Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твер

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Федеральное государственное бюджетное учреждение «НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина» Минздрава РФ

УПРАВЛЕНИЕ ОТХОДАМИ. СТОЧНЫЕ ВОДЫ И БИОГАЗ ПОЛИГОНОВ

ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Монография

Под редакцией д-ра мед. наук, профессора Я.И. Вайсмана

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 504.064.47+628.472.3.032 У67

Авторы: д-р мед. наук, проф. Я.И. Вайсман (введение, гл. 1–2), д-р техн. наук, проф. В.Н. Коротаев (гл. 1, разд. 1.4, 1,5, гл. 2, разд. 2.1), д-р техн. наук, проф. И.С. Глушанкова (гл. 1, разд. 1.1–1.5), д-р техн. наук С.В. Максимова (гл. 2, разд. 2.2), д-р биол. наук, проф. Т.А. Зайцева (гл. 1. разд. 1.3.2), д-р техн. наук, проф. Л.В. Рудакова (гл. 1, разд. 1.1–1.2), д-р техн. наук, проф. В.Ю. Петров (гл. 1, разд. 1.4, гл. 2, разд. 2.4), канд. техн. наук, доц. Т.В. Воронкова (гл. 2, разд. 2.1–2.4), канд. техн наук, доц. Н.Н. Слюсарь (гл. 1, разд. 1.5.1), д-р мед. наук, проф. Н.М. Самутин (гл. 1), ст. преп. М.В. Висков (гл. 1, разд. 1.5.1), инж. С.Ю. Чудинов (гл. 1, разд. 1.1–1.5), канд. техн. наук, доц. Я.А. Жилинская (гл. 2, разд. 2.1), ст. преп. Г.В. Ильиных (гл. 2, разд. 2.4), канд. техн. наук, доц. Е.С. Ширинкина (гл. 2, разд. 2.2.1).

Рецензенты:

д-ртехн. наук, проф. Д.Г. Закиров (ГорныйинститутУНЦ РАН, г. Пермь); д-рмед. наук, проф. В.Г. Баранников

(Пермская государственная медицинская академия им. акад. Е.А. Вагнера)

У67 Управление отходами. Сточные воды и биогаз полигонов захоронения твердых бытовых отходов : монография / Я.И. Вайсман [и др.] ; под ред. Я.И. Вайсмана. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 259 с.

ISBN 978-5-398-00852-4

Рассмотрены вопросы теории и практики управления водным балансом и метаногенезом полигонов захоронения твердых бытовых отходов в России и за рубежом в зависимости от этапов жизненного цикла полигонов.

Выявлены основные факторы, влияющие на состав и объем фильтрационных вод и пути решения проблемы их очистки. Установлены основные закономерности и механизмы очистки сточных вод, разработаны критерии и граничные условия применения каждого метода, описаны технологическиесхемыочисткисточныхвод, ихвлияниенаобъектыокружающейсреды.

Разработана методология оценки эмиссий биогаза со свалочных тел и их влияние на объекты окружающей среды.

Описаны системы сбора и переработки биогаза при эксплуатации полигонов захоронения ТБО. Приведены результаты исследований авторов на примере полигонов Пермского края, Германии и Нижней Австрии в период 1988–2012 годов, выполненных в Пермском национальном исследовательском политехническом университете.

Предназначено специалистам по охране окружающей среды, занимающимся проблемами проектирования полигонов захоронения ТБО, реконструкции действующих объектов и рекультивации закрытых полигонов и свалок.

УДК504.064.47+628.472.3.032

Издано в рамках приоритетного направления развития Пермского национального исследовательского политехнического университета «Урбанистика»

2.1.7.Минимизация воздействия полигонов ТБО на окружающую среду как побудительная причина развития системы

4

ВВЕДЕНИЕ

Основным способом санитарной очистки городов и населенных пунктов от твердых бытовых отходов (ТБО) в нашей стране остается захоронение их на полигонах ТБО, где в течение десятков лет протекают сложные физико-химические и биохимические процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями загрязняющих веществ.

Наибольшую опасность для объектов окружающей среды и населения представляют биогаз, выделяемый при биодеструкции отходов, и фильтрационные воды (ФВ), образующиеся за счет влажности отходов, инфильтрации атмосферных осадков через тело полигона, биохимических процессов, сопровождающихся образованием воды.

ФВ характеризуются высоким (в сотни раз превышающим ПДК) содержанием токсичных органических и неорганических веществ, они опасны в са- нитарно-эпидемиологическом отношении, так как содержат болезнетворные бактерии и патогенные микроорганизмы. На протяжении всего жизненного цикла полигона ФВ являются источником загрязнения поверхностных и подземных вод.

В состав биогаза наряду с основными компонентами – метаном и углекислым газом – входят также аммиак, сероводород, ароматические и хлорсодержащие соединения и другие токсичные вещества. Эмиссии биогаза могут приводить к неблагоприятным локальным (взрывы, пожары, влияние на здоровье персонала, санитарные условия жизни населения прилегающих территорий, угнетение растительности) и глобальным (парниковый эффект) последствиям.

Динамика процессов метаногенеза, протекающих при деструкции отходов, должна учитываться при разработке стратегии депонирования отходов.

Обеспечение необходимого санитарного состояния населенных пунктов, охраны атмосферного воздуха и водных объектов требует разработки эффективных методов и технологий сбора и утилизации биогаза, очистки фильтрационных вод полигонов ТБО.

Особенности формирования эмиссий, их сложный химический состав, изменяющийся на протяжении жизненного цикла полигона ТБО, вызывают необходимость разработки методологических и концептуальных подходов к решению проблемы управления метаногенезом и качеством фильтрационных вод, что становится особенно актуальным в связи с тенденцией к закрытию, рекультивации старых свалок и строительству современных полигонов.

5

ВРоссии вопросами управления отходами, разработкой мероприятий по снижению негативного воздействия полигонов захоронения ТБО на окружающую среду начали активно заниматься последние 10–15 лет, многие действующие технологии очистки фильтрационных вод, утилизации биогаза базируются на зарубежном опыте и часто не адаптированы к климатическим условиям и конкретному объекту.

Вмонографии обобщен отечественный и зарубежный опыт по управлению эмиссиями загрязняющих веществ полигонов ТБО, а также результаты собственных исследований специалистов кафедры охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета ПНИПУ по очистке фильтрационных вод и технологий управления метаногенезом.

Проведенный анализ условий формирования сточных вод полигона ТБО на различных этапах его жизненного цикла, отечественного и зарубежного опыта и результаты собственных исследований по сбору, водоотведению и очистке фильтрационных вод позволили разработать стратегию управления качеством сточных вод и комплексные технологии их очистки для полигонов крупных

ималых населенных пунктов.

6

1. СТОЧНЫЕ ВОДЫ ПОЛИГОНА ТБО

1.1.Классификация сточных вод полигона ТБО

Внастоящее время в России одним из основных методов санитарной очистки городов и населенных пунктов от твердых бытовых отходов ТБО является депонирование их на полигонах. Полигон захоронения ТБО представляет собой комплекс природоохранных сооружений, предназначенных для складирования, изоляции и обезвреживания отходов, обеспечивающих защиту от загрязнений атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод [1].

Весь период, начиная с момента выбора площадки под строительство полигона до полной ассимиляции массива отходов окружающей средой (переход отходов в естественные природные субстанции, характерные для литосферы и гидросферы), принято называть его жизненным циклом, основные этапы которого представлены в табл. 1.1 [2].

Длительность рекультивационного и пострекультивационного этапов будет зависеть от климатических факторов, технологии складирования отходов, инженерной инфраструктуры полигона, технологии управления потоками эмиссий.

Воздействие полигона на окружающую среду обусловлено выделяющимся биогазом и образующимися при деструкции ТБО и эксплуатации полигона сточными водами.

Сточные воды полигона ТБО формируются в результате потребления воды на хозяйственно-бытовые и технологические нужды, образования ливневых и фильтрационных вод с рабочего тела полигона (участков захоронения отходов (УЗО)) и являются потенциальным источником загрязнения поверхностных

7

иподземных вод на протяжении всего жизненного цикла объекта захоронения. Классификация сточных вод полигона представлена на рис. 1.1.

При проектировании полигонов ТБО необходима разработка инженерных

иорганизационных мероприятий по сбору, отведению и очистке стоков.

Рис. 1.1. Классификация сточных вод полигона ТБО

Хозяйственно-бытовые сточные воды, образующиеся в хозяйственной зоне санитарного полигона, вносят небольшой вклад в общий объем сточных вод. Перехват поверхностного и подземного стока, а также стока с поверхности полигона обычно осуществляется с помощью нагорной канавы, расположенной вдоль ограждающей дамбы, откуда стоки отводятся в специальный пруд-накопитель.

Основное негативное воздействие полигона захоронения ТБО на окружающую среду обусловлено фильтрационными водами (ФВ), которые формируются в результате инфильтрации атмосферных осадков через тело полигона, отжимных вод, биохимических и химических процессов разложения отходов, сопровождающихся образованием воды, и характеризуются высоким (в сотни раз превышающим ПДК) содержанием токсичных и иных загрязняющих органических

инеорганических веществ. Они опасны в санитарно-эпидемиологическом отношении, так как содержат болезнетворные бактерии и патогенные микроорганизмы.

Исключение неблагоприятного воздействия ФВ на объекты гидросферы

инаселение, живущее в зоне возможного негативного влияния полигонов ТБО, требуют разработки и использования эффективных методов управления ФВ и технологий их очистки.

Для создания системы управления ФВ полигона ТБО необходимо определить основные факторы, влияющие на объем, физико-химические свойства, химический и микробиологический состав стоков.

Анализ результатов исследований зарубежных и российских ученых [1–5, 7–15], а также собственные многолетние исследования условий образо-

8

вания ФВ полигонов захоронения ТБО г. Перми и Пермского края, проведенные специалистами кафедры охраны окружающей среды Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), позволили из всего многообразия факторов, влияющих на состав фильтрата, выделить наиболее значимые:

–морфологический состав ТБО;

–инженерная инфраструктура полигона ТБО (высота и объем складированных отходов, способ складирования, уплотнения, перекрытие рабочих карт и т.п.);

–этап жизненного цикла полигона;

–влажность отходов;

–климатические факторы (температура, влажность);

–предварительная обработка отходов.

1.2.Анализ условий формирования объема и состава фильтрационных вод полигона ТБО

1.2.1. Морфологический состав ТБО

Морфологический состав ТБО оказывает значительное влияние на состав и объем формирующихся ФВ. Состав ТБО характеризуется такими основными компонентами, как бумага, пищевые отходы, дерево, металл, текстиль, кости, стекло, резина, кожа, пластмасса и другие, которые типичны для большинства населенных пунктов.

Соотношение этих компонентов, их количественный и фракционный состав зависят от степени благоустройства жилищного фонда, климатических и географических особенностей, численности населенного пункта, культурного и экономического развития города, наличия предварительной сортировки и обработки отходов и др.

В последние годы в ТБО увеличивается доля макулатуры, полимерных материалов (до 20 %), а также поступающих в ограниченном количестве промышленных отходов IV и V классов опасности, что значительно усложняет процессы биодеградации ТБО. Морфологический и химический состав, а также некоторые физико-химические свойства отходов типичного полигона захоронения ТБО представлены в табл. 1.2 [3, 4].

Содержание основных химических элементов в ТБО, по данным Baccini, 1987, показано в табл. 1.3 [3]. Все отходы в зависимости от процессов их разложения целесообразно разделить 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,

9

подвергающиеся химической деструкции – черные и цветные металлы, пластмассы; балластные – камни, стекло, строительные материалы.

Таблица 1.2

Морфологический состав и физико-химические свойства отходов типичного полигона захоронения ТБО

Таблица 1.3

Содержание химических элементов в ТБО

Из фракции биодеградируемых ТБО в зависимости от скорости и полноты разложения можно выделить три группы [7, 8]:

1)быстроразлагаемые – пищевые отходы, офисная и журнальная бумага, бумажная посуда;

2)среднеразлагаемые – целлофан, молочный картон, принтерная и лощеная бумага, трава, листья;

3)медленноразлагаемые – гофрированный картон, газеты, садово-парко- вые отходы, дерево.

Таким образом, основную часть биодеградируемой фракции представляют древесные и бумажные отходы. Элементный состав древесины хвойных и лист-

10