Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

Рис. 1.21. Схема сбора и отвода фильтрата из рабочего тела полигона в пруднакопитель и рециркуляции фильтрата: 1 – рабочее тело полигона; 2 – система отвода фильтрата из дренажной системы рабочего тела в пруды-накопители; 3, а, 3, б – пруды-накопители; 4 – коллектор гидравлической связи прудовнакопителей; 5 – система забора фильтрата из пруда-накопителя для подачи на станцию автоматизированной подачи фильтрата на рециркуляцию; 6 – автоматизированная станция подачи фильтрата из пруда-накопителя на рециркуляцию;

7 – система орошения поверхности рабочего тела фильтрата

При достижении уровня фильтрата в пруду-накопителе верхней отметки происходит автоматическое включение насоса. При снижении уровня фильтрата в пруду до нижней отметки насос останавливается. Время замыкания и размыкания контактов фиксируется в памяти прибора. Таким образом, по разнице во времени между моментами замыкания и размыкания контактов регистратора событий определяется время наработки насоса. Результаты измерений могут быть просмотрены на дисплее прибора либо переданы на персональный компьютер при помощи конвертера интерфейсов USB-RS-485.

Периодический анализ проб образующихся фильтрационных вод, поступающих в пруды-накопители и подаваемых на рециркуляцию, позволяет контролировать состав фильтрата и определять кратность рециркуляции.

При значительном повышении концентрации загрязняющих веществ в ФВ возможен их отвод в третий пруд и на очистку.

Методы механической и физико-химической очистки фильтрата довольно широко используются как подготовительные перед его подачей на городские очистные сооружения. Из механических методов наиболее часто применяют

71

отстаивание с коагуляцией и фильтрацией, из физико-химических – химическое осаждение, химическое окисление, адсорбцию с применением активных углей и других адсорбентов, обратный осмос, ионный обмен и др. [1, 5, 6, 62, 63].

Наиболее распространенными методами очистки ФВ являются биохимические – аэробные и анаэробные. Обычно они используются после предварительной механической очистки (отстаивание, фильтрация, коагуляция) [18–21].

В работах H.D. Robinson, R. Cossu показано, что интенсивная аэробная очистка ФВ может приводить к снижению на 90 % БПК и на 80 % ХПК [60–65].

При обработке высококонцентрированных ФВ в аэротенки для повышения эффективности биохимических процессов необходимо подавать большое количество кислорода, что приводит к значительным затратам электроэнергии на аэрацию (при расходе ФВ 400 м3/сут расходуется электроэнергия на сумму около 1200 долларов США в месяц). Для стимуляции процессов и достижения оптимального соотношения БПК5 : N : Р = 100 : 3,2 : 1,1 необходимо использовать биогенные добавки. Добавление фосфора, чаще всего в виде ортофосфорной кислоты, способствует осаждению тяжелых металлов и накоплению их в биологических илах, что создает трудности при их утилизации. Недостаток биогенных элементов, наличие ингибирующих примесей приводит к вспуханию ила и значительно снижает эффективность его флокуляции и осаждения.

Процессы аэробной очистки осуществляют также в биофильтрах, где на поверхности загрузочных материалов формируется биопленка, биоценоз которой подобен биоценозу активного ила аэротенков [57]. В качестве загрузки используют различные инертные материалы – пластмассу, керамзит, щебень. Орошение поверхности биофильтра с помощью спринклерных устройств способствует проникновению внутрь биофильтра воздуха, необходимого для окислительных процессов. Однако при эксплуатации биофильтров возникают проблемы, связанные с осаждением на загрузочных материалах карбонатов и фосфатов металлов, образующихся при окислительных и деструктивных процессах

ипрепятствующих дальнейшему протеканию биоокисления.

Внастоящее время с развитием мембранных технологий для очистки ФВ предлагается использовать мембранный биореактор. В 2005 году в Люксембурге введена в эксплуатацию очистная установка, разработанная фирмой «ЭнвироХеми ГмбХ», основным элементом установки является аэробный мембранный биореактор Biomar® OMB, совмещающий в своей работе этапы нитрификации и денитрификации сточных вод. В биореактор встроена ультрафильтрационная установка [66].

ВЕвропе построено уже более 30 очистных сооружений для очистки ФВ по разработанной технологии.

Применение аэрационных прудов – один из наименее трудоемких и достаточно эффективных методов аэробной очистки или доочистки сточных вод, по-

72

зволяющий значительно снижать концентрацию ионов аммония и величины ХПК и БПК (до 70 %) [67–70 ]. Деструкция и минерализация примесей в аэробных прудах происходит с участием гидробионтов. Водная растительность ускоряет процесс аэробного бактериального окисления за счет насыщения воды кислородом [69], а также в процессе жизнедеятельности поглощает и накапливает различные органические и минеральные соединения и элементы. Биологические пруды можно использовать для очистки низкоконцентрированных фильтрационных вод (ХПК до 350 мг/л) или доочистки.

Известно использование биопрудов в технологиях очистки фильтрационных вод в Скандинавии, Канаде, Финляндии, природно-климатические условия которых подобны условиям средней полосы России и Западного Урала [67, 73]. Очистка в аэробных прудах наиболее эффективно протекает при температуре выше 10 ° С. При более низких температурах рекомендуется использовать более глубокие пруды и значительно увеличивать время пребывания очищаемой воды в сооружении.

Имеется положительный опыт по проектированию, строительству и эксплуатации биологических прудов различных типов в Кировской области. Разработчиками проектной документации являются институт «Граждан-проект» (г. Киров) ипроектно-производственный концерн «Вятспецстрой». К настоящему времени на территории Кировской области иУдмуртии действует порядка 40 биопрудов.

Для очистки высококонцентрированных фильтратов (ХПК более 6000 мг О2/л) наиболее целесообразно использовать анаэробные методы очистки. При этом органические примеси фильтрата разлагаются с образованием биогаза, который можно утилизировать. При термофильных процессах погибает патогенная микрофлора. Анаэробные методы эффективны при температурах выше 30 оС и при величине рН = 7,2…8,5, что обусловливает необходимость поддержания этих условий. В метантенках степень очистки фильтратапо ХПКсоставляет 40–50 % [75–78].

Анализ процессов формирования фильтрата позволяет полагать, что анаэробные методы будут наиболее эффективными для очистки ФВ, образующихся на первоначальных стадиях деструкции отходов («молодой» фильтрат).

Для очистки фильтрата часто используют технологии, которые включают стадии анаэробной и аэробной обработки. В этом случае процесс строго контролируется, поддерживается необходимое соотношение биогенных элементов, температурный режим.

Доочистку фильтрата до качества, позволяющего сбрасывать очищенные стоки в открытый водоем, осуществляют физико-химическими методами – адсорбционными, ионообменными, мембранными.

Одна из комбинированных схем, используемая на полигоне ТБО Хайнде в округе Хильдесхайм (земля Нижняя Саксония, Германия) [64], представлена

73

на рис. 1.22. Фильтрат по дренажной системе подается в пруд-накопитель, в котором происходит усреднение его состава. Вода из пруда-накопителя 1 направляется сначала на стадию биохимической очистки, состоящей из двух ступеней – анаэробной (метантенк 2) и аэробной (аэротенк 3). Для поддержания необходимых условий процессов анаэробной биохимической очистки в реакторы дополнительно вводятся реагенты – метанол, уксусная кислота, гидроксид натрия, часть воды из аэротенка.

Рис. 1.22. Схема комбинированной биохимической очистки фильтрационных вод

После биохимической очистки фильтрат поступает в первичный отстойник 4, где отделяется шлам, который направляется в шламонакопитель, а фильтрат подается через промежуточную накопительную емкость на флокуляцию 5. После отстойника 6 осветленная вода поступает на очистку в адсорбционный фильтр 7 и сбрасывается в буферные пруды 8, а шлам через накопитель и сгуститель шлама поступает на полигон.

Схема очистки ФВ, реализованная на полигонах ТБО Австрии [20], состоит из блока биохимической очистки; доочистка и обеззараживание воды осуществляется с использованием озона и ультрафиолетового излучения (УФИ). В схеме применяются биореакторы с прикрепленной микрофлорой.

Фильтрационная вода из пруда-накопителя подается первоначально в блок биохимической очистки, состоящий из двух биореакторов – денитрификатора, работающего в анаэробном режиме, и нитрификатора (анаэробный биореактор), связанных между собой. Рабочий цикл состоит из нескольких фаз продолжительностью от 1 до 2 часов каждая. В денитрификаторе происходят деструкция легкоразлагающихся органических веществ и образование азота из нитратов, накопленных в аэробной фазе работы сооружений. Для интенсификации процессов в биореактор дополнительно вводят метанол и уксусную кислоту.

74

В аэробном биофильтре, в который дополнительно подается кислород, происходит окисление аммонийного азота и органических соединений, оставшихся от предыдущей фазы. Часть потока возвращается в денитрификационный реактор. Для стабилизации биохимических процессов и поддержания необходимой величины рН в аппараты добавляется гидроксид натрия и фосфорная кислота. После биохимической очистки фильтрационная вода подается на стадию доочистки и обеззараживания: к обработанной воде частично добавляется неочищенная фильтрационная вода и процесс очистки осуществляется в трех последовательно работающих реакторах, в которые подается озоновоздушная смесь. Затем вода поступает в УФИ-реактор, где протекают процессы обеззараживания.

Эта технология обеспечивает полное обеззараживание воды и необходимую степень очистки фильтрата от органических примесей, допускающую вторичное использование их для технологических целей.

В рассмотренных схемах не предусмотрена очистка фильтрата от тяжелых металлов. Этого недостатка лишена технология, разработанная в Венском техническом университете. Предложенная технологическая схема очистки фильтрата состоит из блока биохимической очистки и мембранной доочистки. Фильтрат подается первоначально в блок биохимической очистки, состоящий из денитрификатора и двух нитрификаторов, в которых протекают процессы очистки в анаэробных и аэробных условиях. При очистке контролируется величина рН. Затем фильтрат очищается от взвешенных, коллоидных, ионных и низкомолекулярных органических соединений в блоке мембранной очистки, проходя последовательно стадию ультрафильтрации и обратного осмоса. При ультрафильтрации поддерживается давление 3 атм, а при обратноосмотической очистке – 50–60 атм. Образуемый концентрат выводится из системы и подается

всборник неочищенного фильтрата. Разработанная схема позволяет достигать необходимого качества для сброса очищенной воды в поверхностный водоем.

Следует отметить, что возвращение концентрата после мембранного блока

всборник неочищенной воды приведет к постепенному накоплению в ней биорезистентных примесей, что значительно осложнит и снизит эффективность процесса биохимической очистки.

Значительный интерес представляет схема очистки фильтрата на полигоне ТБО в г. Нью-Йорке (США). Из дренажной системы полигона фильтрат поступает в пруд-усреднитель, а затем на установки осаждения тяжелых металлов при рН = 10. Процесс проводят в присутствии полимерных флокулянтов. Затем

внейтрализаторах рН снижается до 7, после чего фильтрат подается на реакторы анаэробной очистки. В реакторах разлагается органическая часть загрязнений с образованием метана. После газоотделителей, где идет барботаж воздухом, фильтрат поступает на двухступенчатую аэробную очистку, завершающуюся фильтрованием.

75

Весьма эффективно обезвреживают фильтрат полигонов ТБО в Японии, где применяют схему, близкую к принятой в Германии: усреднение, полная биологическая очистка с денитрификацией, осаждение тяжелых металлов, адсорбция на активных углях. Такими очистными сооружениями оснащены практически все крупные полигоны ТБО в Японии.

Внекоторых странах (Германии, Финляндии, Чехии, Литве) используется электроплазменная технология очистки и обеззараживания фильтрата полигонов ТБО. Метод основан на электрофизических явлениях: на фильтрат воздействует импульсными электромагнитными полями, импульсными электрическими разрядами (плазма), знакопеременными электрическими полями. Управляя основными характеристиками поля, обеспечивают необходимую степень очистки. Очистной комплекс состоит из трех основных функциональных блоков: импульсный эжекционный магнитный активатор; блок холодной плазмы; электрогазионный стабилизатор. Каждый из этих блоков может работать самостоятельно в зависимости от требуемой степени очистки и качества исходного фильтрата. С помощью данного метода значительно снижается ХПК и БПК, содержание азота, фосфатов, хлоридов, ПАВ [76].

Рассмотренные схемы обладают высокой эффективностью очистки ФВ, но требуют значительных капиталовложений, высокопрофессионального обслуживания, ориентированы на очистку фильтрата современно обустроенных санитарных полигонов ТБО.

ВРоссии большинство полигонов не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к условиям депонирования отходов, и чаще всего представляют собой свалки, на которых не организована система сбора фильтрата. При нынешнем техническом состоянии российских полигонов внедрение таких сложных наукоемких технологий очистки ФВ маловероятно. Однако элементы рассмотренных технологических схем могут быть использованы при реконструкции и проектировании новых полигонов ТБО.

При ориентации на зарубежный опыт при разработке технологий очистки фильтрата необходимо учитывать нашу специфику: климатические условия, состояние полигонов, состав почв и др.

ВРоссии в последнее десятилетие также начали активно заниматься проблемами утилизации бытовых отходов и очисткой фильтрата. Широкие исследования в этой области проводятся Академией коммунального хозяйства им. Памфилова (г. Москва), МГТУ им. Баумана (г. Москва), Воронежским техническим университетом, ПНИПУ и др. [74–91].

Как уже отмечалось, характерной особенностью российских полигонов

исвалок ТБО является отсутствие системы сбора и очистки фильтрата, поэтому прежде всего необходимо разработать мероприятия по отводу этих вод.

76

Центром внедрения достижений науки и техники «Москва» разработана технологическая схема очистки фильтрата полигонов захоронения ТБО, состоящая из следующих основных стадий: модифицированной коагуляции и флокуляции, высокоэнергетического воздействия с помощью ультрафиолетовых ламп для предварительного разрушения стабильных органических и металлоорганических соединений и биоочистки для удаления соединений азота и фосфора [75].

Вработах [77, 78] исследуются биологические методы обезвреживания ФВ с применением последовательной анаэробной и аэробной очистки и денитрификацией. Разработанные технологии позволяет на 50–60 % снизить содержание органических соединений в ФВ, и для соблюдения нормативных требований к сбросу воды в водоем необходима глубокая доочистка ФВ.

Внастоящее время в России для очистки ФВ широко исследуются и начинают внедряться в практику очистки технологии, основанные на физикохимических методах, что обусловлено спецификой климатических условий.

Вработах [79–81] рассматривается возможность применения реагентноокислительных методов очистки ФВ, позволяющих извлекать из ФВ тяжелые металлы и значительно снижать концентрации органических примесей.

В.И. Кашковским и другими разработана технология окислительнореагентной (каталитической) очистки фильтрата с последующей доочисткой мембранными методами и в биопруду [80]. В качестве реагентов предлагается использование негашеной извести, коагулянтов – сульфата железа (II). Процесс проводится в присутствии окислителей – кислорода воздуха или перекиси водорода. Использование реагентной очистки обеспечивает высокую степень очистки, однако такой подход является многостадийным и требует применения комбинации различных реагентов.

Вработах [81–84] рассмотрен метод электрохимической очистки фильтрационных вод ТБО, предусматривающий обработку воды в диафрагменном электролизере. Использование электрокоагуляции позволяет значительно снизить содержание в очищаемой воде взвешенных и коллоидных веществ, а также ионов тяжелых металлов.

Принципиальная схема очистки представлена на рис. 1.23 [81].

Внакопитель-усреднитель 1 подается образованный в электролизере мелкодисперсный осадок и протекает предочистка ФВ. Частично очищенные ФВ

вкамере смешения 2 смешивают со свежим тонко измельченным углем и параллельными потоками подают в диафрагменный электролизер с засыпным анодом из металлической стружки. Одновременно на корпус подается напряжение 6–24 В, сила тока 1–4 А. При этом с параллельно идущим процессом гальванокоагуляции протекает электрокоагуляция. Длительность процесса 5–15 мин. После отстаивания анолита 3 в емкости 5 его смешивают с католитом 4 в емкости 6. Также в схеме предусмотрена накопительная емкость для очищенной воды 7.

77

Рис. 1.23. Принципиальная схема очистки ФВ

Очищенная вода может поступать в открытые водоемы. Установлено, что по предложенной схеме происходит глубокая очистка ФВ до требований, предъявляемых к качеству воды при спуске их в водоем хозяйственнобытового назначения.

Авторы работы [83] предлагают для очистки ФВ использовать электрохемосорбционный метод, который сочетает процессы фильтрации, флотации, электроокисления, хемосорбции. Авторами разработана модульная установка, включающая блок электрохимической обработки фильтрата в электрореакторе

сподачей воздуха и сорбционный блок, обеспечивающий очистку ФВ от ионов железа и меди на сорбенте ОДМ-2Ф с доочисткой на анионите.

Эффективность очистки от неорганических и органических загрязнителей составляет 96,5 %, от взвешенных веществ – 99,9 %. Использование в процессе очистки высокой плотности тока (более 50 А на м2) и высокоактивных сорбентов гарантирует полную очистку воды от микроорганизмов.

Для глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод [84] используют установку, содержащую последовательно соединенные камеру отдувки аммиака, аппарат корректировки рН, блоки электролитической обработки, фильтрования, ультрафиолетовой обработки и биологической очистки. Блок электролитической обработки содержит электрокоагулятор и электрофлотатор. Блок фильтрования – фильтр с минеральной загрузкой, обеспечивающий наряду

сфильтрованием и повышение рН раствора. Блок биологической очистки включает аэробные и анаэробные установки и биопруд.

Впрактику очистки ФВ в настоящее время внедряются мембранные методы, включающие ультрафильтрацию и обратный осмос. При фильтрации через мембрану поток разделяется на очищенную воду (пермеат), и вторичный отход – концентрат, подлежащий утилизации.

Вработах [85–88] для очистки фильтрата предлагается комплексная технология основанная на электрохимической обработке воды с последующей доочисткой на обратноосмотической установке.

78

Основные стадии очистки:

1) электрохимическая обработка исходной сточной воды в электрофлотодеструкторе, при которой протекают следующие процессы:

–извлечение коллоидных и взвешенных веществ;

–электрохимическое окисление аммонийного азота в нитритный и далее

внитратный;

–окисление двухвалентного железа с образованием нерастворимых соединений трехвалентного железа;

–снижение цветности и мутности воды;

–обеззараживание воды активным хлором, образующимся при анодном окислении хлорид-ионов;

2) разделение полученной суспензии методом отстаивания с использованием тонкослойных блоков. Для интенсификации процесса отстаивания сточная вода предварительно обрабатывается коагулянтом и флокулянтом;

3) тонкая фильтрация осветленной воды на фильтрах с зернистой загрузкой; 4) дехлорирование обработанной сточной воды для удаления остаточного свободного хлора реагентным методом для последующей подачи стоков на об-

ратноосмотическую установку; 5) глубокая очистка от растворенных примесей и обессоливание на двух-

ступенчатой обратноосмотической установке с использованием высокоселективных мембран импортного производства. Концентрат утилизируется в теле полигона. Как вариант переработки концентрата, предлагается его выпаривание на двухступенчатых выпарных аппаратах нового поколения с механической рекомпрессией вторичного пара;

6) реагентная обработка осадков и флотошлама для детоксикации и обезараживания специальными реагентами;

7) биологическая доочистка воды. Схема очистки представлена на рис. 1.24.

Основными недостатками предложенной схемы является ее высокая стоимость и большое количество образующегося концентрата, который сложно утилизировать. При двухстадийной мембранной очистке концентрат (22 %) после 1-й ступени обратноосмотической установки направляется на 3-ю ступень обратноосмотической системы фильтрации под давлением 120 бар, пермеат после которой направляется на 2-ю ступень обратного осмоса на доочистку.

Фирма ROSHEM (Германия) обеспечивает обратноосмотическими установками очистку фильтрата более чем на 140 объектах по всему миру. Многоступенчатые обратноосмотические установки способны в зависимости от качества исходной воды задерживать около 99 % органических и неорганических примесей, позволяет значительно снизить содержание БПК и ХПК, хлоридов, аммиака. Давление на установках составляет от 65 до 150 бар (в зависимости от

79

Рис. 1.24. Схема очистки фильтрационных вод: ПН – погружной насос; Е – промежуточная емкость; Е1 – узел дозирования коагулянта; Е2 – узел дозирования флокулянта; Е3 – узелдозирования реагентов; ЭФД– электрофлотодеструктор; КС– камера смешения; ТО– отстойник стонкослойными модулями; ФМ – фильтр механический мешочноготипа; ММ 1,2 – двухступенчатая обратноосмотическая установка; БМ – узел биологической

доочистки сточных вод; Ф – фильтр с плавающей загрузкой; ВА – двухстадийный выпарной агрегат

ступени очистки). С целью защиты обратноосмотических мембран и насосов высокого давления предусмотрена стадия предварительной очистки ФВ фильтрацией на песчаных и волокнистых фильтрах тонкой очистки с размерами пор до 40 мкм для удаления грубых и взвешенных веществ [88].

В технологической схеме с применением обратного осмоса предлагается также использовать концентрат для увлажнения отходов полигона или его связывание цементом, а также его стеклование жидким стеклом и золой, с последующим захоронением на полигоне.

Фирма «ДАР/ВОДГЕО» (г. Москва) [90] предлагает для очистки ФВ использовать комплексную технологическую схему, основанную на сочетании методов преаэрации, физико-химической реагентной очистки в отстойникеосветлителе, биологической очистки в аэротенках-осветлителях со взвешенными и закрепленными микроорганизмами, озонирование, фильтрацию на песчаных фильтрах, ультрафильтрацию, установку обратного осмоса. Очищенная вода направляется на выпуск в водоем. Озонирование используется для разрушения и окисления трудноокисляемых 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.

80