книги / Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов

венных пород практически одинаков (С591,5 Н901О377,46 N1). В среднем древесина содержит 41–44 % целлюлозы, 21–32 % лигнина, 2–3 % экстрактивных элементов, от 10–25 % гексозанов и пентозанов – основных компонентов гемицеллюлозы [18]. Основным компонентом бумаги и картона является целлюлоза.

Содержание основных химических соединений в биодеградируемой части ТБО представлено в табл. 1.4 [4, 5].

По своим физико-механическим характеристикам (плотность, когезионная способность) и структуре ТБО практически не имеют аналогов и несравнимы с известными материалами типа песка, щебня, грунта, торфа и т.д. На плотность отходов влияют различные факторы: влажность; морфологический состав; способ складирования. Плотность ТБО благоустроенного жилищного фонда в весенне-летний период составляет 0,18–0,22 т/м3, в осен- не-зимний – 0,2–0,25 т/м3. В процессе биодеструкции происходят глубокие изменения структуры и свойств ТБО, их уплотнение, выделение отжимной воды (фильтрата). Присутствие в ТБО большого количества компонентов, обладающих высокой когезионной способностью, обусловливает их особое свойство – механическую связность, что приводит к слеживаемости отходов и просадке полигонов.

Слеживаемость влияет также на протекание биохимических процессов, способствуя переходу от аэробной фазы деструкции к анаэробной.

Химический и микробиологический состав ФВ зависит от механизмов, скорости и полноты протекания химической и биохимической деструкции каждой фракции ТБО и этапа жизненного цикла полигона.

Прогнозирование и расчет объема фильтрационных вод осуществляется на основе водного баланса полигона ТБО.

11

1.2.2. Водный баланс полигона ТБО. Формирование объема фильтрационных вод

Исследованиям прогнозирования и расчета объемов ФВ посвящено большое количество работ [1, 7–9, 12–15]. Модели прогноза основаны на изучении водного баланса полигона.

Объем фильтрационных вод зависит от исходной влажности ТБО, их пористости, плотности, количества осадков, выпадающих над рабочим телом полигона, их проникновения вглубь отходов, испаряемости и многих других факторов [1].

При оценке количества образующегося фильтрата необходимо учитывать все входящие (поступление воды) и выходящие (потери) потоки воды с полигона, динамику их образования.

Для этого необходимо выявить основные факторы, влияющие на водный баланс полигона.

Внешними факторами, оказывающими влияние на поступление влаги в массив отходов, являются:

–количество и вид атмосферных осадков, попадающих на поверхность полигона, зависит от атмосферного давления, температуры и влажности воздуха той местности, где располагается полигон.

–поверхностный сток с поверхности полигона. При большой плотности ТБО или наличии изолирующих покрытий осадки и поверхностные воды не могут проникать в толщу отходов, они скапливаются на поверхности и формируют поверхностный сток.

–испарение воды с поверхности, транспирация влаги растительностью

ввегетационный период, зависящие от климатических условий; от движения воды в теле полигона к его поверхности (для полигона, закрытого для приема отходов, – к его окончательному покрытию); от скорости притока воды к поверхности покрытия и от уменьшения влагосодержания в его верхних слоях. Транспирация – выделение влаги растениями – как правило, происходит в вегетационный период на закрытых полигонах.

–процессы снегонакопления-снеготаяния. Учет этих величин целесообразен лишь при определении временных зависимостей количеств образующегося фильтрата. Накопление снега происходит только тогда, когда температура полигона ниже 0 ° С, а таяние – выше 0 ° С.

Внутренними факторами являются:

–влажность отходов;

–потери воды за счет биодеструкции ТБО;

–потери воды с выделяющимся биогазом [2].

12

Квнутренним факторам формирования водного баланса полигона также относятся такие технологические параметры, как:

–геометрические размеры полигона (площадь и высота полигона, внутренний уклон откоса);

–тип промежуточных и окончательного покрытий (вид грунта, наличие

ивид растительного покрова);

–коэффициент фильтрации и толщина основания;

–количество отходов, размещенных на полигоне;

–плотность захороненных отходов.

Квнутренним специфическим параметрам, которые влияют на формирование водного баланса, относятся:

–этап жизненного цикла полигона;

–удельный выход биогаза;

–температура в массиве отходов.

Основное уравнение водного баланса полигона ТБО можно представить в следующем виде:

АО + ОВ+ + ПС+ + Р + У + Интр =

где входящие потоки: АО – атмосферные осадки, выпадающие на поверхность полигона; ОВ+– отжимная влага, выделяющаяся из ТБО при складировании; ПС+– поверхностный сток воды с прилегающих территорий, расположенных выше по рельефу; Р – подача на поверхность отходов фильтрата для увлажнения, рециркуляция фильтрата; У – технологические подачи воды на поверхность отходов для их увлажнения в пожароопасный период; Интр – интрузия, поступление в массив отходов воды из подземных горизонтов;

исходящие потоки: ПС– – поверхностный сток с полигона; БГ – потери влаги с биогазом; БД– потребление воды при протекании реакций биохимического разложения; ИС – испарения влаги с поверхности и транспирация растений; ОВ–

– впитывание влаги депонированными отходами; ДР – отвод фильтрата дренажной системой; ПР – просачивание в подземные горизонты; ПВ – изменение влагозапаса окончательного покрытия.

Принципиальная схема водного баланса полигона представлена на рис. 1.2. При управлении водным балансом полигона, в особенности при принятии

управленческих решений по сбору, отведению и очистке фильтрата, важным представляется определение объема образования и качества фильтрата с точностью, достаточной для реализации практических мер.

13

Рис. 1.2. Схема водного баланса полигона ТБО:

воды в реакциях биодеструкции ТБО; БГ – потери влаги с биогазом; НФ – накопление фильтрата в основании полигона [7]

В общем виде при недостаточном количестве и качестве информации по всей совокупности параметров системы водного баланса можно получить ориентировочные данные расчетным путем [5, 7]:

Для ориентировочных расчетов по (1.2) можно в качестве исходных данных использовать климатические характеристики места (района) расположения полигона, а также литературные и справочные данные по объему поверхностного стока в зависимости от площади полигона, высоты складирования, исходной влажности отходов, их морфологического состава и физико-химических свойств, соотношения, характерного для конкретных территорий, валового количества осадков и объема образования фильтрата в теле полигона, этапа жизненного цикла полигона и т.д.

Так, по данным [5], наибольшее влияние на водный баланс оказывают климатические условия, первоначальная влажность отходов испарение влаги с поверхности и транспирация растений. Объем поверхностных стоков в зависимости от площади полигона составляет 1– 5 % от количества атмосферных осадков. Один кубический метр биогаза выносит примерно 60 г водяного пара [4].

Наибольшее количество воды образуется и потребляется в активную фазу метаногенеза. Разницу между биохимически образуемой и потребляемой водой можно считать равной нулю. Таким образом, при краткосрочном прогнозировании объемов фильтрационных вод существенную роль в водном балансе играет такой фактор, как аккумулирующая способность полигона.

При долгосрочном прогнозировании (через несколько десятилетий после депонирования отходов), когда практически закончена активная фаза метаноге-

14

неза и других биохимических процессов деструкции отходов, произошло практически полное выделение отжимной воды из отходов в результате завершившихся процессов их слеживаемости и самоуплотнения, ориентировочно объем образования фильтрата может быть определен по формуле

Известен ряд методов расчета объема образования фильтрата, различающихся по степени сложности проводимых расчетов, необходимости использования эмпирических данных в качестве поправочных коэффициентов и контрольных данных для верификации полученных результатов.

В ориентировочных расчетах пользуются формулой, разработанной в АКХ им. К.Д. Памфилова. Расчет основан на положении, что фильтрат не образуется при складировании ТБО влажностью менее 52 % в климатических зонах, где годовое количество атмосферных осадков превышает не более чем на 100 мм количество влаги, испаряющейся с поверхности. Такая зависимость математически описывается следующим выражением:

где V – годовой объем фильтрационных вод, тыс. м3/год; h – 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 [11].

Объем ФВ (Qф) можно также определить по формуле

где Qф – объем ФВ, м3/год; АО – атмосферные осадки, мм/год; ИС – испаряемость, мм/год; ПС – поверхностный сток, мм/год; Оп – поглощение воды отходами, мм/год; Фп – утечка через защитный экран, мм/год; S – площадь рабочего тела полигона, м2.

Для условий Москвы и Перми можно принять АО = 700 мм/год, для действующих полигонов ИС = 300 мм/год, для рекультивированных полигонов ИС = 500 мм/год, ПС = 0 мм/год для действующих полигонов и 50 мм/год для рекультивированных полигонов, Оп = 150 мм/год для действующих полигонов и 0 мм/год для рекультивированных полигонов, Фп = 0 мм/год. Отсюда Qф составит 250 мм/год, или 28 % от суммы годовых атмосферных осадков.

По принятым в России методическим подходам максимальный суточный расход фильтрата может определяться по формуле [12]

15

где k – коэффициент, учитывающий влагопоглощающую и испарительную способность ТБО (для высоконагружаемых полигонов k = 0,1, для полигонов с наклонной схемой складирования отходов k = 0,15); Qа.г – суммарное годовое количество осадков, выпадающих на поверхность отходов, м3/год; Qп.г – суммарное годовое количество прочих вод, распределяемых по поверхности отходов (стоки от мойки мусоровозов, контейнеров и пр.), м3/год.

Если рассчитать qсут для районов Москвы и Перми по формуле (1.6) при Qп.г = 0 и k = 0,1, то его значение в пересчете на год составит 79 мм, что равно 10 % от суммы годовых атмосферных осадков.

Достаточно широко в зарубежной практике используется разработанная агентством по охране окружающей среды США модель Hydrologic Evaluation of Landfill Performance (HELP) для оценки и прогноза объемов образования фильтрационных вод. Эта модель в качестве составляющих водного баланса полигона учитывает атмосферные осадки (в том числе накопление снега на поверхности и его таяние), испарение, циркуляцию воды в теле полигона (вертикальная фильтрация, горизонтальный дренаж, отдачу-поглощение влаги отходами) и поверхностный сток [9, 11]. Используя эту модель, можно получить следующие расчетные данные (по дням, месяцам, годам и средние): суммарного испарения; поверхностного стока, объема воды, инфильтрующейся через изолирующие слои и т.д.

Более точный расчет объема фильтрационных вод с учетом площади складирования, массы накопленных ТБО, гидрологических и климатических условий, этапа жизненного цикла полигона может быть произведен по методике, разработанной специалистами кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ [12–15].

Согласно разработанной методике расчет водного баланса производится

вследующей последовательности:

1)подготовка климатических данных для расчета;

2)подготовка технологических данных для расчета;

3)расчет водного баланса поверхности полигона;

4)расчет внутреннего водного баланса;

5)расчет водного баланса основания.

В качестве климатических данных для расчетов используются среднесуточные значения количества атмосферных осадков (АО, мм), температуры (t, ° С)

иабсолютной влажности воздуха.

Ктехнологическим данным относятся интенсивность завоза отходов Q, т/с; толщина слоя отходов hотх, м; плотность отходов в массиве полигона ρпол, кг/м3; общая высота полигона Hпол, м; толщина слоя временного изолирующего покрытия, hв.и.п, м; срок эксплуатации полигона (Dпол, сут); емкость полигона (Mпол, т);

16

PNRPU

количество слоев отходов (N, шт.); площадь суточной карты полигона (∆S, м2); площади оснований слоев отходов ( Sосi , м2); сроки завершения эксплуатации отдельных слоев (Di, сут); приращение площади отходов (площадь суточной кар-

ты), (∆S, м2) [13].

Уравнение водного баланса поверхности полигона в общем виде решается относительно величины инфильтрации влаги в массив отходов (ИН), может быть представлено как

ных осадков; ОВ– отжимная влага отходов; ПС– поверхностный сток с полигона; ИС– испарение с поверхности.

Решение уравнения производится с разделением расчетных площадей по типу поверхности: для поверхности без отходов, «открытой» поверхности отходов и «закрытой» (водозащитным слоем) поверхности отходов, и с учетом этапов жизненного цикла полигона. Уравнение внутреннего водного баланса составля-

где АКК – аккумуляция фильтрата, м3; ИН – величина инфильтрации, м3; БД – величина потребления влаги отходами, м3/т ТБО; БГ – потери влаги с биогазом. Уравнение водного баланса основания полигона составляется относительно контролируемого отвода (дренажа) фильтрата:

ция фильтрата; ПР – количество фильтрата, просачивающегося через защитный экран [14].

Использование моделей водного баланса позволяет решать задачу определения объемов фильтрата, его распределение на площади и сезонное накопление. Результаты расчетов позволяют обеспечить выбор оптимальной системы гидротехнических сооружений полигона для защиты водных объектов.

На основе разработанных моделей образования фильтрата проведен расчет годового слоя фильтрата для полигонов ТБО городов Пермского края (табл. 1.5).

Проведенный по разным методам расчет объема образования фильтрата для г. Перми (вне зависимости от этапа жизненного цикла полигона, высоты складирования отходов и других технологических параметров, а также эффективности систем отвода поверхностного стока) показал, что полученные значения расхода фильтрата колеблются в широких пределах – от 20 до 45 и в большинстве случаев до 50 % от объема выпадающих атмосферных осадков [5].

17

Таблица 1.5

Ориентировочные расчеты валового количества осадков и фильтрата, образующегося в теле свалки [15]

Следует отметить, что годовой объем фильтрата может изменяться до 50 % в зависимости от колебания суммы годовых осадков в засушливые и «переувлажненные» годы.

Существенным отличием ФВ от других типов сточных вод является неравномерность их накопления в течение года за счет сезонных колебаний уровня атмосферных осадков. Наибольший объем ФВ образуется в период с ноября по апрель, а наименьший – в период с мая по октябрь, что связано с более интенсивным испарением в летние месяцы [12].

В зависимости от климатических условий и мощности полигона объем ФВ составляет в среднем от 2000 до 4000 м3/га в год.

1.2.3. Предварительная подготовка отходов

На состав фильтрата значительное влияние оказывают условия складирования отходов, их предварительная обработка и подготовка к депонированию.

Начиная с 2000 года во многих европейских странах (Германии, Австрии, Италии, Франции и др.) законодательно установлены новые требования к условиям утилизации муниципальных отходов. Для сокращения площади и количества полигонов ТБО и уменьшения их негативного воздействия на окружающую

18

среду разрешено захоранивать отходы только после их предварительной обработки, включающей в себя следующие основные операции:

–раздельный сбор,

–дополнительную сортировку,

–рециклинг,

–механическую обработку,

–биологическую обработку,

–термическую обработку ТБО [16–18].

Сортировка ТБО необходима для выделения из них фракций:

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

–содержащих токсичные компоненты (отходы медицинских учреждений, отработанные батарейки, аккумуляторы и др.);

–растительных и иных биогенных отходов, которые можно утилизировать компостированием.

Обычно их содержание в массе ТБО составляет 35– 40 %. Оставшаяся часть отходов подвергается механической и биологической стабилизации. Механическая предобработка состоит из стадий смешения, диспергирования (до 40– 80 мм), уплотнения. Биологическая обработка может проводиться в аэробных или в анаэробных условиях. При аэробной стабилизации отходы подвергают сначала интенсивной аэрации при температуре 30– 60 ° С, влажности 45– 50 % в течение недели, затем скорость аэрации снижают и продолжают обработку 10– 12 недель. После 3– 4 месяцев, необходимых для полной стабилизации, отходы складируют на полигоне. Эффективность процесса оценивают по соотношению содержания

вобработанных отходах целлюлозы и лигнина, а также по величине БПК5/ХПК, которая должна составлять не более 0,1.

При анаэробной стабилизации отходов создают условия, необходимые для активного протекания ацетогенных и метаногенных процессов (влажность 50– 60 %, температура 40 ° С). При обработке происходит активное выделение биогаза – до 0,7 м3/кг отходов, содержащего до 60 % метана. 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 продолжительность жизненного цикла полигона.

Впроцессе стабилизации разлагается, главным образом, легко биодеградируемая фракция отходов, которая в обычных условиях подвергается деструкции на стадии ацетогенеза. При биохимическом разложении стабилизированных отходов

вотсутствии кислот создаются условия для развития метаногенных бактерий.

19

Исследования анаэробного разложения обработанных и необработанных отходов, проведенные в лабораторных условиях, показали, что уровень загрязняющих веществ в ФВ, образующихся при деструкции стабилизированных ТБО, снижается на 90 % и концентрация 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 биогаз механобиоло- гически-стабилизированных и необработанных отходов представлены в табл. 1.6.

Таблица 1.6

Переход загрязняющих веществ в фильтрационные воды и биогаз механобиологически-стабилизированных и необработанных отходов [18]

Как видно из представленных данных, предварительная обработка позволяет значительно снизить содержание углерода и азота в массе обработанных ТБО и формирующемся биогазе. Следует отметить, что, несмотря на низкие концентрации загрязняющих компонентов, такие фильтрационные воды будут содержать в основном биорезистентные примеси (фенолкарбоновые кислоты, гуминовые и фульвокислоты, хлорсодержащие соединения), которые не разложились при предварительной обработке отходов, что значительно осложняет процессы их очистки.

Таким образом, предварительная обработка отходов: сортировка, механобиологическая стабилизация с последующим депонированием позволит значительно снизить объем отходов и, соответственно, площадь складирования и объем ФВ.

В России в последние годы в практике управления отходами стали использовать технологии механической сортировки отходов непосредственно на территории полигонов, с выделением из ТБО бумаги, металла, пластика и значительным сокращением объема депонируемых отходов. Методы механобиологической стабилизации отходов пока не нашли широкого использования, однако можно ожидать, что после вступления России во Всемирную торговую организацию (ВТО) и последующей гармонизации отечественного и европейского законодательства в области управления движением отходов при проектировании

20