Образование и обращение с фильтратом

В результате инфильтрации поверхностных и ливневых стоков на полигоне с одновременным биохимическим и химическим распадом твердых бытовых отходов образуется фильтрат с высоким содержанием взвешенных веществ, органических и неорганических компонентов [3,4,7,8]. Фильтрат образуется при складировании ТБО с влажностью более 55 % и атмосферных осадков, значительно превышающих количество влаги, испаряющейся с поверхности полигона.

Основные компоненты фильтрата могут быть объединены в следующие четыре класса:

(а) основные элементы и ионы - кальций, магний, железо, натрий, аммоний, карбонаты, сульфаты, хлориды;

(б) рассеянные металлы - марганец, хром, никель, свинец, кадмий;

(в) различные органические соединения, количество которых обычно измеряется общим органическим углеродом (ООУ) и химическом потреблении кислорода (ХПК), отдельные органические вещества, такие как фенол;

(г) микроорганизмы.

Все бытовые и некоторые промышленные отходы способствуют увеличению объемов фильтрата. Состав твердых бытовых отходов практически однообразен на всех полигонах, как однообразен и фильтрат. Типичный состав фильтрата свежих и старых бытовых отходов приведен в таблице 4.2. Состав фильтрата на полигонах, где размещаются промышленные отходы, естественно, более разнообразен.

Проникновение концентрированного фильтрата и неорганических растворов металлов низкой степени окисления в поверхностные воды (водотоки) приведет к снижению количества растворенного в воде кислорода и, как следствие, к гибели зависимых от кислорода форм жизни. Если фильтрат содержит не разлагающиеся биологически органические соединения, то они будут присутствовать в воде на протяжении определенного времени. Когда такие соединения включаются в пищевую цепь, то они могут негативно подействовать на водные организмы.

Таблица 4.2 - Типичный состав фильтрата свежих и старых бытовых отходов на различных стадиях разложения (в мг/л)

В то время как воздействие на водную фауну отдельных соединений может быть оценено или предсказано с определенной степенью точности, последствия воздействия комплекса соединений неизвестны. Кроме этого, температура, кислотность и концентрация растворенного кислорода также влияют на степень токсического воздействия на отдельные водные организмы. Для многих загрязняющих веществ нельзя определить единую предельно допустимую концентрацию для всех водных видов.

Последствия утечки концентрированного фильтрата в грунтовые воды сохранятся на долгое время из-за ограниченного количества растворенного кислорода и низких темпов рассеивания. Однажды загрязненный, водоносный горизонт на долгое время становится непригодным в качестве источника питьевого водоснабжения. Природа геологических слоев и скорости расхода грунтовых вод определяют форму пятна загрязнения и направление его движения в водоносных слоях от места расположения полигона ТБО. Одни составляющие фильтрата химически стабильны, другие не подвержены сдерживанию физическими средствами в среде грунтовых вод. Определение формы и количественная оценка пятна загрязнения крайне трудны, если нет возможности отбора большого количества проб из достаточного числа скважин [3,7].

Поэтому первоочередной задачей, стоящей перед полигонами, является предотвращение загрязнения подземных вод. Проект полигона и его управление должны быть организованы таким образом, чтобы предупреждать образование и перемещение фильтрата. Меры предупреждающего характера:

1- устранение свободной жидкости (до захоронения жидкие отходы должны быть обезвожены или преобразованы в твердое состояние);

2- отвод поверхностных вод (сток);

3 - использование относительно непроницаемых ежедневных и завершающих прослоек с целью минимизации инфильтрации осадка;

4 - уплотнение отходов;

5 - использование карт по всему полигону;

6 - сбор и очистка фильтрата;

7 - мониторинг подземных вод.

Среди методов предотвращения попадания воды на полигоны твердых бытовых отходов можно выделить следующие:

1- правильное размещение с исключением заболоченных территорий, территорий, подверженных наводнениям, территорий с высоким уровнем подземных вод;

2- организация отвода поверхностных стоков;

3 - сокращение территории размещения твердых бытовых отходов, куда может попасть вода;

4 - предотвращение скопления осадков на участке полигона;

5 - правильное использование промежуточной покрывающей прослойки;

6 - своевременное покрытие и закрытие неактивных зон;

7 - правильное управление мерами по закрытию полигона и мерами, осуществляемыми после закрытия полигона.

Когда отходы размещаются на полигоне, предпринимаются различные меры по снижению потенциальной опасности фильтрата. Предпринимаемые меры - химические (взаимодействие «кислота-основание», окисление, восстановление, осаждение, совместное осаждение, ионный обмен, комплексное ионное образование), биологические (аэробное и анаэробное разложение) или физические (абсорбция, адсорбция, фильтрация, растворение, рассредоточение) являются «сдерживающими». Сдерживание может привести к эффективному удалению конкретных загрязняющих компонентов фильтрата или отсрочить их проникновение в окружающую природную среду.

Существует два основных механизма удерживания влаги в толще отходов.

Во-первых, жидкость поглощается отходами и удерживается в толще благодаря капиллярному эффекту микроструктуры частиц.

Во-вторых, свободная влага может также скапливаться в естественных пустотах. Обычно общий объем пустот составляет 20-35 % от объема размещенных отходов.

Раньше использовали различные материалы, обладающие низкой проницаемостью для выполнения водоудерживающих сооружений. Плотины, водоудерживающие дамбы, бассейны для очистки, накопительные резервуары и прочие инфраструктуры были построены с использованием либо естественных материалов, либо материалов с добавками, улучшающими технические характеристики, либо синтетических материалов. Сооружения из таких водонепроницаемых материалов («пассивного типа») представляли собой противофильтрационные барьеры, которые действовали как фильтрующий элемент, замедляя распространение жидкости в несущую среду. Чаще всего пассивный барьер состоит из глины. Одно из ее преимуществ заключается в том, что геологические глиняные формирования являются гибкими, в результате чего в случае смещения почв форма барьера может измениться, однако сохранит свою непрерывность.

Опыт, накопленный с начала 80-х годов ХХ века, показывает, что использование многослойных комплексов «непроницаемый слой - дренажная система» «активного» типа позволяет осуществлять на практике контроль и управление воздействием на окружающую среду со стороны тех сооружений, которые могут представлять риск ее загрязнения. Была доказана главенствующая роль наличия контраста характеристик проницаемости, а также тот факт, что даже будущие последствия возможного нарушения физико-химических характеристик материалов, входящих в состав такого комплекса, не будут иметь большого значения при условии, что будет постоянно соблюдаться наличие контракта характеристик проницаемости.

Высокая эффективность сооружений «активного» типа на сегодняшний день признана организациями, устанавливающими нормы и правила в большинстве развитых стран, а многочисленные методы контроля позволяют оценить эффективность сооружений из таких материалов, даже до его введения в эксплуатацию. Преимущество таких систем не только в их безопасности для населения, которое ими пользуется, но еще и в том, что при этом обеспечивается гарантия контроля их функционирования в долгосрочной перспективе.

С точки зрения проектирования определение мощности систем, контролирующих сбор и движение жидкости-фильтрата, представляет собой основную составляющую работ по разработке технических параметров полигона, поскольку эти сооружения обеспечивают экологическую безопасность карт.

Карты полигона имеют двойную систему обеспечения непроницаемости и окружены на периферии системой отвода воды атмосферных осадков и контроля подземных вод.

Уклоны каналов дренажной донной системы устанавливаются в соответствии с прогнозируемым уплотнением ячеек для размещения отходов. При этом ставится цель избежать ситуации, при которой процедуры уплотнения приведут к изменению уклонов дренажей в основании карты, что может привести к локальному накоплению фильтратов. Минимальный уклон на участке принимается равным величине 2 %. В принципе, целесообразно избегать использования насосов для подачи воды и фильтратов из дренажной системы. Всегда оказывается предпочтительным обеспечивать отвод воды под действием гравитации. Уклон в 2 % при адекватной укладке труб из полиэтилена низкого давления оказывается достаточным для хорошего стока.

Если не представляется возможным избежать принудительного отвода фильтратов и воды, то следует построить насосную станцию для их подъема. Целесообразнее соорудить одну станцию с несколькими спаренными насосами (в целях предупреждения механических неисправностей). Следует избегать наличия нескольких насосных станций.

Основная задача системы первичного сбора воды состоит в сборе фильтратов, возникающих при контакте вод атмосферных осадков с отходами. Данная система позволяет благодаря действию гравитации быстро отвести эти воды за пределы карты в целях их последующей обработки.

Собранные фильтраты отводятся в водоудерживающий бассейн.

Дренажная система

Основная задача дренажной системы заключается в сборе фильтрата, образуемого в толще отходов. Эта система позволяет за счет гравитации направить потоки воды за пределы карты в целях их дальнейшей обработки.

Дренажная система состоит (сверху вниз) из следующих слоев:

1. Дренажного слоя дробленого гравия 20/40 толщиной 300 мм;

2. Второго слоя гравия 10/20 толщиной 100 мм (проницаемость которого выше 10^{-4 м × с-1,} так же как и верхнего слоя);

3. Искусственного строительного волокна (геотекстиль);

4. Перфорированной дрены из полиэтилена низкого давления, проложенной в основании дренажного слоя, диаметр сечения которой рассчитан так, чтобы нагрузка, оказываемая на лежащий ниже гидравлический барьер не превышала 30 см. Этот диаметр должен быть достаточным, чтобы предотвратить засорение канала, обеспечить беспрепятственное прохождение фильтрата и позволить осуществлять контроль общего состояния дрены соответствующими способами. Дрена соединена в нижней оконечности с основным каналом, благодаря которому могут выполняться операции по очистке и надзору (видеоконтроль).

После сбора фильтрата есть несколько вариантов его переработки.

Наиболее часто применяются процессы биологической переработки фильтрата. При этом необходимо учитывать негативное влияние токсинов, содержащихся как в бытовых, так и в промышленных отходах, однако, их влияние можно нейтрализовать различными способами.

Биологическая переработка фильтрата может быть как аэробной, так и анаэробной. Помимо способности окисления определенных токсических органических соединений, аэробные микроорганизмы также могут адаптироваться к присутствию ионов тяжелых металлов. Однако, в таких случаях тяжелые металлы не окисляются в ходе биологического процесса, а поглощаются колониями микроорганизмов. Вещества и соединения, которые могут оказывать негативное влияние на процесс биологической переработки, следующие – металлы, углеродные соединения, аммиак, хлор, сульфиды. Хотя биологическая переработка и позволяет эффективно удалять токсические вещества, в случае высокого их содержания может потребоваться предварительная обработка фильтрата различными способами.

Для биологической переработки фильтрата применяются анаэробные пруды или реакторы, а для аэробной переработки — аэрируемые пруды с активным илом. Наиболее эффективные физико-химические процессы при переработке фильтрата включают воздушную отгонку, корректировку величины водородного показателя среды pH, химическое осаждение, окисление и восстановление. В некоторых случаях при переработке фильтрата может возникнуть потребность в более сложных процессах, например, углеродной абсорбции, ионном обмене, экстракции растворителями.

Аэробные системы просты по своему устройству и представляют собой последовательно расположенные бассейны, оборудованные поверхностными или пузырьковыми аэраторами; их легко эксплуатировать. Биологический ил, образующийся в бассейнах, можно удалять и размещать на полигоне, однако он плохо поддается осушению.

При переработке фильтрата процесс анаэробной биологической переработки имеет ряд преимуществ перед аэробным процессом. Преимущества заключаются в выделение метана и в образовании меньшего количества ила. Кроме того, анаэробная система не требует аэрирующих установок.

Главным недостатком этого процесса является недостаточная степень переработки аммиака. При анаэробной переработке сложные органические соединения, присутствующие в фильтрате, превращаются бактериями в карбоновые кислоты, которые затем частично превращаются метаногенными бактериями в метан и диоксид углерода. Б о льшая часть процесса происходит в анаэробных условиях с применением анаэробного катализатора или анаэробных фильтров. Хотя фильтры оказываются более эффективными, чем анаэробные катализаторы, обе системы считаются непригодными для переработки фильтрата на месте, поскольку выделяющиеся БПК и аммиак требуют дальнейшей переработки.

Физические и химические процессы рассматриваются как дополняющие или заменяющие аэробную или анаэробную биологическую переработку фильтрата. Применяемые химические средства включают добавление отдельных химических веществ с целью осаждения, окисления или восстановления как органических, так и неорганических фракций. Осаждение и коагуляция с использованием извести, хлорида железа или квасцов не эффективно для удаления органического вещества. Реакции ионного обмена наиболее эффективны для обесцвечивания, удаления взвешенных веществ и тяжелых металлов, однако более дороги.

Другими вариантами переработки фильтрата на местах являются орошение земель и рециркуляция в пределах полигона.

Первый метод — орошение — может использоваться при условии наличия достаточных свободных площадей.

Распыление фильтрата над свободными территориями (в противопоставление полигону) приводит к значительному снижению его объемов благодаря транспирации и испарению. В дополнение к этому по мере прохождения распыленного фильтрата сквозь почву возникает возможность микробиологического разложения органических компонентов, выпадение в осадок неорганических ионов или ионный обмен, а также быстрое поглощение некоторых элементов, например, азота, растениями.

Рециркуляция фильтрата с пропусканием его сквозь толщу твердых бытовых отходов, особенно когда биохимическая активность отходов еще не истощена, предпочтительна, поэтому в этом случае концентрация фильтрата снижается, а объем сокращается благодаря испарению. Кроме этого, замечено, что повышение влажности отходов способствует стабилизации и усиливает выделение газов. Основным преимуществом этого метода является резкое снижение концентрации фильтрата в течение относительно короткого периода времени. Фильтрат по составу становится близок к фильтрату отходов пятилетней давности, а твердые отходы быстрее стабилизируются.

Подобно орошению, рециркуляция особенно эффективна летом, когда температура окружающей среды высока, уровень испарения максимальный, а образование фильтрата минимально.

В связи с его органическим составом (ХПК/БПК₅), наличием солей различных металлов, в т.ч. и тяжелых металлов, веществ во взвешенном состоянии, фильтрат подлежит эффективной очистке с помощью средств, совместимых с местными условиями (мороз, снег), в целях защиты окружающей природной среды.

В предлагаемой системе обработки фильтрата выделяется 7 отдельных уровней, каждый из которых имеет свое гидравлическое регулирование. Такая структура позволяет задействовать процедуры соответствующего уровня обработки в зависимости от «возраста» фильтрата и от характеристик воды, которая подлежит обработке. Таким образом, чем более «старым» и загрязненным будет фильтрат, тем более глубокой очистке он должен будет подвергнуться (начиная с самого первого уровня).

Этапы оптимальной очистки:

1. Этап удаления газов и летучих веществ (stripping);

2. Стадия физико-химической обработки, аэробной и/или анаэробной, заключающаяся в подготовке биоразложения и создании условий для осаждения тяжелых металлов либо в виде сульфидов, либо в виде гидроксидов металлов. Представляется возможным увеличить эффективность данного этапа очистки путем добавки коагулянта и флокулянта, а также адсорбента, такого как лигнит (бурый уголь);

3. Этап анаэробной фильтрации с фиксацией культур бактерий на гравии;

4. Биологическая обработка в аэрируемом бассейне с фиксацией бактерий на опорных элементах;

5. Этап аэробной фильтрации через песок.

6. Этап окончательной биологической обработки в бассейне с макрофитами;

7. Накопление в специальном бассейне для осуществления разбавления. На данном этапе вода может быть собрана и повторно использована.

В отношении данной схемы очистки следует отметить, что принимая во внимание климатические условия, большинство сооружений выполняется в закрытом помещении, даже если существует возможность заморозить фильтрат в зимний период после осуществления физико-химической обработки и выполнить операции биологической обработки только в летнее время (биологическая обработка требует жаркой погоды, в противном случае фильтрат будет необходимо нагревать).