Свердликов А.И., НИКТИ ГХ, г. Киев, Украина,Свердликов А.А., НИИ ВОДГЕО, г. Москва, Россия

http://alumni.iatp.org.ua/publications/files/2006051711422371.doc

Разработка технологий очистки фильтрационных сточных вод полигонов ТБО в настоящее время приобретает особую актуальность в связи с накоплением фильтрата на действующих и строящихся инженерных полигонах ТБО.

Основными факторами, влияющими на химический и микробиологический состав фильтрационных вод полигонов ТБО, являются морфология твердых бытовых отходов, условия складирования, предварительная сортировка и обработка, этап жизненного цикла полигона.

В толще ТБО, складированных на полигоне, под воздействием совокупности анаэробной микрофлоры и почвенных бактерий протекает многостадийные процессы распада органических составляющих – биоконверсия органических веществ. Бытовые твердые отходы содержат большое количество разнообразных органических веществ. Загрязнение органикой и рН фильтрата в значительной степени зависит от возраста и степени биологического разложения отходов.

В основе биохимического процесса анаэробного разложения твердых бытовых отходов, аналогично анаэробным процессам, протекающим в природе, сбраживании осадков и сточных вод, лежит способность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности окислять органические вещества. Биохимия и микробиология анаэробных процессов значительно сложнее, чем в аэробных процессах. Это является результатом разнообразия путей обмена, доступных для анаэробного сообщества микроорганизмов.

Разложение бытовых отходов делится на две основные фазы – кислотная и метаногенная. В зависимости от преобладания фазы распада существует два типа фильтрата: «молодой» фильтрат – кислотная среда и «старый» фильтрат – метановая фаза [1].

Особенностями фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО являются

* сложный химический состав, представленный органическими и неорганическими примесями и изменяющимся на каждом этапе жизненного цикла полигона;

* высокое содержание токсичных компонентов и биорезистентных примесей;

* присутствие в воде различных групп микроорганизмов, в том числе патогенных;

* значительное отличие от промышленных и муниципальных сточных вод;

* зависимость объема и состава фильтрационных вод от площади полигона, количества складируемых отходов, уровня атмосферных осадков.

Таким образом, количество, состав и концентрация загрязнений фильтрационных вод определяется совокупностью большого числа факторов, основными из которых являются:

* морфологический и химический состав отходов;

* климатические и гидрологические условия места размещения полигона;

* инженерная подготовка территории для складирования отходов;

* условия складирования: площадь, глубина (высота), влажность, степень уплотнения, реакция среды рН, температура в теле полигона, условия изоляции от атмосферных дождевых и талых вод и др.;

* наличие и состояние инженерных коммуникаций систем сбора и отвода фильтрата;

* наличие и состояние инженерных коммуникаций систем сбора и отвода биогаза;

* наличие и состояние инженерных систем сбора и отвода атмосферных дождевых и талых вод.

По морфологическому и химическому составу все отходы подразделяются на следующие виды.

Биодеградируемые, к которым относятся пищевые, садово-парковые отходы, бумага, древесина, некоторые виды текстиля, составляющие в среднем 60 – 80 % от массы ТБО.

Отходы, подвергающиеся химической деструкции – черные и цветные металлы, пластмассы.

Балластные – камни, стекло, строительные материалы.

Из фракции биодеградируемых, в зависимости от скорости и полноты разложения, выделяются три основные группы: быстро разлагаемые – пищевые отходы, трава, листья; средне разлагаемые – целлофан, принтерная и лощенная бумага, офисная и журнальная бумага, бумажная посуда, садово-парковые отходы; медленно разлагаемые – гофрированный картон, газеты, древесина.

На стадии активной эксплуатации полигона (10 – 30 лет) можно выделить следующие фазы биодеструкции ТБО: аэробная; анаэробная – гидролиз; ацетоногез; активный метаногенез.

Стабилизация биохимических процессов начинается после 30 – 40 лет с начала депонирования отходов и обычно совпадает с рекультивационным этапом жизненного цикла полигона.

В аэробной фазе (рН = 6,5 – 7,2) (на глубине до 50 – 80 см), длящейся несколько месяцев, протекает гидролиз и окисление пищевых отходов. Большинство металлов подвергаются коррозии с кислородной деполяризацией. Кислоты, образующиеся при окислении органических соединений, способствуют растворению металлов и переходу их в фильтрат.

Окисление и разложение отходов в аэробных условиях сопровождается выделением тепла, и температура тела полигона может достигать 80о С. Рост температуры и присутствие антимикробных соединений абиотического происхождения приводит к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов, личинок насекомых. Обычно на аэробной стадии в связи с ее непродолжительностью образуется незначительное количество фильтрата.

В ацетогенной фазе (рН = 4,5 – 6,5), длящейся от 1 года до 4 лет, происходит дальнейший распад быстро и средне разлагаемых фракций ТБО, основными продуктами которого являются уксусная и пропионовая кислоты, углекислый газ и вода, приводящие к значительному снижению рН фильтрата и ускорению процессов деструкции, гидролиза древесины, целлюлозы, некоторых видов пластмасс, синтетических волокон.

В кислой среде активные металлы – цинк, железо, никель, хром, кадмий и др. способны окисляться ионами водорода. Ионы металлов могут образовывать устойчивые комплексные соединения с органическими соединениями, а также осаждаться в виде карбонатов, фосфатов.

Фильтрационные воды в этот период характеризуются высокими значениями ХПК и БПК (десятки и сотни тысяч мг О2/л) и концентрацией ионов тяжелых металлов (до 70 мг /л).

На стадии активного метаногенеза (до 30 лет с момента депонирования) протекает ферментативное разложение образованных в ацетогенной фазе кислот, которое сопровождается значительным выделением газов (метан, углекислый газ, меркаптаны, аммиак и др.) и повышением рН среды (7,2 – 8,6). На этой стадии происходит разложение 50 – 70 % целлюлозы и гемицеллюлозы с образованием биогаза и соединений гумусовой природы, полифенолов и др.

На этой стадии в фильтрационных водах снижается содержание органических веществ (ХПК = 3000 – 4000 мг /л, БПК5 = 100 – 400 мг /л) и увеличивается доля биорезистентных компонентов (ПАВ, хлорорганические соединения, гуматы металлов и гуминовые соединения), о чем свидетельствует уменьшение соотношения БПК5/ХПК на порядок.

В стабильной фазе метаногенеза (до 100 лет) снижается скорость и величина эмиссии метана, при этом основным источником загрязнения окружающей среды становятся фильтрационные воды. На этой стадии в щелочной среде протекают ферментативный гидролиз лигнина с образованием ароматических и жирных кислот, дальнейшая биодеградация целлюлозы и химическая деструкция трудно разлагаемых фракций ТБО (полимерных материалов).

Фильтрационные воды характеризуются высоким содержанием биорезистентных компонентов, повышенной минерализацией (до 7000 мг /л).

В фильтрационных водах содержатся вещества, характерные для стоков хозбытовой и промышленной категории: органические вещества (показатели БПК и ХПК), взвешенные вещества, все формы азота (соли аммония, нитраты, нитриты), фосфаты, натрий, железо, поверхностно-активные вещества (СПАВ), хлориды, сульфаты минеральные соли.

Химический состав фильтрационных вод типичного полигона в зависимости от этапа биохимической деструкции ТБО характеризуется усредненными показателями: «молодой» фильтрат (0-5 лет) - БПК5 = 10640,0 мгО2/л, ХПК = 26800,0 мгО2/л; «старый» фильтрат (5-35 лет) - БПК5 = 680,0 мгО2/л, ХПК = 2280,0 мгО2/л

Фильтрационные воды неблагоприятны в санитарно-эпидемиологическом отношении, так как содержат различные физиологические группы микроорганизмов, в том числе патогенные и яйца гельминтов.

При разработке эффективных технологий очистки ФВ конкретного полигона, а также при проектировании новых объектов, оценке потенциального воздействия фильтрата на природные водные объекты необходимо прогнозировать качественные изменения состава сточных вод на различных этапах биодеструкции ТБО.

Технологическая схема очистки фильтрационных вод и обработки осадка основана на применении комбинированных, многостадийных процессов и сооружений в зависимости от многокомпонентного фазово–дисперсного состава загрязнений сточных вод, необходимой степени очистки и соответствующей подготовки фильтрационных вод для каждой последующей стадии. Разработка и выбор оптимальной технологической схемы определяется составом и концентрацией загрязнений, объемом сточных вод полигонов и условиями сброса очищенных вод.

Анализ развития методов и технологий очистки фильтрационных вод показывает, что технологические схемы основываются на применении преимущественно методов биохимической деструкции органических веществ в сочетании с физико-химическими процессами – коагуляции-флотации, жидкофазного окисления, фильтрации, ультрафильтрации, адсорбции, обратного осмоса, концентрированного выпаривания в различных комбинациях [3].

В институте НИКТИ ГХ (г. Киев) предложена технология очистки фильтрата, сочетающей методы химического и биологического окисления. На первой стадии осуществляется химическое окисление трудноразлагаемых загрязнений с помощью реагентной смеси, состоящей из порошкообразного глинистого сорбционного материала, окислителя и полиэлектролита, с последующим отстаиванием в тонкослойных модулях. Биохимическое окисление органических загрязнений предусматривается в реакторе с суспендированной и иммобилизованной микрофлорой с чередованием аэробных и анаэробных условий и отстаиванием во вторичных отстойниках. После аэротенков очищенная вода направляется в биореактор с закрепленной микрофлорой, очищенные воды проходят обеззараживание ультрафиолетовыми лампами, с добавлением перекиси водорода. Обработка осадка предлагается пылевидной негашеной известью и порошкообразной бентонитовой глиной и складирование на полигоне ТБО.

Фирмой «ДАР/ВОДГЕО» (г. Москва) разработана технологическая схема очистных сооружений очистки фильтрата комплекса по переработке и захоронению ТБО, основанная на сочетании методов преаэрации, физико-химической реагентной очисткив в отстойнике-осветлителе, биологической очистки в аэротенках-осветлителях , со взвешенными и закрепленными микроорганизмами, озонирование, фильтрация на песчаных фильтрах, ультрафильтрация, установка обратного осмоса. Очищенная вода направляется на выпуск в водоем. Озонирование используется для разрушения и окисления трудно окисляемых органических веществ и защиты от обрастания загрузки и мембран в процессах фильтрации на песчаных фильтрах, ультрафильтрации и обратного осмоса.

Концентрат после установки обратного осмоса направляется на установку вакуумного выпаривания Концентрат (20 %) после установки вакуумного выпаривания направляется на утилизацию. Сырой осадок из первичных отстойников осветлителей перекачивается в аэробные сбраживатели для обработки.

Для механического обезвоживания сброженного осадка используются фильтр-прессы рамочного типа Иловая вода после уплотнения осадка из аэробных сбраживателей и фильтрат после фильтр-прессов направляется перед аэротенками для очистки. Обезвоженный осадок направляется на утилизацию.

Фирмой “Rochem Service” разработана технологическая схема очистки фильтрационных вод, основанная на применении обратно-осмотической системы Pall Rochem в 2 ступени. С целью защиты обратно-осмотических мембран и насосов высокого давления предусмотрена стадия предварительной очистки фильтрацией на песчаных и волокнистых фильтрах тонкой очистки , с размерами пор до 40 мкм, для удаления грубых и взвешенных веществ. Фильтрат после фильтров предварительной очистки насосами под давлением 65 бар проходят последовательно 1 и 2 ступени обратно-осмотической системы. После двух ступеней обратно-осмотических установок фильтрат разделяется на 2 потока: очищенный фильтрат (пермеат), в объеме около 78 % и концентрат – 22 %. Концентрат после 1-й ступени обратно-осмотической установки направляется на 3-ю ступень обратно-осмотической системы фильтрации под давлением 120 бар, пермеат после которой, направляется на 2-ю ступень обратного осмоса на доочистку. К недостаткам схемы следует отнести недостаточно глубокую предварительную очистку фильтрата перед обратным осмосом и отсутствие обработки концентрата. Концентрат предлагается использовать для увлажнения отходов полигона или его связывание цементом, жидким стеклом и золой, с захоронением на полигоне[2].

Институтом Коллоидной химии и химии воды предложена схема, основанная на применении метода обратного осмоса с предварительной двухступенчатой анаэробно-аэробной биологической очисткой. После биологической очистки происходит коагуляция коллоидных и взвешенных веществ, очистка от железа в тонкослойном модуле, с последующим обеззараживанием гипохлоритом натрия, фильтрацией через песчаный фильтр, угольный фильтр и микрофильтр. После декальцинирования и доочистки от солей тяжелых металлов в Na-катионитовых фильтрах, фильтрат проходит электродиализатор для обессоливания и концентрирования солей до 250 г/л и обратноосмотическую установку. Очищенная вода сбрасывается в водоем. Из концентрата после электродиализатора предполагается извлечение реагентным методом осадка CaCO3 и Mq(OH)2, а также разделение солей NaCl и Na2SO4 кристаллизацией [2].

Фирмой «Кимо-бизнес» предложена технология очистки фильтрата методом вакуумного выпаривания исушки, состоящей из выпарного и сушильного модуля, блока очистки отходящих газов, блока охлаждения циркуляционной воды и газодувки. Дистиллят после вакуумного выпаривания выпускается в водоем. Осадок, в виде гранул и порошка и водный раствор аммиака, после очистки отходящей смеси воздуха и аммиака, направляется на захоронение на полигоне.

Анализ технико-экономических показателей свидетельствует о широком диапазоне значений: удельные капитальные вложения составляют – от 1,6 до 10,85 тыс. дол. США на 1 м3 суточной производительности, энергоемкость – от 15 до 150 кВт-ч/м3, себестоимость очистки – от 0,7 до 9,1 дол. США/м3, в зависимости от принятой технологии и условий выпуска очищенных сточных вод [2, 3].

Следовательно, технологические схемы для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО, отличаются многостадийностью, сочетанием физико-химических и биохимических процессов удаления и деструкции загрязнений, применением методов фильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса, процессов вакуумного выпаривания и сушки, механического обезвоживания осадков, обеззараживания очищенных вод перед их выпуском в водоем, определяемых условиями объекта. Эффективность процессов очистки фильтрационных сточных вод, с использованием соответствующих технологическим схем, и оценка технико-экономических показателей может быть проведена после их реализации и получения эксплуатационных данных на действующих объектах.

Литература

1. Рекомендации по сбору, очистке, и отведению сточных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов. Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу, ФГУП Федеральный центр благоустройства и обращения с отходами. Утв. 25. 04. 2003 г., Москва, 2003, изд. ИСТ СТФ ПГТУ, г. Пермь. 47 с.

2. Санітарна очистка міст та комунальний транспорт, Інформаційно-аналітичний збірник, випуск № 4, Держжитлокомунгосп України, Київ, 2002, 88 с.

3. J. Kochany, A. Lugowski. Multi Stage Treatment of High Strength Leachate. Conestoga-Rovers & Associates, 651 Colby Drive, Waterloo, Ontario, N2V 1C2, Canada.