Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

биохимически образуемой и потребляемой водой можно считать равной нулю. Таким образом, при краткосрочном прогнозировании объемов фильтрационных вод существенную роль в водном балансе играют такие факторы, как биохимическое образование воды, и аккумулирующая спо­ собность полигона. При долгосрочном прогнозировании (через несколько десятилетий депонирования отходов) ориентировочный объем ФВ может быть рассчитан на основе климатического водного баланса, т.е. по разнице А О -И .

Объем фильтрационных вод в зависимости от влажности отходов и климатических условий обычно составляет 25-50 % от массы складируе­ мых отходов, или 2500-3000 м /га.

Внастоящее время существуют модели расчета количества фильтрационных вод, в той или иной мере учитывающие многообразие факторов, влияющих на объем ФВ.

Вориентировочных расчетах пользуются формулой, разработанной

вАКХ им. К.Д. Памфилова. Расчет основан на положении, что фильтрат не образуется при складировании ТБО влажностью менее 52 % в климатиче­ ских зонах, где годовое количество атмосферных осадков превышает не более чем на 100 мм количество влаги, испаряющейся с поверхности. Та­ кая зависимость математически описывается следующим выражением:

где V- годовой объем фильтрационных вод, тыс. м3/год; И - средняя региональная норма стока, мм/год;

Q - среднегодовое поступление ТБО, тыс. м3 /год;

100 - снижение нормы стока за счет воды, испаряющейся с поверхности полигона, мм/год;

W - среднегодовая влажность отходов, %; S - площадь полигона, га.

Более точный расчет объема фильтрационных вод с учетом площади складирования, массы накопленных ТБО, гидрологических и климатиче­ ских условий, этапа жизненного цикла полигона может быть произведен по методике, разработанной специалистами кафедры охраны окружающей среды Пермского государственного технического университета (ПГТУ) или по программе расчета, представленной Агентством по охране окру­ жающей среды (США).

Существенным отличием ФВ от других типов сточных вод является неравномерность их накопления в течение года за счет сезонных колеба­ ний уровня атмосферных осадков. Наибольший объем фильтрата образует­ ся в паводковый и осенний периоды.

1.4. Технологии складирования и инженерная инфраструктура полигона ТБО

Значительное влияние на объем образующихся фильтрационных вод оказывают технология складирования ТБО и инженерное обустройство полигона.

Технология депонирования ТБО состоит из четырех основных ста­ дий: приема отходов, складирования, уплотнения и изоляции.

На современно обустроенных полигонах складирование отходов осуществляют по картам депонирования или отсекам. Разгрузку проводят на специально подготовленной площадке, а затем перемещают бульдозе­ ром на рабочую карту методом надвига или сталкиванием. При надвиге ТБО перемещают снизу вверх, формируя слои по 0,3 м шириной каждый. Эти слои уплотняются бульдозером или катком. За счет 12-20 уплотнен­ ных тонких слоев создается вал с пологим откосом высотой 2 м над уров­ нем площадки разгрузки. Вал следующей рабочей карты надвигают к пре­ дыдущему. Метод обеспечивает эффективное уплотнение ТБО.

При методе сталкивания ТБО перемещают сверху вниз (с откоса), т.е. бульдозер разгружается на верхней изолированной поверхности рабо­ чей карты, образованной ранее. Обычно при разгрузке ТБО сочетают оба метода. Уплотнение ТБО позволяет увеличить объем складированных ТБО, затрудняет проникновение атмосферных осадков с поверхности в глубь полигона, что сокращает объем образующегося фильтрата. Изоляция ТБО осуществляется ежедневной засыпкой складированных отходов слоем грунта или заменяющим его материалами - шлаком ТЭЦ, строительным мусором и т.п.

Современный полигон захоронения ТБО представляет собой слож­ ное инженерное сооружение, обеспечивающее защиту объектов биосферы от Загрязнений. Под инженерной инфраструктурой полигона ТБО понима­ ет^ конструкция основания тела полигона, системы сбора, отведения и очистки сточных вод, орошения рабочего тела полигона, пожаротушения, снабжения хозяйственно-питьевой и технической водой, системы сбора, утилизации биогаза или дегазации объекта.

Для предотвращения просачивания ФВ в подземные воды полигон оборудуется противофильтрационным экраном. Сбор ФВ осуществляется с помощью дренажной системы. Схема конструкции основания тела полигона и системы сбора ФВ представлена на рис. 1.2.

Горизонтальный дренаж предназначен для отвода сточной воды, просочившейся к основанию полигона, за его пределы в контрольнорегулирующий пруд и на очистные сооружения. Горизонтальный дренаж сос1гоит из регулярной сети рядовых дрен, равномерно располагаемых в

Контрольно-регулирующий пруд должен иметь противофильтрационную защиту. Конструкция фильтрационного экрана пруда может быть аналогична конструкции противофильтрационной защиты основания по­ лигона ТБО. Стоки из пруда-регулятора должны подаваться на очистные сооружения.

Система дегазации полигона может осуществляться пассивными и активными методами, выбор которых зависит от площади складирования отходов, объема эмиссий, этапа жизненного цикла полигона. Пассивная дегазация полигона может состоять из траншейной схемы сбора биогаза или системы вертикальных скважин или колодцев.

Система активного сбора биогаза включает в себя устройства с при­ нудительным отводом газа (компрессоры, вентиляторы) и его утилизацию (сжигание, очистка, сжижение и т.п.).

Наличие или отсутствие технологии сбора биогаза влияет на состав ФВ, т.к. биогаз представляет собой смесь газов и наряду с метаном содер­ жит водорастворимые компоненты - углекислый газ, сероводород, бензол и др., способные взаимодействовать с ионами металлов и органическими примесями фильтрата.

Следует отметить, что в России в настоящее время большинство по­ лигонов не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к условиям депо­ нирования отходов, и чаще всего представляют собой свалки, на которых противофильтрационный экран, как правило, является естественным водо­ упорным барьером без дополнительной пленочной или мембранной защи­ ты, кроме того, не организована система сбора фильтрата и биогаза.

В связи с повышающимися требованиями к санитарному состоянию населенных пунктов в настоящее время большинство свалок и полигонов, не удовлетворяющих современным требованиям, подлежат реконструкции, закрытию и рекультивации.

При реконструкции эксплуатируемых полигонов и на рекультиви­ руемых объектах при отсутствии дренажной системы для сбора ФВ □елеесообразно использование водоотводных устройств: нагорных кана­ лов, дамб, расположенных по внешнему контуру полигона. Возможно ис­ пользование кольцевой дрены, расположенной по периметру полигона, вдоль ограждающей дамбы и устроенной в выемке естественного водо­ упорного слоя основания свалки.

1.5. Предварительная обработка отходов

На состав ФВ значительное влияние оказывают условия складирова­ ния отходов и их предварительная обработка.

Начиная с 2000 г. во многих европейских странах - Германии, Авст­ рии, Италии, Франции и др., законодательно установлены новые требова­

ния к условиям утилизации муниципальных отходов. Для сокращения площади и количества полигонов ТБО и уменьшения их негативного воз­ действия на окружающую среду разрешено депонировать отходы только после их предварительной обработки, включающей в себя следующие ос­ новные операции:

•раздельный сбор,

•дополнительную сортировку,

•рециклинг,

•механическую обработку,

•биологическую обработку,

•термическую обработку ТБО.

Сортировка ТБО необходима для выделения из них фракций:

•содержащих компоненты, которые можно вторично использовать или подвергать термическому обезвреживанию с утилизацией тепла (бума­ га, стекло, пластик, металлы);

•содержащих токсичные компоненты (отходы медицинских учреж­ дений, отработанные батарейки, аккумуляторы и др.);

•растительных отходов, которые можно утилизировать компости­ рованием.

Обычно их содержание в массе ТБО составляет 35-40 %. Оставшаяся часть отходов подвергается механической и биологической стабилизации. Механическая предобработка состоит из стадий смешения, диспергирова­ ния (до 40-80 мм), уплотнения.

Биологическая обработка может проводиться в аэробных или в ана­ эробных условиях. При аэробной стабилизации отходы подвергают снача­ ла интенсивной аэрации при температуре 30-60 °С, влажности 45-50 % в течение недели, затем скорость аэрации снижают и продолжают обработ­ ку 10-12 недель. После 3-4 месяцев, необходимых для полной стабилиза­ ции, отходы складируют на полигоне. Эффективность процесса оценивают по соотношению содержания в обработанных отходах целлюлозы и лигни­

на, а также по величине БПК5/ХПК, которая должна составлять не бо­ лее 0,1.

При анаэробной стабилизации отходов создают условия, необходи­ мые для активного протекания ацетогенных и метаногенных процессов (влажность 50-60 %, температура 40 °С). При обработке происходит ак­ тивное выделение биогаза (до 0,7 м3/кг отходов), содержащего до 60 % ме­ тана. С экономической точки зрения анаэробная обработка более выгодна - не требует больших энергетических затрат и позволяет утилизировать образующийся биогаз.

Механобиологическая стабилизация отходов значительно ускоряет процессы их дальнейшей деструкции и сокращает жизненный цикл поли­

гона. В процессе стабилизации разлагается, главным образом, легко биоде­ градируемая фракция отходов, которая в обычных условиях подвергается деструкции на стадии ацетогенеза. При биохимическом разложении стаби­ лизированных отходов в отсутствие кислот создаются условия для разви­ тия метаногенных бактерий. Исследования анаэробного разложения обра­ ботанных и необработанных отходов, проведенные в лабораторных усло­ виях, показали, что уровень загрязняющих веществ в ФВ, образующихся при деструкции стабилизированных ТБО, снижается на 90 % и концентра­ ция их может оставаться неизменной на протяжении длительного времени, что характерно для стабильной стадии метаногенеза.

Результаты сравнительного анализа перехода общего органического углерода (ООУ), хлоридов и аммиака в фильтрационные воды и в биогаз механобиологически стабилизированных и необработанных отходов пред­ ставлены в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Переход загрязняющих веществ в фильтрационные воды и в биогаз механобиологически стабилизированных и необработанных отходов

Следует отметить, что, несмотря на низкие концентрации загряз­ няющих компонентов, такие ФВ будут содержать в основном биорезистентные примеси (фенолкарбоновые кислоты, гуминовые и фульвокислоты, хлорсодержащие соединения), что значительно осложняет процессы их очистки.

В России в настоящее время не применяются методы механобиологической стабилизации отходов. Однако можно ожидать, что при проектировании современных полигонов будет предусмотрена предвари­ тельная обработка ТБО, поэтому при разработке технологий очистки ФВ необходимо учитывать и такие варианты депонирования отходов.

Вопросы и задания к главе 1

1.1.Что понимают под термином «жизненный цикл полигона ТБО»?

1.2.Каковы основные этапы жизненного цикла полигона ТБО?

1.3.Дайте характеристику понятия «фильтрационные воды» поли­

гона ТБО.

1.4.Какие факторы влияют на состав и объем фильтрационных вод?

1.5.Дайте характеристику морфологической структуры твердых бытовых отходов.

1.6.Используя формулу (1.1), рассчитайте элементный состав био­ деградируемой фракции ТБО (С, О, Н, N, S). Морфологическая структура

ТБО (мас.%): пищевые отходы - 20, бумага - 30, дерево - 10, садовопарковые отходы - 10, ткань, текстиль - 5, кожа - 2,5, резина - 2,5, пластик

-8, черные и цветные металлы - 2, стекло - 8, прочие - 2.

1.7.Какова взаимосвязь этапов жизненного цикла полигона со ста­ диями биохимической деструкции ТБО?

1.8.Дайте характеристику основным стадиям биохимической дест­ рукции отходов.

1.9.Под действием каких видов микроорганизмов протекает деструкция отходов на стадии ацетогенеза, метаногенеза? Какие факторы влияют на полноту протекания процессов биодеструкции?

1.10.Какие факторы влияют на объем фильтрационных вод?

1.11.По формуле (1.3) рассчитайте объем фильтрационных вод

(тыс. м /год) полигона захоронения отходов с площадью складирования 10 га, если средняя региональная норма стока составляет 750 мм/год; сред­ негодовое поступление ТБО - 50 000 тыс. м3/год; среднегодовая влажность отходов - 70 %.

1.12.Дайте характеристику инженерной структуры современного полигона ТБО.

1.13.Как обеспечивают противофильтрационную защиту основания

полигона?

1.14.Охарактеризуйте систему сбора и отвода фильтрационных вод на современно обустроенном полигоне.

1.15.Какие основные операции включает предварительная обработка

отходов?

1.16.Как влияет на состав и объем фильтрационных вод механобиологическая обработка отходов?

ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД

Для создания эффективных технологий очистки фильтрационных вод необходимо глубокое исследование их химического состава. Анализ процессов деструкции различных фракций ТБО позволил определить ос­ новные химические соединения, образующиеся в ФВ на каждом этапе жизненного цикла полигона.

2.1. Органические соединения

Содержание органических соединений в ФВ оценивается обычно по показателям ХПК, БПК5, БПКполн, общего органического углерода (ООУ), сухому и прокаленному остатку.

Анализ процессов биодеструкции показал, что фильтрационные во­ ды, образующиеся в ацетогенной фазе (pH 3,5-6,0), характеризуются высо­ кими значениями ХПК (8000-60000 мг О/дм3) и БПК5 (1000040000 мг Ог/л). Состав органических примесей в основном представлен ле­ тучими органическими кислотами жирного ряда. На этой стадии начина­ ются также процессы гумификации отходов.

В фильтрационных водах, образующихся на стадии активного метаногенеза (pH 6,5-8,8), значительно снижаются значения ХПК (30004000 мг О/дм3) и БПК5 (100-400 мг Ог/дм3). На стабильной стадии метаногенеза (рекультивационный и пострекультивационный этапы жизненного цикла полигона) идет дальнейшее уменьшение концентрации органиче­ ских веществ в ФВ, однако увеличивается доля трудноокисляемых соеди­ нений, образующихся при дальнейшем распаде и гумификации отходов.

При гумификации отходов образуются гуминовые соединения, к ко­ торым относят гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин (малораство­ римое соединение). Гуминовые кислоты и фульвокислоты в зависимости от состава воды и величины pH могут образовывать истинные растворы, коллоидные и малорастворимые вещества.

Гуминовые соединения представляют собой комплекс органических веществ - продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Источником ароматических соеди­ нений могут быть структурные единицы, освобождающиеся при биохими­ ческом разложении целлюлозы, лигнина и дубильных веществ, а источни­ ком азотсодержащих соединений - протоплазма микроорганизмов, участ­ вующих в процессах распада и синтеза органических соединений. Наличие

в структуре молекул гуминовых и фульвокислот карбоксильных и амин­ ных групп придает им свойства амфотерных полиэлектролитов, состояние которых в растворе значительно зависит от pH среды. В слабощелочной среде (pH 7,5-8,5), характерной для ФВ на стадии метаногенеза, они обра­ зуют ассоциаты под действием ионов жесткости, катионов металлов, раз­ меры которых могут достигать 8-20 нм, или агрегаты в форме вытянутых листочков, длина которых составляет 9-10 нм. Молекулярная масса гуми­ новых кислот, по данным различных исследований, колеблется в широких пределах - от 290-350 до 30-50 тыс. Мицеллярные массы ассоциатов гуминовой кислоты в водных растворах - 3700-8200 г/моль. Химический со­ став гуминовых соединений можно представить следующими бруттоформулами:

C88H71O33N2, C74H58O29N, C66H59O30N4, C78H58O34N3.

Общим для этих веществ различного происхождения является нали­ чие ароматического ядра, карбоксильных (-СООН), карбонильных (-СОН) метоксильных (-ОСН3) групп, гидроксилов (-ОН) спиртового и фенольно­ го характера и амидогрупп (-CONH2). Высокая цветность фильтрата, обра­ зующегося на стадии метаногенеза, обусловлена содержанием именно гу­ миновых соединений.

Индикатором изменения состава органических соединений в фильт­ рате может служить соотношение БПК5/ХПК, а также ХПК/ООУ (общий органический углерод). В фильтрате, образующемся на стадии метаногене­ за, отношение БГЖ5/ХПК снижается обычно на порядок - от 0,6 до 0,06 в течение 25 лет, а ХПК/ООУ - от 3,3 до 1,6. При этом в свалочном грунте значительно уменьшается отношение целлюлозы к практически небиоде­ градируемому лигнину (от 4,0 до 0,9-1,2).

Спектр органических компонентов ФВ достаточно широк и изменя­ ется на протяжении всего жизненного цикла полигона. Концентрации и со­ став органических примесей в фильтрате разных полигонов также варьи­ руются в широких пределах и существенно зависят от морфологического состава ТБО, мощности и площади объекта, объема образующихся сточ­ ных вод.

Наиболее вероятный состав органических примесей в ФВ на различ­ ных этапах биохимической деструкции ТБО, полученный на основе дан­ ных химического анализа фильтрационных вод различных полигонов ТБО России и западных стран (Германия, Австрия, Франция), представлен в табл. 2.1. Из представленного перечня органических соединений, присут­ ствующих в ФВ, можно выделить биорезистентные - алкилбензолы, поли­ фенолы, производные фталевой кислоты, крезолы, терпены, камфора, терпинеол - и ингибирующие биохимические процессы вещества - хлорфе­