодействия для биоремедиации // биотехнология 2005.

5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д. Г.

Звягинцева. М.: МГУ, 1991. –304 с.

5. Выявление целей

5.1 Формирование критериев и показателей решения проблемы

Оценить качество метода можно с помощью следующих критериев:

- Функциональные: продолжительность метода для почвы/воды, П1/П2;

коэффициент очистки территории загрязненной нефтешламом, К;

- Экономические: цены очистки 1 кв. м. грунта/воды, Ц1/Ц2;

- Антропогенные: коэффициент безопасности, К

5.2 Формирование дерева целей

На основании анализа названной группы критериев сформулируем конкретные цели

участников проблемной ситуации в виде дерева целей. Наглядное изображение

представлено на рисунке 5.2.1

Рисунок 5.2.1 – Дерево целей биопрепарата для поглощения нефтешлама.

Разработка нового метода биоочистки территорий от

нефтешлама

Биопоглощение

Продолжительн

ость метода

(почва/вода)

П1 ≤ 5 суток

П 2≤ 15 суток

Условие

безопасности

К = 0,01

Цена очистки грунта

за 1кв.м.

Ц1 ( 10 – 300) руб

Цена очиски воды

за 1кв.м.

Ц ≤ 150 руб

Коэффициент

очистки

К ≥ 99%

6. Исследование технологии улучшения биопрепаратов.

Чтобы решить проблему разработки нового метода утилизации нефтешлама,

необходимо провести анализ и рассмотреть вопросы, касающиеся: видов биопрепаратов,

технология применения биопрепаратов, а так же методы направленные на усиление

разложения нефтешлама.

6.1 Технология подготовки территорий загрязненых нефтешламом.

Технологии биологического обезвреживания органических экотоксикантов основаны

на активации микрофлоры или внесении в грунт определенных культур микроорганизмов,

создании оптимальной среды для развития микроорганизмов. Простейшими способами

активации микрофлоры являются механические рыхление, вспашка, дискование.

Необходимым условием размножения микроорганизмов является создание оптимального

температурного диапазона почвы или жидкости( от 20 до 37º С) и влажности(в

зависимости от рода микроорганизмов).

Необходимым условием биодеградации нефтяных загрязнений является внесение

минеральных удобрений. Идеальной для биоразложения является среда с нейтральной

кислотностью. Для нейтрализации щелочных грунтов вносят гипс, для нейтрализации

кислых грунтов - известь. Одним из методов, обеспечивающих диспергирование

нефтяных загрязнений и улучшающих контакт с микроорганизмами, является внесение

ПАВ. Сочетание применения ПАВ с внесением минеральных удобрений ускоряет

биодеградацию. Однако иногда происходит вырождение микроорганизмов до достижения

требуемого уровня очистки.

Проведение представленных выше работ позволит улучшить показатели разложения

нефтешлама, тем самым в разы повысить эффективность очистки загрязненных

территорий.

6.2 Виды биопрепаратов и технология их применения.

Обычно для биодеградации используют сообщества бактерии Bakterium,

Actinomyces, Artrobactes, Thiobacterium, desullfotomasilium Pseudomons, Hydiomonas,

Bacillus, Rhodococus и другие. Биопрепараты состоящие из перечисленных бактериях

разделяются на две основных группы.

К первой группе относятся биопрепараты, состоящие только из одного вида

бактерий. Достоинства таких биопрепаратов заключаются в том, что бактерии одного вида

не оказывают пагубного воздействия на своих сородичей и в могут достигать высоких

результатов по очистке нефтешламов. Однако нефтешлам очень сложен по своей

структуре и содержит различные фракции нефти, для эффективной очистки которых

требуются различные штаммы биорганизмов. Это приводит к снижению эффективности

метода. К данным препаратам относятся такие как “K-2000”, “GVT” и др.

Ко второй группе относятся. К ним относятся препараты: “Деворойл”, “Биоприн”,

“Сойлекс” и др. Главным достоинством этих препаратов является эффективное

разложение каждой фракции нефти определёнными микроорганизмами из ассоциации.

Недостатком таких биопрепаратов заключается в возможности недоброжелательного

соседства различных штаммов в ассоциации, которое может привести к ухудшению

разложения отдельных фракций нефти.

На данный момент биопрепараты, содержащие ассоциации микроорганизмов

применяются на много чаще вследствие их универсальности и большей эффективности

при очистке нефтешламов.