Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ОТ ПАРАЗИТАРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 12
1.1. Характеристики проблемных ареалов образования и распространения возбудителей паразитозов в окружающей среде 12
1.2. Анализ влияния природных факторов на процесс инактивации возбудителей паразитозов в окружающей среде 21
1.3. Оценка инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах урбоареалов 26
1.3.1. Сооружения механической очистки 26
1.3.2. Сооружения биологической очистки 28
1.3.3. Сооружения по обеззараживанию 32
1.4. Анализ специальных методов инактивации возбудителей паразитозов в урбоареалах 35
1.4.1. Физические методы 37
1.4.2. Химические методы 39
1.4.3. Биологические методы 42 Выводы по главе 1 48
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ БИОАЭРАЦИОННОГО МЕТОДА ДЕГЕЛЬМИНТИЗАЦИИ 49
2.1. Экология развития возбудителей паразитозов в техногенных системах 49
2.2. Теоретическое описание особенностей пребывания возбудителей паразитозов в органических субстратах 56
2.3. Механизмы инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах 64
2.4. Концептуальная модель инактивации паразитарного загрязнения в урбоареалах 78
Выводы по главе 2 84
3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 85
3.1. Объекты исследований 85
3.1.1. Описание лабораторных установок 85
3.1.2. Объекты производственных исследований 87
3.2. Характеристика используемого препарата и тест-объектов 88
3.3. Методики исследований 90
3.3.1. Методики проведения лабораторных экспериментов 91
3.3.2. Методики проведения производственных исследований 93
3.4. Статистическая обработка результатов исследований 96
Выводы по главе 3 102
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВЛИЯНИЮ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНАКТИВАЦИИ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ ПАРАЗИТОЗОВ В ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДАХ 103
4.1. Исследование влияния качественных характеристик жидких
и твердых отходов на процесс их дегельминтизации препаратом 103
4.1.1. Определение диапазонов изменения качественных характеристик загрязнения жидких коммунальных отходов 104
4.1.2. Исследование пределов эффективного применения препарата в жидких коммунальных отходах 106
4.2. Исследование влияния аэрации на возбудителей паразитозов в жидких и твердых органических отходах 114
4.3. Исследования биоаэрационного метода дегельминтизации жидких и твердых отходов 119
4.3.1. Исследования биоаэрационного способа инактивации яиц гельминтов в жидких отходах 120
4.3.2. Исследования биоаэрационного способа инактивации яиц гельминтов в твердых отходах 126
4.3.3. Характеристики биоаэрационной инактивации возбудителей паразитозов 130
4.4. Определение микробиологических характеристик биоаэранионного воздействия в водной среде 137
Выводы по главе 4 142
5. РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ БИОАЭРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЕГЕЛЬМИНТИЗАЦИИ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ 143
5.1. Исследование фоновых показателей инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах 143
5.2. Выбор технологических схем инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах 150
5.3. Конструктивные особенности сооружений, используемых для биоаэрационной шіактивации возбудителей паразитозов 156
5.4. Испытания биоаэрационной технологии дегельминтизации жидких и твердых отходов 159
Выводы по главе 5 165
6. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ЗАЩИПЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОТ ПАРАЗИТАРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 166
6.1. Моделирование инактивации возбудителей паразитозов с учетом биотических и абиотических факторов 166
6.2. Эколого-экономическое обоснование биоаэрационного метода инактивации возбудителей паразитозов 172
Выводы по главе 6 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Анализ влияния природных факторов на процесс инактивации возбудителей паразитозов в окружающей среде
- Экология развития возбудителей паразитозов в техногенных системах
- Статистическая обработка результатов исследований
Введение к работе
1.1. Актуальность темы исследования. В условиях все возрастающей антропогенной нагрузки на водные и почвенные ресурсы окружающей среды первостепенное значение приобретают экологические исследования причин и способов предотвращения их воздействия.
Размещение жидких и твердых отходов техногенных объектов в окружающей среде приносит, помимо физических и химических компонентов, огромное количество жизнеспособных возбудителей паразитарных заболеваний. Высокая устойчивость экологического цикла возбудителей паразитозов способствует накоплению их в водных и почвенных объектах урбоареалов, что приводит к массовому распространению паразитарных заболеваний среди населения и животных.
Применение традиционных методов обеззараживания указанных отходов не обеспечивает необходимую эффективность дегельминтизации паразитарной основы. Использование специальных способов в большинстве случаев экономически нерентабельно и экологически небезопасно. Поэтому отходы техногенных объектов являются эпидемиологически опасными субстратами для окружающей среды и не могут быть использованы в качестве удобрений (СанПиН 2.1.7.573-96). Техногенные системы являются основным поставщиком возбудителей паразитозов в окружающую среду.
Поэтому экологический анализ и регулирование инактивации возбудителей паразитозов в урбоареалах, в первую очередь, необходимо производить в местах их распространения и сосредоточения - техногенных системах.
Данная работа выполнялась в рамках Государственной программы
«Архитектура и строительство» по госбюджетной теме «Совершенствование
процессов очистки природных и сточных вод Южного региона с учетом
экологических требований» (номер Государственной регистрации
01.9.40001739). ^
Г-ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ .
БИБЛИОТЕКА 1
С.Петербург . I
» 09 Юф ыпЧЪЭ I
1.2. Область исследования: прикладная экология - исследование f
особенностей эмбриогенеза и инактивации паразитарного загрязнения в *
техногенных системах для предотвращения обсеменения водных и
почвенных ресурсов урбоареалов.
-
Объектом исследования являлись техногенные объекты урбоареалов, загрязняющие водные и почвенные ресурсы окружающей среды возбудителями паразитозов >
-
Предмет исследования - состояние и регулирование биологического цикла возбудителей паразитозов в техногенных системах урбоареалов.
1.5. Цель и задачи работы - анализ и обоснование путей оптимизации
процесса инактивации паразитозов под действием биотических и
абиотических факторов в твердых и жидких отходах техногенных систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
выявление проблемных ареалов образования и распространения возбудителей паразитозов и разработка концептуальной схемы их инактивации;
теоретическое описание особенностей перемещения и инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах урбоареалов;
обоснование классификационных признаков инактивации яиц гельминтов в твердой и жидкой фазах органических отходов;
теоретико-экспериментальная оценка и оптимизация процесса инактивации возбудителей паразитозов при комбинированном воздействии абиотических и биотических факторов;
разработка и внедрение биоаэрационной технологии инактивации возбудителей паразитозов в природоохранные системы урбоареалов.
1.6. Основная идея работы. Предотвращение паразитарного
загрязнения водных и почвенных объектов урбоареалов за счет вывода в них
полностью дегельминтизированных жидких и твердых отходов.
1.7. Методы исследования. Основными методами исследования
являлись: систематический анализ процессов дегельминтизации в
техногенных системах, имитационное моделирование процессов
инактивации возбудителей паразитозов в урбоареалах, активное
планирование экспериментов с использованием апробированных методик
санитарной паразитологии, статистическая обработка экспериментальных
данных и математическое описание процессов инактивации возбудителей
паразитозов в жидких и твердых отходах.
1.8. Научная новизна работы:
предложена модель взаимодействия процесса дегельминтизации жидкой и твердой частей органических отходов с водными и почвенными объектами окружающей среды;
получены зависимости эффективности инактивации возбудителей паразитозов препаратом «Бингсти» от концентрации органических загрязнений и гидродинамических характеристик движения жидких и твердых отходов в техногенных системах;
установлены показатели позитивного и негативного воздействий биотических и абиотических факторов техногенных систем на возбудителей паразитозов и выявлены процессы блокирования и деблокирования яиц гельминтов в органических субстратах;
установлено слабое бактерицидное действие биоаэрационной обработки на индикаторные колиформные организмы в водной среде.
1.9. Наиболее существенные научные результаты, полученные
лично автором состоят:
в установлении степени вклада стадий накопления, транспортировки и обработки жидких и твердых отходов в процесс инактивации возбудителей паразитозов;
в экспериментальном обосновании оптимальных параметров комбинированного воздействия препарата «Бингсти» и аэрации на возбудителей паразитозов в жидких и твердых органических отходах,
анализе результатов, математической формализации выявленных зависимостей и эколого-экономической оценке реализации биоаэрационной технологии в техногенных системах.
-
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием стандартных методик паразитологических исследований и общепринятых методик определения показателей качества твердых и жидких субстратов, выполнением планирования экспериментов в программе ПЭСМ4ф, математической формализацией результатов большого массива опытов с помощью пакетов статистического анализа Microsoft Excel и Statistica (StatSoft Inc.), сходимостью данных теоретических исследований с результатами экспериментов (относительная погрешность ±11%, при доверительной вероятности 0,95).
-
Практическая значимость работы:
разработана экологически обоснованная, ресурсосберегающая, высокоэффективная биоаэрационная технология инактивации возбудителей паразитозов в техногенных системах урбоареалов;
обоснованы точки ввода и технические решения по биоаэрационной обработке в ходе процессов накопления, транспортировки и обработки органических отходов;
на базе производственных испытаний биоаэрационной технологии инактивации возбудителей паразитозов разработаны рекомендации по реконструкции техногенных систем г. Усть-Лабинск; экономических эффект от внедрения составил 683 тыс. рубУгод;
составлены рекомендации для включения биоаэрационной технологии в классические схемы сбора, транспортировки и обработки органических отходов в зависимости от соотношения количественных и гидравлических параметров;
получены два патента РФ на способы инактивации возбудителей паразитозов в жидкой и твердой фазах органических отходов, свидетельство на полезную модель насосной станции.
1.12. Реализация результатов работы. Рекомендации по
интенсификации дегельминтизации жидких и твердых органических
субстратов с применением растительного препарата реализованы в ряде
проектов строительства и реконструкции систем коммунального хозяйства
Ростовской области и Краснодарского края, используются в деятельности
природоохранных органов Ростовской области и учебном процессе РГСУ.
1.13. Основные положения диссертационной работы, выносимые на
защиту:
модель взаимодействия процессов дегельминтизации органических отходов с водными и почвенными объектами окружающей среды базируется на концептуальной схеме инактивации возбудителей паразитозов в урбоареалах, включающей этапы накопления, транспортировки и обработки жидких и твердых отходов;
параметрически процессы дегельминтизации отходов на основных этапах характеризуются: их качественными характеристиками, временем накопления, характером движения потоков, величинами физико-механического, биологического и химического воздействий на возбудителей паразитозов;
эффективность инактивации возбудителей паразитозов препаратом в жидких и твердых отходах определяется величинами органического загрязнения, рН, удельного расхода воздуха и концентрации препарата;
процесс блокирования яиц гельминтов характеризуется величиной органической составляющей отходов и временем накопления, а процесс деблокирования - характером движения потоков отходов и воздействием физико-механических факторов;
действие биоаэрационной обработки не нарушает естественного хода биологической обработки жидких и твердых отходов техногенных систем.
1.14. Апробация работы. Основные положения и результаты работы
доложены и обсуждены на: международных научно-практических
конференциях института инженерно-экологических систем РГСУ
(г. Ростов-на-Дону, 1997-2003 гг.); международных конференциях молодых специалистов Ростовской экономической академии (г. Ростов-на-Дону, 1997-2000 гг.).
-
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 17 печатных работах, в том числе двух патентах РФ на изобретения №2120421, №2167825 и одном свидетельстве на полезную модель №15724.
-
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 174 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет 234 страницы, из них 178 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков, 17 таблиц, 7 приложений на 30 страницах.
Анализ влияния природных факторов на процесс инактивации возбудителей паразитозов в окружающей среде
Естественными факторами, определяющими воздействие природной среды на яйца гельминтов, являются: температура, влажность, солнечная радиация, кислородный режим, биогенные отношения. В природе все эти факторы имеют разную силу и специфику воздействия на яйца гельминтов. Некоторые из этих факторов способны оказывать только губительное действие, другие, при определенных условиях, могут благоприятствовать развитию или сохранению жизнеспособности яиц гельминтов.
На основе литературных данных, можно охарактеризовать действие указанных параметров окружающей среды и выделить факторы, обладающие наибольшей силой губительного воздействия на яйца гельминтов.
Температура среды. Самым мощным из естественных факторов является температура. Перепад температур от 5 до 15 С от нормальных условий, в положительную или отрицательную сторону, ингибирует развитие яиц больпшнства видов гельминтов. Однако, некоторые виды, к примеру, яйца аскарид, обладают повышенной устойчивостью к воздействию температуры. Они могут полноценно развиваться в интервале температур от + 8 до 37С. Даже в экстремальных условиях, при температуре - 30С, на открытой поверхности яйца аскарид сохраняют жизнеспособность в течение суток, в то же время как яйца власоглавов погибают за несколько минут [37, 87, 131]. Критической плюсовой температурой для яиц аскариды является + 45 С, при которой они гибнут в течение часа. В почвах и осадках, выдерживаемых в природных условиях, гибель яиц аскариды может происходить лишь на поверхности, в летний период [21, 82, 84]. Нагрев в природных условиях происходит за счет солнечной инсоляции, поэтому такое воздействие имеет нестабильный и неравномерный характер.
Влажность среды. Следующим климатическим фактором воздействия на яйца гельминтов является влажность. Экспериментально установлено, что недостаток влажности приостанавливает развитие яиц и может привести к их гибели. При влажности воздуха 45-60% и комнатной температуре 19-24С яйца аскариды на открытой поверхности погибают через 14 суток. Оптимальным интервалом влажности воздуха для яиц гельминтов является 85-100% [24, 87]. В естественных условиях яйца гельминтов могут нормально развиваться в почвах или осадках при влажности их не ниже 6-10% [21]. Для большинства регионов России, природный уровень влажности почв на глубине 10-20 см не опускается ниже 10-15%, поэтому он является оптимальным для развития и сохранения паразитарного начала [83]. В частных случаях, перепады влажности воздуха или почвы могут способствовать усилению действия других климатических факторов на яйца гельминтов.
Солнечная радиация. В природных условиях солнечные лучи могут значительно ускорить гибель яиц гельминтов. Из спектра дневного света наибольшим губительным действием на яйца гельминтов обладают инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. В этом случае гибель яиц гельминтов зависит не от продолжительности облучения, а от интенсивности и количества солнечной радиации. В лабораторных условиях установлено, что яйца аскарид и власоглавов теряют жизнеспособность при интенсивности освещения от 20-29 биодоз (одна условная биодоза 5 эрг/мин на 1 м2) [87]. В естественных условиях уровень солнечной радиации не превышает 1-5 биодоз, что говорит о слабом влиянии естественного фона ультрафиолетового облучения на яйца гельминтов. Более мощное воздействие на паразитарное начало оказывает инфракрасное облучение, вызывающее нагрев яиц гельминтов до критической температуры. Опыты показали, что яйца аскарид погибают на поверхности почвы при облучении прямыми солнечными лучами в 100%: яйца, лишенные белковой оболочки, через 2 часа; полноценные яйца через 7-9 часов. Для гибели яиц аскарид необходимо 3388 градусо-дней эффективного тепла или 228,1 ккал солнечной радиации [83].
В реальных условиях действие солнечной радиации не оказывает существенного влияния на выживаемость яиц гельминтов, поскольку ее действие ощутимо только на поверхности, а величина солнечной инсоляции зависит от погодных условий.
Кислородный режим среды. Большинство исследователей, считает что, кислородный режим является одним из наиболее значимых параметров, определяющих развитие и выживаемость яиц гельминтов в природной среде [17,24,37,87,113].
Данные С.К. Бизюлявичуса и О.Е. Пестушенко говорят о том, что яйца аскариды могут нормально развиваться в питьевой воде при наличии растворенного кислорода не менее 6,5 мг/дм3 во всем интервале благоприятных для них температур (7-37С) [74].
По данным В.А. Гефтер при содержании кислорода в воде 1,1 - 1,6 мг/дм и температуре 23С скорость развития яиц аскарид снижается на 50%, при той же температуре, но при концентрации кислорода 1,6-2,6 мг/дм3 скорость развития снижается на 30%. При повышении температуры до 30С развитие яиц аскарид идет нормально при содержании кислорода 1,8-4,3 мг/дм3, снижение концентрации кислорода до 0,9-1,8 мг/дм3 замедляет их развитие на 30-50%, что косвенно указывает на стимулирующую роль температуры при низких концентрациях кислорода [12, 40, 87].
Сроки выживаемости яиц гельминтов в природных водоемах также находятся в прямой зависимости от количества растворенного кислорода. При содержании кислорода в воде 3-5 мг/дм3 яйца аскарид в значительном проценте погибают через 3-4 месяца, а при 8-10 мг/дм3 они выживали до полутора лет [87]. В придонном иле наблюдаются анаэробный режим, но отдельные экземпляры яиц аскарид сохраняли жизнеспособность в нем до года [6].
В почвах и осадках уровень насыщения воздухом, в большинстве случаев, является достаточным для развития и выживаемости яиц гельминтов, поскольку даже при малом доступе кислорода развитие яиц гельминтов не нарушается. По данным Л.Л. Димидовой, в тяжелых суглинистых грунтах на глубине 10-20 см, при благоприятных температурных условиях, яйца Askaris Lmnbricoides развиваются до стадии инвазионной личинки в течение 37-55 дней и сохраняют жизнеспособность более трех лет, что говорит о наличии оптимального кислородного режима на протяжении времени развития и сохранения жизнеспособности яйца [23]. Причинами такой ситуации является капиллярно-пористая структура, обеспечивающая доступ достаточного количества воздуха к поверхности яйца паразита.
Представленные данные показывают, что в природных водоемах, осадках и почвах кислородный режим имеет уровень благоприятствующий развитию и выживанию в них яиц гельминтов. Процесс проникновения кислорода внутрь определяется как условиями водной среды, так и физиологическими особенностями строения яйца гельминта, которые будут подробно рассмотрены во второй главе.
Экология развития возбудителей паразитозов в техногенных системах
Продолжительность развития или сохранения жизнеспособности возбудителей паразитозов в окружающей среде определяется как их особенностями строения, так и параметрами температурного и кислородного режимов самой среды [24, 44, 51, 68, 132, 171].
Высокая устойчивость яиц гельминтов к воздействию естественных факторов, прежде всего, обусловлена особенностями строения и их развития в окружающей среде. В техногенные системы яйца гельминтов попадают обычно на начальных стадиях развития. Полное созревание яиц гельминтов происходит в природной среде. При благоприятных условиях природной среды срок развития (эмбриогенеза) яиц гельминтов до инвазионной формы не превышает 1-2 месяцев [74, 76, 87, 132].
Яйцо гельминта представляет собой практически автономную систему, включающую в себя: запас питательных веществ (жировые клетки и гликоген), инструменты обмена веществ, программу развития эмбриона от бластомера до инвазионной личинки. Развитие яиц различных видов гельминтов имеет разные программы, но основные этапы во многом имеют схожие черты. Процесс развития яиц гельминтов на примере самого распространенного вида Askaris Lumbricoides представлен на рисунке 5 [24, 76,141,159].
Исходный этап включает в себя стадии деления бластомера яйца вплоть до образования морулы. По времени первый этап не превышает 4-5 суток.
Далее следует самый продолжительный этап развития личинки от морулы до гаструлы. На этом этапе происходит процесс метаморфоза.
Третий этап начинается с формирования неподвижной личинки в яйце. Яйца на этой стадии уже способны заразить организм человека или животного (хозяина). При благоприятных условиях личинка может полностью созреть до инвазионной стадии (способна заразить хозяина) в течение нескольких дней. Созревшая личинка не развивается и существует благодаря ресурсам питательных веществ. В большинстве случаев она малоподвижна, поскольку находится в режиме сохранения энергетических ресурсов [68, 75, 132, 141].
Основной особенностью развития яиц геогельминтов является то, что последние два этапа могут быть пройдены только в случае пребывания определенного количества времени в окружающей среде [24, 76, 87, 159].
Рассмотрим некоторые морфологические особенности строения яйца Askaris Lrnnbricoides, как самого устойчивого к воздействиям факторам внешней среды, указанные на рисунке 6 .
При микроскопном рассмотрении нормальное оплодотворенное яйцо аскариды, в основном, имеет овальный вид и покрыто толстой многослойной скорлупой. В центре яйца находится темно-серое тело - зародышевая клетка (/), заполняющая в поперечнике пространство внутреннего контура почти полностью. Зародышевая клетка находится в околоплодной жидкости (2), где в растворенном состоянии находятся питательные вещества, продукты метаболизма и ферменты обмена веществ. В продольном направлении между краями бластомера и полюсами яйца остается значительное свободное пространство, заполняемое резервом питательных веществ (жир и гликоген) [87].
Особого внимания заслуживает скорлупа, вьшолняющая функцию защиты от неблагоприятных внешних воздействий на яйцо. Внутренние слои скорлупы видны как гладкая и бесцветная двухконтурная многослойная оболочка (3), внешний слой представлен в виде фестончатой белковой оболочки (4), окрашенной пигментами в коричневый или желто-бурый цвет [24, 87].
Внешняя белковая оболочка исполняет роль основного защитного барьера на пути проникновения вредных внешних воздействий внутрь яйца, и в тоже время, обеспечивает необходимый уровень обменных процессов с внешней средой. Доказательством этого, может служить то, что яйца аскариды лишенные белковой оболочки погибают во внешней среде в течение нескольких суток [24,68, 76, 87,132].
Объясняется это тем, что полупроницаемая белковая оболочка, содержит в своем составе молекулы белков, липидов, полисахаридов и хитина Биологические структуры скорлупы содержат в большом количестве, как внутримолекулярные водородные связи, так и межмолекулярные водородные связи, по системе которых возможен перенос из атома в атом. При этом выделяется группа ионов водорода на противоположном участке белковой молекулы или биополимера, а иногда в надмолекулярных структурах. Перенос протонов в разветвленной системе водородных связей, как межмолекулярных, так и внутримолекулярных, наделяет белковые структурные молекулярные объединения полугфоводниковыми свойствами. Благодаря подобной белковой защите яйца аскарид очень устойчивы к действию химических реагентов, в особенности к действию окислителей. Рельефная поверхность и прочное волокнистое строение белковой оболочки также обеспечивают смягчение температурного или механического воздействия, а также поддерживают необходимый водный баланс внутреннего вещества яйца [24, 76, 87,141].
Статистическая обработка результатов исследований
Каждый этап содержит по 3-5 серий экспериментов, проведенных независимо друг от друга Серии экспериментов производились на разных по составу жидких и твердых отходах, однако, их анализ производился в одинаковых условиях и на постоянном оборудовании. На первом этапе математической обработки, доверительная оценка полученных данных предварительных исследований производилась отдельно по каждой серии опытов. С помощью функций анализа данных Microsoft Excel, для заданной доверительной вероятности (надежности оценки) Р = 0,95, определялись: среднее арифметическое значение данных одной серии, величина доверительного полуинтервала изменения величины, достоверные средневзвешенные величины определяемой величины по количеству повторений опыта [7, 47].
Для оптимизации хода проведения экспериментов и формализации исследованных процессов в виде математических (теоретических) моделей было произведено активное планирование экспериментов [10, 11, 91, 105, 130]. Проработка литературного материала по данному направлению позволила разработать алгоритм активного планирования эксперимента, ориентированный на исследование многофакторных экотехнологических процессов. В программном виде планирование эксперимента с последующим получением различных форм модели исследуемого процесса, было реализовано в программе «ПЭСМ4ф». Блок-схема алгоритма работы программы и внешний интерфейс представлены в приложениях Г и Д.
В соответствии с шаговым принципом факторный эксперимент первоначально рассматривался как линейная модель, описываемая полиномом первой степени. Линейная зависимость рассматривалась на двух уровнях (минимальном и максимальном), и выражалась в виде уравнения регрессии:
При равномерном дублировании, количество опытов п для полного факторного эксперимента принималось равным 2к, для дробного 2к \ Число параллельных опытов т практически во всех экспериментах было равно 5.
Для построения стандартной ортогональной матрицы планирования эксперимента производилось кодирование факторов по формуле: Xt Хю _v
Л где zt - кодовое значение фактора, обозначало: «+» - верхний уровень фактора, «-» - нижний уровень фактора, «О» - основной (нулевой) уровень фактора; xf - натуральное значение фактора; хю - значение итого фактора на нулевом уровне; Д - интервал варьирования г -го фактора.
Ортогональный план первого порядка (матрица планирования) составлялся на основании кодированных величин факторов и определяющего контраста.
Раздельную (независимую) оценку коэффициентов регрессии производили по данным реализации плана эксперимента.
Для учета влияния случайных факторов на результат экспериментов, производилась рандомизация порядка постановки опытов.
Проверку воспроизводимости опытов при одинаковом числе параллельных опытов производили по критерию Кохрена:
При расчете коэффициенты регрессии, имеющие тройные и более высокого порядка взаимодействия, приняты равными нулю [105, 115]. Исходя из определяющего контраста матрицы планирования эксперимента, выделялись совместные оценки и равенства коэффициентов. Например, при дробном четырехфакторном эксперименте они имели вид: ZiZ2 - Z3Z4, Zfa = Z2Z4\ Z&4 = Z2Z3. Соответственно, справедливы равенства коэффициентов: bj = Ь2ЬзЬ4\ b2 — ЬфзЬї, Ьз = Ь\Ь2Ь4\ Ь4 = ЬіЬ2Ьз\ Ьф2 = ЬзЬ/, bfa — b2b4\ bjb4 — Ь2Ъз Определение свободного члена, линейных и смешанных коэффициентов регрессионного
В случае невыполнения условия производилось новое планирование эксперимента с полиномом более высокой степени. При выполнении условия производилось декодирование уравнения (3.13) с помощью формулы (3.5), и получение конечной формы модели, учитывающей реальные размерности факторов.
Для упрощения вида конечной модели и учета влияния взаимодействий, неучтенных в линейной модели, осуществлен его преобразование в степенную форму.
При преобразовании регрессионной модели (3.4) в степенную форму использовали ортогональную матрицу планирования. После логарифмирова 101
ния с натуральным основанием значений параллельных опытов на всех уровнях получали средние логарифмические значения функции отклика ln(Y. ).
Далее подставляя полученные значения ln(Yj) в формулы (3.9), (ЗЛО),
(3.11), получали логарифмические коэффициенты факторов, причем в рассмотрение входили тройные и четверные взаимодействия.
Используя совместные оценки и генерирующие соотношения, преобразовывали формулу (3.13) следующим образом:
На основании программной реализации рассмотренного алгоритма, в качестве примеров, были спланированы лабораторные эксперименты исследований биоаэрационной инактивации возбудителей паразитозов в сточных водах и осадках. Дескрипторы (расчетные формы) планирования указанных экспериментов представлены в приложении Е.
На основании полученных в программе «ПЭСМ4ф» уравнений в визуальном модуле пакета Statistica производили построение графических зависимостей для исследованных процессов.
