Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ

ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОЛИГОНА ТБО

8.1. Критерии и граничные условия применения физико-химических методов очистки фильтрационных вод

на различных этапах жизненного цикла полигона ТБО

Анализ рассмотренных методов очистки фильтрационных вод, обра­ зующихся на различных этапах жизненного цикла полигона ТБО, позволя­ ет определить критерии и граничные условия применения каждого метода:

• ФВ, образующиеся на первых стадиях активной эксплуатации по­ лигона и имеющие ХПК более 10 000 мг О/дм3, необходимо обезвреживать в анаэробных условиях в метантенках или в биореакторах с иммобилизо­ ванной микрофлорой. Анаэробная очистка позволяет снизить значение ХПК на 50-60%;

• предварительное известкование и коагуляция ФВ перед стадией анаэробной очистки позволит снижать содержание ионов тяжелых метал­ лов, солей жесткости ФВ, оказывающих ингибирующее действие на био­ ценоз активного ила;

• очищенные в анаэробных условиях ФВ должны пройти доочистку физико-химическими методами;

• ФВ, образующиеся на стадии активного и стабильного метаногенеза (20-30 лет эксплуатации полигона, рекультивационный и пострекультивационный периоды) и имеющие ХПК = 600... 1600 мг О/дм3, со­ держат биорезистентные и ингибирующие примеси. Без предварительной химической или физико-химической обработки применение интенсивных биохимических методов, как в анаэробных, так и в аэробных условиях, ма­ лоэффективно.

Метод озонирования ФВ целесообразно использовать:

1) на стадии предварительной очистки ФВ, содержащих биорези­ стентные и высокомолекулярные окрашенные примеси («старый» фильт­ рат), обработкой ФВ небольшими дозами озона (50-150 мг/дм в зависи­ мости от исходного значения ХПК) можно на 70-80 % снизить цветность воды, полностью удалить запах, хлорсодержащие ароматические соедине­ ния. Показано, что при озонировании происходит расщепление окрашен­ ных примесей с образованием продуктов с молярной массой 6002000 г/моль, которые могут быть удалены как биохимическими, так и фи­ зико-химическими методами;

2) на стадии доочистки ФВ, образующихся в ацетогенной фазе био­ деструкции отходов («молодой» фильтрат), для обеззараживания и удале­ ния трудноокисляемых низкомолекулярных соединений, а также остаточ­ ной цветности и запаха воды.

При дозах озона 250-500 мг/дм3 можно добиться глубокой очистки воды до требуемых нормативов. Однако использование озонирования в качестве основного метода обезвреживания ФВ экономически нецелесооб­ разно, т.к. требует значительных энергетических затрат.

Озонированием можно решить проблему обезвреживания концен­ тратов, образуемых при ультрафильтрации ФВ. Обработка высококонцен­ трированных вод (до 8000 мг Ог/дм3) малыми дозами озона позволит уда­ лить из них биорезистентные и окрашенные примеси. Возврат обогащен­ ной кислородом воды на стадию сбора фильтрата или его биохимической очистки позволит интенсифицировать процессы самоочищения и деструк­ ции органических веществ.

Анализ применения методов коагуляции и гальванокоагуляции по­ зволил установить следующее:

• реагентную коагуляцию с использованием глинозема или солей железа (III) можно рекомендовать на первой стадии очистки «молодых» фильтратов. Метод позволяет на 40-50 % снизить величину ХПК ФВ за счет удаления взвешенных и окрашенных примесей при дозах реагентов 40-50 г/м3 Применение метода для очистки «старых» фильтратов, обра­ зующихся на стадиях рекультивации и пострекультивационном этапе жиз­ ненного цикла полигона, в связи с низкой эффективностью и высокими эксплуатационными затратами экономически неоправданно;

•для предварительной очистки «молодых» и «старых» фильтратов от взвешенных и коллоидных веществ, ионов тяжелых металлов, а также солей жесткости наиболее целесообразно осуществлять процесс фильтра­ цией воды через слой загрузки при pH 7,5-8 с использованием в качестве реагентов материалов, обладающих коагулирующими свойствами (шлак, мраморная крошка, известь, доломит). Степень очистки ФВ в обоих случа­ ях не превышает 50 %;

•гальванокоагуляция с использованием в качестве токообразующих элементов металлического скрапа (железные или алюминиевые стружки) и углеродсодержащего материала - сорбента-Н, для очистки ФВ, имеющих

ХПК 600-1000 мг О/дм3, обеспечивает снижение величины ХПК на 4060 % и на 80-90 % цветности ФВ;

•использование в качестве гальванопары алюминиевого скрапа и углеродсодержащего материала позволяет снизить содержание хлоридионов на 68-65 %;

•низкие капитальные и эксплуатационные затраты, простота об­ служивания установок позволяет использовать метод для очистки ФВ, об-

разующихся на рекультивационном и пострекультивационном этапах жиз­ ненного цикла полигона ТБО или на объектах малой мощности.

Анализ использования методов сорбционной и ионообменной очи­ стки ФВ с применением промышленных марок АУ, природных материа­ лов, отходов производств позволяет разработать ряд требований к выбору сорбентов:

• сорбционные и ионообменные методы эффективны при очистке низкоконцентрированных сточных вод (ХПК менее 1000 мг 0 2/дм3, со­ держание ионов металлов менее 50 мг/дм3), поэтому их можно рекомендо­ вать на стадии доочистки ФВ или очистки ФВ, образующихся в пострекультивационный период;

• сложный химический состав фильтрационных вод приводит к не­ обходимости использования для их очистки сорбционных материалов с различной пористой структурой;

• для очистки ФВ от низкомолекулярных ароматических соедине­ ний необходимо использовать микропористые АУ с размером микропор 0,45-0,5 нм и объемом микропор не менее 0,2 см3/г. Наиболее эффектив­ ными сорбентами в этом случае являются промышленные марки АУ: АА, БАУ;

• для очистки ФВ от высокомолекулярных примесей и комплексных ионов металлов (гуматы) необходимо использовать мезопористые угле­ родные материалы с объемом мезопор не менее 0,12 см3/г типа АБД. Уста­ новлено, что для этих целей в качестве сорбентов также можно применять отходы производств АУ, сорбент-Н, металлургический шлак;

• для извлечения гидратированных ионов тяжелых металлов можно использовать различные природные и синтетические ионообменные мате­ риалы. При очистке ФВ целесообразно применение дешевых природных сорбентов: керамзита, каолина, сапропеля, горелой породы, диатомита идр.-

• реализация сорбционных методов очистки ФВ возможна с исполь­ зованием многослойных фильтров, содержащих материалы с различной пористой структурой;

• доочистку озонированных ФВ можно осуществлять адсорбцией на микропористых промышленных марках АУ: АГ-3, БАУ и др. Предвари­ тельное озонирование воды значительно увеличивает межрегенерацион­ ный период работы угольных фильтров.

Для очистки ФВ, образующихся на поздних стадиях эксплуатации полигона, возможно применение биосорбционныхметодов очистки:

• применение сорбционных материалов в биофильтре позволяет значительно повысить эффективность очистки за счет одновременно про­ текающих процессов сорбции и биохимического окисления примесей;

•развитая поверхность углеродсодержащих материалов катализиру­ ет процессы биохимического окисления за счет одновременной адсорбции органических соединений и кислорода и позволяет удалять из воды трудноокисляемые примеси;

•преимуществом биосорбционного аппарата является возможность саморегенерации загрузочных материалов в процессе биохимического окисления примесей;

•метод целесообразно использовать для очистки «старого» фильт­

рата.

Для очистки ФВ от низкомолекулярных органических соединений и ионов тяжелых металлов, а также для снижения общего солесодержания можно использовать мембранные методы очистки. Для очистки можно ре­ комендовать использование промышленных полимерных ультрафильтрационных и обратноосмотических мембран.

В перспективе для очистки агрессивных сточных вод можно реко­ мендовать использование керамических мембран на основе карбида кремния и сиалона. Проведенный анализ применения керамических мем­ бран для очистки воды позволил установить:

•керамические мембраны на основе карбида кремния с диаметром канальных пор 0,3-0,4 мкм способны очищать растворы, содержащие вы­ сокомолекулярные соединения, размеры которых могут изменяться от 1,4 до 10-100 нм;

• фильтр на основе сиалонов с размерами канальных пор 1,2- 1,3 мкм обеспечивает очистку воды от высокомолекулярных комплексных соединений - гуматов железа (III);

•керамические мембраны могут применяться в многоцикловом ре­ жиме. Восстановление фильтрующей способности исследованных образ­ цов может быть достигнуто при промывке отработанных материалов водой или растворами кислот при давлении 4-5 атм, а также при их высокотем­ пературной регенерации (Т = 600...800 °С);

•показана возможность применения керамических мембран для глубокой очистки ФВ полигонов ТБО от окрашенных примесей, гуматов тяжелых металлов, ионов кальция и магния, а также карбонатов кальция и магния;

•метод можно рекомендовать для доочистки ФВ, образующихся на различных этапах жизненного цикла полигона захоронения ТБО.

Выбор методов очистки фильтрационных вод при разработке ком­ плексной технологии может быть реализован при сопоставлении химиче­ ского состава ФВ на каждом этапе жизненного цикла полигона и соответ­ ствующих этому составу методов очистки (табл. 8.1).

ХПК > 6000 мг О/л, ВПК > 3000 мг 0 2/л, ВИК/ХП1К

Таблица 8.2

Ориентировочные значения площади полигонов (га) для складирования ТБО в течение 15 лет

Рассмотрим варианты комплексных технологий очистки ФВ для ка­ ждой выделенной группы полигонов ТБО.

8.2.1. Варианты технологий очистки ФВ проектируемых полигонов и полигонов, находящихся на стадии активной эксплуатации

Для проектируемых полигонов наиболее перспективными будут блочно-модульные технологические схемы очистки ФВ, позволяющие управлять процессом при изменяющемся составе сточных вод и этапах де­ струкции отходов.

На первом этапе эксплуатации полигонов (5-10 лет с начала склади­ рования) при ацетогенной фазе биодеструкции отходов ФВ характеризу­ ются высоким содержанием ионов тяжелых металлов и органических ве­ ществ, способных к биохимической деструкции. На этом этапе технологи­ ческие схемы очистки ФВ должны содержать блок очистки от ионов тяже­ лых металлов, взвешенных и коллоидных частиц и блок биохимической очистки. Можно рекомендовать следующие основные стадии очистки:

•коагуляция примесей ФВ путем фильтрации воды через слой шла­ ка или мраморной крошки, извести или доломита при величине pH 7,5-8;

•анаэробная очистка ФВ в метантенках, денитрификаторах;

•аэробная очистка в аэротенках или биофильтрах;

•осветление воды в отстойниках или очистка от взвешенных частиц на скором песчаном фильтре.

При высоких значениях ХПК (более 15000 мг/дм3) ФВ перед стадией анаэробной очистки могут быть подвергнуты аэробной стабилизации.

Доочистку воды можно осуществлять различными способами, выбор которых будет зависеть от остаточной концентрации примесей в очищен­ ной воде, требований к качеству воды и экономических возможностей за­ казчика:

•биологические многокаскадные пруды;

•очистка в биосорбционном фильтре с последующей доочисткой в биологическом пруду;

•озонирование воды или облучение УФИ с последующей адсорбци­ ей примесей на многослойном фильтре, содержащем различные марки АУ или углеродсодержащие отходы, способные к сорбции высоко- и низкомо­ лекулярных веществ, и ионообменный материал для извлечения ионов тя­ желых металлов, например диатомит;

•очистка воды методами микро-, ультрафильтрации и обратного

осмоса.

В качестве мембранных материалов можно использовать промыш­ ленные полимерные мембраны. Проведенные исследования показали, что для ультрафильтрации можно рекомендовать керамические пористые ма­ териалы на основе карбида кремния, которые обладают более высокими эксплуатационными характеристиками. Преимуществом этих материалов является также возможность регулирования их пористой структуры при синтезе и способность к регенерации.

Концентрат, образующийся при ультрафильтрации и обратном осмо­ се, можно:

а) обрабатывать небольшими дозами озона для разрушения биорезистентных и окрашенных примесей и водой, обогащенной кислородом,

б) направлять частями на стадию аэробной очистки и в сборник не­ очищенной воды.

Предложенные варианты схем очистки представлены на рис. 8.1.

Со временем в теле полигона начинаются процессы метаногенеза и гумификации отходов. При этом в ФВ будут накапливаться биорезистентные примеси, гуминовые соединения и снижаться эффективность биохи­ мической очистки, уменьшаться концентрация ионов металлов. В этом случае, используя имеющиеся сооружения, можно изменить их функцио­ нальную направленность, очередность операций. Например, фильтр с коа­ гулянтом может быть заменен многослойным адсорбционным фильтром, содержащим шлак, сорбент-Н, отсев АУ для очистки от окрашенных и биорезистентных примесей.