Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

Снижение экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла

03.00.16 - экология

кандидата технических наук

Шишкин Яков Сергеевич

Пермь 2007

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Глушанкова Ирина Самуиловна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Басов Вадим Наумович

кандидат технических наук Тагилов Михаил Алексеевич

Ведущая организация: Академия Коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, г. Москва

Защита состоится 16 мая 2007 г. в 16⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.07 при Пермском государственном техническом университете, по адресу: 614990 г. Пермь, Комсомольский пр., 29, ауд. 423, главного корпуса.

Факс (342) 239-17-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан 16 апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Рудакова Л. В.

полигон отход сточный гидросфера

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Снижение негативного воздействия полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) на гидросферу является одной из крупных экологических проблем урбанизированных территорий.

В массиве отходов под действием атмосферных осадков, отжимных вод, биохимических процессов их разложения образуются фильтрационные сточные воды (ФВ), характеризующиеся сложным химическим составом, высоким (в сотни раз превышающим ПДК) содержанием токсичных органических и неорганических веществ, наличием бактериального загрязнения. При отсутствии надежной противофильтрационной защиты, системы сбора, очистки и отведения ФВ, что характерно для большинства российских полигонов, они являются длительным источником загрязнения поверхностных и подземных вод.

В связи с тенденцией к закрытию, рекультивации старых свалок ТБО и строительству современных полигонов актуальна разработка технологических и организационных мероприятий, направленных на минимизацию воздействия полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла полигона (после 20 лет эксплуатации объекта).

Диссертационная работа посвящена проблемам обоснования методов обезвреживания ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла полигона и разработке технологических решений по снижению воздействий полигона ТБО на объекты гидросферы. Работа базируется на исследованиях процессов деструкции ТБО, образования ФВ, проведенных специалистами агентства по охране окружающей среды США (M. Barlaz, R. Ham, H. Belevi, P. Baccini), Академии коммунального хозяйства (Н.Ф. Абрамов и др.), кафедры охраны окружающей среды ПермГТУ (Я.И. Вайсман, В.Н. Коротаев, Л.В. Рудакова), на работах специалистов институтов РАН и ВУЗов, НИИ ВОДГЕО, направленных на решение проблемы очистки сточных вод биохимическими и физико-химическими методами (С.В. Яковлев, В.Н. Швецов, А.М. Когановский, А.Д. Смирнов и др.), а также собственных исследований, проведенных в 2000 ?2006 г.г.

Объект исследования. Полигоны ТБО на завершающих этапах жизненного цикла, ФВ полигонов ТБО.

Предмет исследования. Анализ функционирования полигона ТБО как источника загрязнения объектов гидросферы. Закономерности обезвреживания ФВ электрохимическими, сорбционными и биосорбционными методами.

Цель работы. Обоснование методов и разработка технологических решений, обеспечивающих снижение воздействий полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

· Исследовать условия функционирования полигонов ТБО как источника загрязнения объектов гидросферы.

· Проанализировать условия формирования ФВ полигонов захоронения ТБО, выявить основные факторы, влияющие на объем, физико-химический и микробиологический состав ФВ.

· Исследовать химический состав и свойства ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла и оценить их воздействие на объекты гидросферы.

· Разработать принципы выбора методов и технологических решений, направленных на минимизацию воздействий полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.

· Исследовать закономерности извлечения из ФВ коллоидных, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов методом гальванокоагуляции с использованием отходов производства, определить оптимальные условия проведения процесса гальванокоагуляции.

· Исследовать закономерности обезвреживания ФВ сорбционными и биосорбционными методами.

· Разработать технологические решения, обеспечивающие снижение экологической нагрузки полигонов захоронения ТБО, находящихся на завершающих этапах жизненного цикла, на объекты гидросферы.

Научная новизна.

1. Выявлены условия формирования объема и состава ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла.

2. Установлены закономерности извлечения из ФВ коллоидных, высокомолекулярных загрязняющих веществ, ионов тяжелых металлов методом гальванокоагуляции с использованием в качестве гальванопар - отходов производств: железного и/или алюминиевого скрапа и углеродсодержащих отходов целлюлозно-бумажной промышленности.

3. Выявлено, что при сорбционной очистке ФВ процесс адсорбции органических примесей протекает в мезопорах и части макропор пористых материалов, и для их извлечения необходимо использовать мезопористые углеродные сорбенты.

4. Установлены закономерности обезвреживания ФВ биосорбционными методами. Обоснована возможность использования углеродсодержащих отходов и металлургического шлака в качестве загрузки биосорбционного фильтра. Определен биоценоз, формирующийся на поверхности фильтрующих материалов в процессе очистки ФВ.

5. Разработан биосорбционный многослойный фильтр с использованием в качестве загрузочных материалов сорбента-Н, металлургического шлака и коры длительного срока хранения. Установлены оптимальные технологические параметры и эффективность очистки ФВ в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований, воспроизводимостью результатов исследований, положительным опытом реализации предлагаемых технических решений на полигоне ТБО г. Чусового.

Практическая значимость.

Разработаны методы обезвреживания ФВ полигонов ТБО с использованием отходов производств: металлургического шлака, стального или алюминиевого скрапа, недожога, образующегося при сжигании окорки древесины на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.

Обоснованы технологические решения, направленные на минимизацию воздействия полигонов ТБО на гидросферу на завершающих этапах жизненного цикла.

Разработана технологическая схема очистки ФВ полигона ТБО и ПО г. Чусового, которая использована в проекте рекультивации полигона. Проведен технико-экономический анализ и оценка экологической эффективности технологии очистки ФВ на завершающих этапах жизненного цикла.

Личный вклад автора заключается в разработке методик проведения исследований, анализе и обобщении литературных данных и результатов собственных исследований, в разработке технологических решений по очистке фильтрационных вод.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Закономерности формирования химического состава и объема ФВ полигонов захоронения ТБО на завершающих этапах жизненного цикла.

2. Закономерности и механизмы удаления из ФВ органических высоко- и низкомолекулярных, а также коллоидных соединений, комплексных и гидратированных ионов тяжелых металлов методами гальванокоагуляции, сорбции и биосорбции.

3. Технологические решения, направленные на снижение экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались

на областной конференции молодых ученых и студентов «Проблемы химии и экологии», Пермь 2000; на международной конференции «Экологический менеджмент. Пути снижения экологической нагрузки и оптимального использования природных ресурсов» 26-28 ноября 2006, Пермь, Амстердам.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 5 научных работах, в том числе 2 статьях, получен 1 патент РФ на изобретении.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, список литературы включает 149 источников, в том числе 73 иностранных. Объем диссертации составляет 124 страницы машинописного текста, включающих 28 таблиц и 21 рисунок.

Содержание работы

Во введении показана актуальность проблемы очистки фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО, сформулированы цель и задачи исследования.

Глава 1. Анализ условий функционирования полигонов ТБО как источника загрязнения гидросферы. Основным способом санитарной очистки урбанизированных территорий от ТБО остается захоронение их на полигонах и свалках, где в течение десятков лет протекают физико-химические и биохимические процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями загрязняющих веществ в окружающую среду. Основным источником негативного воздействия полигонов депонирования ТБО на объекты гидросферы являются ФВ.

Проанализированы основные факторы, влияющие на состав и объем ФВ. Объем ФВ зависит от климатических факторов, влажности отходов, инженерной инфраструктуры полигона, предварительной обработки отходов. Расчет объема ФВ производится на основе водного баланса полигона ТБО. В зависимости от климатических условий и мощности полигона объем ФВ составляет в среднем от 2000 до 4000 м³/(га•год). Существенным отличием ФВ от других типов сточных вод является неравномерность их накопления в течение года за счет сезонных колебаний уровня атмосферных осадков.

Состав ФВ зависит от этапа жизненного цикла полигона: активной эксплуатации, рекультивации, постэксплуатации и ассимиляции. К завершающим этапам жизненного цикла полигона можно отнести период его эксплуатации, превышающий проектный срок (после 20 лет депонирования отходов), рекультивацию и этапы постэксплуатации.

Превалирующую роль при разложении отходов играют биохимические процессы, протекающие в аэробных и анаэробных условиях.

Каждому этапу соответствует определенная стадия биохимической деструкции отходов, которая определяет закономерности формирования состава ФВ. На первых этапах эксплуатации протекает аэробная деструкция легко биодеградируемых фракций ТБО (пищевые отходы) с образованием жирных кислот, углекислого газа и воды. По мере уплотнения и увеличения количества отходов в теле полигона начинаются анаэробные процессы, длящиеся десятки лет и обусловливающие основные эмиссии загрязняющих веществ. Основные фазы анаэробной биодеструкции отходов: гидролиз, ацетогенез, активный метаногенез, стабильная фаза метаногенеза, полная ассимиляция.

Анализ процессов деструкции различных фракций ТБО позволил установить химический состав ФВ на каждом этапе жизненного цикла полигона. Содержание отдельных классов органических соединений в ФВ на протяжении жизненного цикла полигона ТБО уменьшается в следующей последовательности: летучие кислоты жирного ряда > низкомолекулярные альдегиды > аминокислоты> углеводы, пептиды > гуминовые кислоты > фенолы и полифенолы > фульвокислоты.

ТБО содержат черные и цветные металлы, которые способны подвергаться коррозии, участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, образовывать комплексные соединения с органическими лигандами - продуктами биохимического разложения органической части ТБО, образовывать труднорастворимые гидроксиды, карбонаты, фосфаты, сульфиды.

На стадии стабильного метаногенеза, соответствующей завершающим этапам жизненного цикла полигона, ФВ характеризуются величинами ХПК - 500-1000 мгО₂/дм³, БПК - 100-500 мгО₂/дм³, высоким содержанием биорезистентных компонентов, полифенолов, высокомолекулярных окрашенных примесей гумусовой природы, комплексных ионов металлов с органическими лигандами, что необходимо учитывать при разработке технологических решений по обезвреживанию ФВ.

Проведен анализ отечественного и зарубежного опыта по методам очистки ФВ полигонов ТБО. В России проблемами обезвреживания ФВ занимаются сравнительно недавно, и в настоящее время практически не существует действующих эффективных технологий их очистки.

Для снижения экологической нагрузки полигонов ТБО на гидросферу на завершающих этапах жизненного цикла необходимо применение методов очистки ФВ, позволяющих разрабатывать низкоэнергозатратные и малотрудоемкие технологии; использовать для очистки доступные и дешевые материалы, преимущественно, отходы производств, обладающие коагулирующими, сорбционными, ионообменными свойствами и др.

Анализ существующих методов очистки сточных вод показал, что для обезвреживания ФВ, образующихся на стадии стабильного метаногенеза, наиболее целесообразно применение электрохимических, сорбционных и биосорбционных методов с использованием отходов производств.

Глава 2. Характеристика объектов исследования. Объемы и методы исследования. В качестве основного объекта исследования был выбран полигон ПО и ТБО г. Чусового Пермского края, официально эксплуатирующийся с 1952 года, представляющий собой типичный объект складирования отходов.

Полигон ПО и ТБО расположен на расстоянии 3 км от городской черты и занимает площадь порядка 10 га. Общее количество депонированных отходов составляет более 3 млн. т. Морфологический состав ТБО представлен в табл. 1.

Таблица 1. Морфологический состав отходов городского полигона г. Чусового

Фракция	Химический состав (в расчете на сухие ТБО)	Массовая доля фракции, %
Бумага	С580,6 Н952,3О440,8N3,49 S	18
Пищевые отходы	С320,3Н570, 9О188,4N14,9 S	25
Древесные отходы	С1321Н1904O855,6N4,6S	25
Металл	Fe, Cu, Ni, Cr, Pb и др.	4
Пластмасса	С3,5Н5,0O1S	8
Стекло	Nа2О•SiO2	8
Резина, кожа	С454,9Н69,4N1S	2
Текстиль	С978,8Н1396O416,8N70,2S	5
Прочие	-	5

Проведенное экологическое обследование площадки захоронения показало, что на полигоне отсутствуют специальные природоохранные сооружения: гидроизолирующий экран, система дренажно-сбросной сети для сбора и утилизации ФВ. Основным источником негативного воздействия на окружающую среду являются ФВ. Объем образующихся ФВ, рассчитанный на основании анализа водного баланса полигона, составляет 29700 м³/год. При отсутствии системы сбора ФВ они скапливаются в естественных углублениях рельефа местности. Усредненные результаты анализа химического состава и органолептических свойств ФВ, отобранных из наземных скоплений фильтрата, представлены в табл. 2.

Таблица 2. Физико-химическая характеристика фильтрационных вод полигона ТБО г. Чусового

Наименование показателей	Значение показателя	ПДКВР	Превышение (число раз)
Цветность, 0Ц	150	35,0	4,5
Пороговое разбавление по цвету	1:5400	-	-
Пороговое разбавление по запаху	1:6561000	-	-
рH	6,0-6,3	6,5-8,5	-
Солесодержание, мг/дм3	5900	-	-
ХПК, мг О2/дм 3	680,50	30	33,0
БПКполн., мг О2 /дм 3	97,60	2,0	48,8
БПКполн./ХПК	0,11	-	-
Нитрат-ион, мг/дм3	2,00	40,0	-
Ион аммония, мг/дм3	16,00	0,5	32
Нитрит- ион, мг/дм3	0,12	0,08	1,5
Фосфаты, в пересчете на фосфор, мг/дм3	0,8	0,05	16
Хлорид-ион, мг/дм3	1830	300,0	6,1
Жесткость, мг-экв/дм3	6,80	7,0	-
Марганец (II), мг/ л	2,77	0,01	277
Свинец (II), мг/л	0,25	0,01	25
Медь(II), мг/ л	0,3	0,001	300
Цинк (II), мг/ л	1,3	0,01	130

Исследования показали, что ФВ имеют слабокислую реакцию среды, высокую цветность. Цветность ФВ обусловлена содержанием в них высокомолекулярных соединений гумусовой природы и их производных, которые представляют собой комплекс органических веществ - продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. Соотношение БПК_полн/ХПК - 0,11 показывает, что в воде присутствуют биорезистентные примеси. Низкое содержания в воде нитрит- и нитрат-ионов свидетельствует о торможении биохимических процессов в естественных условиях.

Таким образом, в ФВ содержатся высокомолекулярные и коллоидные соединения, поверхностно-активные и биорезистентные примеси, что затрудняет применение традиционных биологических методов очистки воды.

Сравнение показателей состава ФВ полигона ТБО г. Чусового и других полигонов, находящихся на завершающих этапах жизненного цикла, показало, что его состав достаточно типичен, поэтому фильтрат может быть использован как объект исследования для решения поставленных в работе задач.

При выполнении работы был применен комплекс современных методов исследования, включающий проведение натурных и лабораторных экспериментов, расчетные методы. Отбор проб ФВ и поверхностных вод в зоне влияния полигона и их анализ проводили согласно требованиям Гост и нормативным документам на методы выполнения измерений. При определении химического состава ФВ были использованы методы титриметрического, фотоколориметрического и атомно-эмиссионного анализов. Для определения формирующегося на поверхности сорбционных материалов биоценоза проводились микробиологические анализы проб по стандартным методикам и визуальные исследования с применением микроскопа Zeiss c видеокамерой и программным обеспечением. Увеличение 15Ч40.

Результаты всех экспериментальных исследований обработаны стандартными статистическими методами с использованием программного продукта SP SS V 10.0.5 for Windows и Statistica.

Глава 3. Применение методов гальванокоагуляции для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО.

Исследована возможность применения метода гальванокоагуляции (ГК) для удаления из ФВ высокомолекулярных и ионных примесей с использованием в качестве гальванопар металлического скрапа (железная или алюминиевая стружка) и углеродсодержащих отходов различных производств. Этот метод выгодно отличается от других простотой аппаратурного оформления, низкими энергозатратами, невысокими требованиями к квалификации обслуживающего персонала.

Механизм гальванокоагуляции может быть описан с позиций теории электрохимической коррозии: за счет разности электродных потенциалов на контакте железная стружка (или алюминиевая) - углеродсодержащий материал возникает множество гальванопар, при этом на границе раздела: металл - коррозионная среда протекают процессы окисления металла и восстановление окислителя. Образующиеся ионы железа или алюминия переходят в различные гидроксидные и оксигидратные формы: Fe(OH)₂, FeООН, Fe(OH)₃, Fe(OH)²⁺, Al(OH)²⁺, [Al(OH)₄]^-, Al(OH)₃ и др., которые способствуют коагуляции, осаждению, сорбции примесей из очищаемой воды.

При выборе углеродсодержащих материалов учитывали их сорбционные свойства. В качестве катодных элементов гальванопары использованы сорбент-Н - недожог, образующийся при сжигании окорки древесины на целлюлозно-бумажных предприятиях, и отход древесного угля-сырца, образующегося при получении активных углей.

Проведенный теоретический анализ процесса ГК позволил установить, что полнота, скорость протекания процесса окисления анодных составляющих гальванопар, состав продуктов будут зависеть от величины рН и соотношения элементов в гальванопаре. Установлено, что процесс необходимо проводить в 2 стадии: активизации процесса окисления анодных участков и непосредственно гальванокоагуляции. На первой стадии значение рН должно поддерживаться в интервале 3,5-4,5; на второй - 7,5-8,0.

Исследования по применению ГК для обезвреживания ФВ проводили в статических и динамических условиях. При проведении процесса в статических условиях осуществлен выбор наиболее эффективных гальванопар и определены их оптимальные соотношения. Эффективность очистки ФВ контролировали по изменению величины ХПК, цветности, содержанию в воде ионов металлов. Проведенные эксперименты показали, что в качестве катодного элемента гальванопары наиболее целесообразно использовать сорбент-Н, обладающий достаточно развитой пористой структурой.

Оптимальным соотношением реагентов для гальванопары сорбент-Н - железные опилки является 1:2, для гальванопары сорбент-Н - алюминиевые опилки - 1:1. Эффективность очистки по ХПК составляла 60-75 %, по цветности - 80 %; концентрации ионов тяжелых металлов (цинка (II), меди (II)) в очищенной воде не превышали 0,01 мг/л.

Эксперименты, проведенные в динамических условиях, позволили установить оптимальный режим работы гальванокоагулятора, время фильтроцикла. Характеристика химического состава ФВ, очищенных методом ГК, представлена в табл. 3.

Таблица 3. Характеристика химического состава ФВ, очищенных методом гальванокоагуляции

Наименование показателя	ФВ	Железо - сорбент-Н	Алюминий - сорбент-Н
		Значение	Э,%	Значение	Э,%
ХПК, мг О2/л	680	110	83,8	130	72
рН	6,2	8,6	-	8,4	-
Цветность, 0Ц	150	20	86,7	40	73,3
Жесткость, мг-экв/дм3	7,8	4,7	39,7	3,8	51,3
Хлорид-ион, мг/дм3	1830	1800	1,6	487	73,4
Фосфаты, Р-РО4, мг/дм3	0,8	0,016	98,0	0,014	98,2
Железо (II, III),мг/дм3	10,0	11,5	-	0,3	97,0
Марганец (II), мг/дм3	1,8	0,06	96,7	0,05	97,2
Свинец (II), мг/дм3	0,15	0,01	93,3	0,01	93,3
Цинк (II), мг/дм3	1,3	0,01	99,2	0,01	99,2

Э - эффективность очистки.

Применение метода ГК позволяет значительно снизить жесткость и содержание фосфат-ионов в обработанной воде в результате образования малорастворимых карбонатов кальция и магния, фосфатов алюминия, железа.

Микробиологические исследования очищенной воды показали значительное снижение в ней содержания микроорганизмов (ОМЧ снижается с 120000 ед./дм³до 5000 ед./дм³). Образующиеся микротоки губительно действуют на микрофлору сточных вод, тем самым, обеспечивая их обеззараживание.

Полученные результаты позволили установить, что использование метода ГК для очистки ФВ, формирующиеся в фазе стабильного метаногенеза (ХПК 600 - 700 мгО₂/дм³), обеспечивает снижение величины ХПК на 40-60% и цветности ФВ на 80-90 %.

Глава 4. Экспериментальные исследования обезвреживания фильтрационных вод биосорбционным методом. Одним из способов биологической очистки сточных вод в аэробных условиях является очистка в биофильтрах. Применение пористых углеродсодержащих материалов в биофильтре, в котором обычно в качестве загрузки используются инертные материалы с неразвитой поверхностью (керамзит и т.п.), позволяет значительно повысить глубину очистки и увеличить фильтроцикл сорбционных материалов. При этом протекают биосорбционные процессы - сорбция и биохимическое окисление сорбированных органических примесей.

Эффективность биосорбционной очистки, экономическая целесообразность применения метода будут определяться рациональным выбором сорбционного материала. В практике очистки сточных вод в основном используются дорогостоящие АУ марок БАУ, АГ-3, АГМ, обладающие универсальной пористой структурой, способные к сорбции как низко-, так и высокомолекулярных соединений. Для очистки ФВ наиболее экономически оправданно применение дешевых сорбционных материалов.

Для исследования были выбраны углеродные материалы, значительно различающиеся параметрами пористой структуры: промышленные марки АУ - БАУ-МФ (мелкая фракция), АГМ, а также буроугольный полукокс БКЗ, АУ из буроугольного полукокса - АБД, сорбент-Н, отсевы производства АУ. В табл. 4 представлены основные физико-химические свойства сорбентов, их пористая структура и сорбционная активность.

В качестве фильтрующего материала был также исследован дробленый металлургический шлак Чусовского металлургического завода, образующийся при получении стали в мартеновских печах. Проанализирован его химический состав и определены основные физико-химические характеристики. Химический состав шлака (масс. %): SiO₂ - 21,96; MnO - 5,25; Fe₂O₃ - 14,0; CaO - 38,10; MgO - 17,394 Al₂O₃ - 3,29.

Экспериментальные исследования сорбционной очистки ФВ на выбранных образцах сорбентов позволили установить взаимосвязь между свойствами органических примесей ФВ и параметрами пористой структуры материалов. Анализ изотерм адсорбции органических примесей ФВ показал, что наибольшей сорбционной активностью обладают мезопористые образцы - сорбент-Н и АБД (рис.1).

Таблица 4. Характеристика пористой структуры и сорбционной активности углеродных материалов

Углеродный материал	V?, см3/г	Объем пор углеродных сорбентов, см3/г	Х0, нм	Насыпная плотность, г/см3	Гранулометрический состав: размер основной фракции, мм	Адсорбционная активность
		Vми	Vме	Vма
АГМ	0,96	0,31	0,07	0,58	0,66	0,48	1,0-1,5	235 мг/г (по бензолу)
БАУ-МФ	1,85	0,18	0,09	1,58	0,47	0,24	0,5-1,0	60 % (по йоду)
АБД	0,59	0,1	0,14	0,35	0,43	0,48	0,5-1,0	50 % (по йоду)
БКЗ	0,44	0,02	0,014	0,41	-	0,5	0,5-1,0	30 % (по йоду)
Сорбент-Н	0,68	0,08	0,10	0,50	-	0,24	0,5-1,5	70-80 мг/г (по метиленовому голубому)

V_? - суммарный объем пор, Х₀ - размер щелевидных микропор; V_ми V_ме V_ма - объемы микро-, мезо- и макропор.

Рис.1. Изотермы адсорбции примесей ФВ на углеродных материалах и шлаке

ФВ на стадии стабильного метаногенеза характеризуются высоким содержанием коллоидных, окрашенных примесей гумусовой природы и их производных. В слабощелочной среде они образуют ассоциаты под действием ионов жесткости, катионов металлов, размеры которых могут достигать 8-20 нм. Размеры ассоциатов соизмеримы с размерами мезопор и частями макропор углеродных материалов.

Шлак, в состав которого входят оксиды железа (III), кальция и магния также обладает достаточной для практического использования емкостью. На поверхности шлака протекают процессы коагуляции окрашенных соединений ФВ и осаждения агрегированных частиц.

Сорбционная очистка ФВ сопровождается адсорбцией микроорганизмов, вследствие чего на поверхности углеродсодержащих материалов и шлака возможно протекание биохимических процессов. В ходе исследований была разработана и испытана в лабораторных условиях модель биосорбционного многослойного фильтра (рис.2). В качестве загрузки фильтра были использованы шлак и сорбент-Н. Для интенсификации процессов биохимической очистки и как дополнительный источник микрофлоры - кора длительного срока хранения (15 лет). С целью определения технологических параметров очистки ФВ в биосорбционном фильтре были проведены лабораторные эксперименты, которые позволили установить период адаптации микроорганизмов к примесям ФВ и формирования биопленки, ее микробиологический состав, эффективность очистки фильтрационных вод полигонов ТБО. Наиболее развитая биопленка формировалась на сорбенте-Н, биоценоз которой был представлен бактериями, относящимися к родам Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus, единично присутствовали нитчатые формы бактерий.

Рис.2. Конструкция биосорбционного многослойного фильтра

Кроме бактерий обнаружены грибы рода Fusarium; простейшие представлены родами: Aspidisca, Vorticella, Paramecium, Rotatoria, Nematoda. Определена окислительная мощность (ОМ) загрузочных материалов биосорбционного фильтра, по показателю ХПК она составляет 0,8-1,0 гО₂/(дм³ •сут).

В лабораторных условиях испытана модель биосорбционного фильтра объемом 1,70 дм³ диаметром 12 см и высотой фильтрующего слоя 15 см. Высота слоев была выбрана с учетом сорбционной емкости и гидравлической крупности материалов: кора - 2 см, шлак - 5 см, сорбент-Н - 7 см, дренажный слой (гравий) - 1 см.

Очистка ФВ в биосорбционном фильтре, работающем в капельном режиме при естественной аэрации с нагрузкой 2-3 м³/(м²•сут), позволила улучшить органолептические и физико-химические свойства воды. Очищенная вода имела цветность 30-40 ⁰Ц, запах отсутствовал, эффективность очистки по величине ХПК составила 83-85 %. Вода с такими показателями может быть доочищена в биологических прудах.

Преимуществом биосорбционного фильтра является возможность саморегенерации загрузочных материалов в процессе биохимического окисления примесей. Срок его эксплуатации определяется механической прочностью материалов.

На основании проведенных лабораторных экспериментов на полигоне ТБО г. Чусового в летний период (июнь-сентябрь) были проведены укрупненные испытания по использованию биосорбционного фильтра в очистке ФВ. В качестве загрузочных материалов были выбраны металлургический шлак Чусовского металлургического комбината, сорбент-Н, кора. Объем биосорбционного фильтра - 1м³, площадь - 1 м², рабочая высота - 1 м. Высота слоев загрузки была выбрана на основании проведенных лабораторных исследований и составляла: кора - 15 см, шлак - 35 см, сорбент-Н - 40 см, гравий - 10 см. Фильтр работал в режиме капельного биофильтра со скоростью подачи ФВ 50 - 75 дм³/час. Контролировали процесс очистки по величине ХПК и цветности. Исходное значение ХПК составляло 650-680 мг О₂/л, цветность - 120-150 ⁰Ц. Отбор проб на анализ осуществляли 1 раз в трое суток. После адаптационного периода (12 дней) фильтр работал стабильно. Величина ХПК на выходе из аппарата составляла 150-200 мг О₂/л, цветность - 40-50 ⁰Ц.

Проведенные укрупненные испытания позволяют рекомендовать разработанный метод для обезвреживания ФВ, образующихся на завершающих этапах жизненного цикла полигона ТБО.

Глава 5. Разработка технологических решений, направленных на снижение экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты гидросферы на постэксплуатационном этапе жизненного цикла. На основе проведенных исследований были разработаны технологические решения по обезвреживанию ФВ, обеспечивающие снижение экологический нагрузки полигонов ТБО на гидросферу на завершающих этапах жизненного цикла и основанные на применении методов гальванокоагуляции и биосорбции. Выбор технологической схемы будет зависеть от объема образующихся ФВ, их химического состава, соотношения БПК/ХПК, гидрогеологических особенностей площадки.

Для ФВ, имеющих концентрацию по ХПК не более 700 мг О₂/дм³ и низком соотношении БПК/ХПК, можно рекомендовать схему очистки, состоящую из пруда-усреднителя, гальванокоагулятора типовой конструкции, содержащего металлический скрап (стальные и/или алюминиевые стружки) и углеродсодержащий материал, и биологического двухступенчатого пруда. Производительность сооружений - 100-150 м³/сут.

На примере очистки ФВ полигона ТБО г. Чусового была разработана технология очистки, включающая стадию биосорбционной очистки и доочистку воды в биологических прудах (рис.3). Учитывая климатические условия Западного Урала и неравномерность накопления ФВ в течение года (наибольший объем фильтрата образуется в паводковый и осенний периоды), технология рассчитана на эксплуатацию в вегетационный период года (апрель-сентябрь). При годовом объеме ФВ - 29700 м³, производительность очистных сооружений составит 165 м³/сут или 6,8 м³/час.

При разработке технологии сбора, очистки и отведения ФВ учитывался рельеф местности, гидрологические и топографические характеристики площадки захоронения и прилегающих территорий. В качестве элементов схемы целесообразно использовать естественно образовавшиеся водоемы (наземные скопления ФВ) после проведения работ по их облагораживанию: формирование откосов и укрепление берегов за счет высаживания прибрежной растительности - различных видов ивы. На прилегающей к полигону территории образовано 2 мелких и 3 крупных водоема с общей площадью зеркала более 2 га. Наиболее загрязненный водоем, располагающийся в непосредственной близости к полигону, предлагается использовать как пруд-накопитель. Последующие водоемы - в качестве биологических многокаскадных прудов.

Рис.3. Технологическая схема очистки

Для отвода фильтрата на очистные сооружения целесообразно строительство открытых каналов, расположенных по внешнему контуру полигона, которые используются также для отвода поверхностного стока.

Стоки должны поступать в пруд-накопитель глубиной не менее 3 м, что будет способствовать формированию двух зон - нижней анаэробной и верхней аэробной (до 1,5 м). В пруду происходит первичное самоочищение стоков, осаждение взвешенных веществ. Из пруда-усреднителя вода поступает на биосорбционный фильтр, работающий в капельном режиме, затем в многокаскадные пруды. В многослойном биосорбционном фильтре материалы загрузки уложены сверху вниз в следующем порядке: кора - 0,15 м, шлак - 0,5 м, сорбент-Н - 0,5 м, гравий - 0,15 м. При гидравлической нагрузке биосорбционного фильтра, работающего в режиме капельного биофильтра, 3 м³/(м²•сут) поверхность загрузки составила 55 м², общий объем - 82,5 м³.

Анализ литературных данных показал, что в климатических условиях Западного Урала эффективность очистки в прудах составляет не более 70%.

Для увеличения эффективности очистки, снижения времени пребывания в прудах, а также с учетом реальной площади имеющихся водоемов предлагается между прудами создать фильтрующую траншею, содержащую металлургический шлак. Шлак, как показали исследования, наряду с высокими фильтрующими свойствами обладает также биосорбционной активностью. Общая эффективность очистки составляет 95% по показателю ХПК и обеспечивает качество очистки ФВ, позволяющее сбрасывать очищенную воду в открытый водоем.

Проведена эколого-экономическая оценка разработанной схемы. Расчеты показали, что суммарный экологический ущерб равный 901895 руб./год, значительно превышает затраты на строительство и эксплуатацию сооружений - 150489,25 руб./год (расчеты приведены в ценах 2006 г.).

Выводы

1. Установлено, что основным источником негативного воздействия полигона ТБО на гидросферу являются ФВ. Выявлена взаимосвязь химического состава и объема ФВ от морфологической структуры ТБО, этапа жизненного цикла, водного баланса полигона ТБО.

2. Теоретический анализ процессов формирования ФВ и экспериментальные исследования состава ФВ полигона ПО и ТБО г. Чусового (Пермский край) показали, что на завершающих этапах жизненного цикла ФВ характеризуются высоким содержанием биорезистентных компонентов, полифенолов, высокомолекулярных окрашенных примесей гумусовой природы, комплексных ионов металлов с органическими лигандами, ХПК - 500-1000 мгО₂/дм³, БПК - 100- -500 мгО₂/дм³, солесодержание - 5000-6000 мг/дм³.

3. Разработаны принципы выбора методов и технологических решений обезвреживания ФВ, образующихся на завершающих этапах жизненного цикла, которые включают использование методов очистки, позволяющих разрабатывать низкоэнергозатратные и малотрудоемкие технологии; применение доступных и дешевых материалов, преимущественно, отходов производств, обладающих коагулирующими, сорбционными или ионообменными свойствами.

4. Установлены закономерности процесса гальванокоагуляции ФВ с использованием отходов производств (стального и/или алюминиевого скрапа и сорбента-Н). Определены оптимальные соотношения элементов: для гальванопары сорбент-Н - стальной скрап - 1:2; для гальванопары сорбент-Н - алюминиевый скрап - 1:1. Эффективность очистки по ХПК составляла 60 - 80 %, концентрация ионов металлов в очищенной воде не превышала 0,01 мг/л.

5. Установлены закономерности и механизмы процессов очистки ФВ методами сорбции и биосорбции. Определен качественный состав биоценоза, формирующийся на поверхности сорбента-Н и металлургического шлака в процессе очистки ФВ, который представлен бактериями, относящимися к родам Acinetobacter, Pseudomonas, Bacillus.

6. Разработана конструкция многослойного биосорбционного фильтра с использованием в качестве загрузочных материалов сорбента-Н, металлургического шлака и коры длительного срока хранения. Установлены оптимальные технологические параметры и эффективность очистки ФВ в лабораторных и опытно-промышленных условиях. Эффективность очистки ФВ по величине ХПК составила 83-85 %.

7. Разработаны технологические решения и технологические схемы очистки ФВ полигона ТБО на завершающих этапах жизненного цикла полигона ТБО, обеспечивающие снижение экологической нагрузки объектов захоронения на гидросферу и утилизацию промышленных отходов. Для очистки ФВ полигона ПО и ТБО г. Чусового разработана технологическая схема, основанная на применение биосорбционных методов, и проведена ее эколого-экономическая оценка. Суммарный экологический ущерб составляет 901895 руб./год, затраты на строительство и эксплуатацию сооружений - 150489,25 руб./год (в ценах 2006 г.).

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях

1. Рудакова Л.В., Шишкин Я.С. Возможность применения биосорбционного фильтра в технологии очистки фильтрационных вод свалки г. Перми // Тезисы докладов областной конференции молодых ученых и студентов «Проблемы химии и экологии», Пермь, 2000. С. 23-25.

2. Биосорбционный фильтр для полигона ТБО / Вайсман Я.И., Зайцева Т.А., Рудакова Л.В., Глушанкова И.С., Никитенко А.Н., Шишкин Я.С. // ЭКиП: Экология и промышленность России. - 2001. - N 9. - С. 18-20.

3. Вайсман Я.И., Глушанкова И.С., Рудакова Л.В., Шишкин Я.С. Очистка фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО методом гальванокоагуляции // Водоснабжение и санитарная техника. - 2003. - N 8. - С. 33-36.

4. Шишкин Я.С., Пепеляева Ю.С. Разработка технологии очистки фильтрационных сточных вод городской свалки ТБО г. Чусового // Материалы международной конференции 26-28 ноября 2003, Амстердам. «Экологический менеджмент. Пути снижения экологической нагрузки и оптимального использования природных ресурсов». С. 15-19.

5. Биосорбционный фильтр для очистки сточных вод Патент РФ № 2186618 МКИ⁴ С 02 2000 / Вайсман Я.И., Рудакова Л.В., Глушанкова И.С., Зайцева Т.А., Шишкин Я.С.

Размещено на Allbest.ru

...