83

Введение

Одной из актуальных экологических и экономических проблем г. Кунгура – областного города Пермской области численностью 82000 человек является удаление твердых бытовых и промышленных отходов.

Ежегодно на территории Кунгура образуется свыше 28 тыс. тонн твердых бытовых отходов (ТБО), которые складируются на городском полигоне, который находится в заповедном месте и занимает площадь более 35 га. Площадка полигона не отвечает эколого-санитарным и строительным требованиям. В 2001 году планируется закрыть действующий полигон и провести рекультивацию.

При деструкции ТБО на полигонах под действием внешних факторов образуются фильтрационные воды, характеризующиеся высоким содержанием токсичных и эпидемиологически - опасных соединений.

При рекультивации полигона ТБО необходимо разработать систему очистки фильтрационных вод и предотвращения их поступления в грунтовые и поверхностные водоемы.

Целью работы являлась разработка методов очистки фильтрационных вод полигона ТБО г. Кунгура от ионных и органических примесей.

В результате проведенных исследований показана возможность очистки фильтрационных вод ионообменными и биосорбционными методами и разработана принципиальная технологическая схема очистки.

Глава 1. Состояние проблемы очистки фильтрационных вод

1.1. Теоретические основы биодеструкции тбо и условия образования фильтрационных вод

Полигон ТБО является потенциальным источником загрязнений окружающей среды.

На полигонах ТБО в течение длительного времени (десятки и сотни лет) протекают сложные физико-химические и биохимические процессы разложения отходов, скорость и полнота протекания которых зависит, главным образом, от их морфологического, химического состава и климатогеографических условий.

Воздействие полигона на окружающую среду обусловлено образующимися при деструкции ТБО газовыми выбросами и сточными водами и может продолжаться сотни и даже тысячи лет, именно этот период и определяет длительность жизненного цикла полигона, основные этапы которого представлены в таблице 1[1].

Таблица 1

Этапы жизненного цикла полигона захоронения ТБО

Годы	Этап жизненного цикла	Использование объекта
0 – 5	Инвестиционный	Отвод площадки
5 – 30	Эксплуатационный	Полигон ТБО
30 – 40	Рекультивационный	Полигон ТБО
40 – 50	Пострекультивационный. Активный	Рекреационное (закрытый полигон ТБО)
50 – 200	Пострекультивационный. Пассивный.	Рекреационное
200 – 1000	Пострекультивационный. Стабилизационный.	Рекреационное
1000-10000	Ассимиляционный. (вечное захоронение)	Народно – хозяйственное

Воздействие полигона ТБО на водные экосистемы приводит к изменению водного режима на территории, площадь которой на 1-2 порядка превышает площадь самого полигона. В частности:

• изменяется режим подземных вод вследствие изменения баланса «осадка – инфильтрация - сток» на территории полигона ТБО и вокруг него;

• изменяется режим питания ближайших к полигону рек;

• существует потенциальная опасность утечки с территории полигона ТБО загрязненных стоков. Утечки могут происходить в виде растекания по земной поверхность, приводя к загрязнению поверхностного стока на прилегающей территории, или путем инфильтрации через проницаемое грунтовое основание полигона ТБО, с загрязнением горизонтов подземных вод.

Воздействие на состояние атмосферного воздуха и биосферы вокруг полигона ТБО оказывает газовый режим полигона. Выбросы биогаза содержат 50-60% метана. Особенно негативно влияет выделяющийся с полигона биогаз на зеленый покров массива полигона.

Специфическим видом воздействия полигона на окружающую среду является нарушение ландшафта местности.

Полигон ТБО является потенциальным (при отсутствии специальных защитных мероприятий) источником бактериологического загрязнения местности. Перенос болезнетворных микроорганизмов может происходить через

• загрязненные стоки полигона;

• разнос легких фракций отходов (ветром с рабочих карт или с подъезжающих мусоровозов);

• птиц, насекомых, грызунов;

• биомассы растений, растущих на полигоне. [2]

Фильтрат полигона образуется в результате

• попадания в пределы участка захоронения отходов поверхностного стока с прилегающих к нему водосборных площадей;

• выпадения атмосферных осадков на поверхности рабочих карт складирования ТБО;

• наличия избыточной влаги в складируемых отходах, отжимаемой из них при укладке с уплотнением.

Количество фильтрата, образующегося от выпадения атмосферных осадков на поверхности рабочих карт, определяется по разности слоев осадков и испарения. Слой осадков определяется по данным ближайшей метеостанции. Испарение с поверхности рабочих карт отличается от региональных норм по причине воздействия разнонаправленных факторов. В частности:

• высокая пористость складируемых отходов способствует увеличению инфильтрации и снижению испарения выпадающих осадков;

• разогрев массива отходов вследствие происходящих в нем биохимических реакций способствует повышению испарения с поверхности и из тела полигона.[3]

Образованию фильтрационных вод предшествует вода, которая просачивается сквозь слой отходов, унося с собой растворимые и суспендированные вещества. Состав фильтрата формируется под влиянием ряда взаимодействующих друг с другом геологических, гидрогеологических, метеорологических, топографических факторов, и зависит от морфологического состава твердых бытовых отходов, этапа жизненного цикла полигона, условий складирования отходов, и, главным образом, определяется процессами деструкции ТБО.

Можно выделить основные фазы биодеградации отходов, практически совпадающие с этапами жизненного цикла полигона: фаза гидролиза, ацетогенная, метаногенная фазы, фаза снижения биологической активности, фаза полной ассимиляции.

На ранних стадиях эксплуатации полигона биохимические процессы происходят в аэробных условиях, затем по мере уплотнения и увеличения количества отходов в теле полигона начинают протекать анаэробные процессы, длящиеся десятки и сотни лет, и обусловливающие основные эмиссии загрязняющих веществ.

В фазе гидролиза, длящейся недели, месяцы под действием ферментативных бактерий углеводы, жиры, протеины, содержащиеся в биомассе, подвергаются разложению с образованием длинноцепных и разветвленных жирных кислот, аминокислот, глицерина, полисахаров.

В ацетогенной или кислой фазе, продолжающейся годы, происходит дальнейший распад биомассы, основными продуктами которого являются уксусная и пропионовая кислоты, углекислый газ и вода, приводящие к значительному снижению величины рН и ускорению процессов деструкции, гидролиза древесины, целлюлозы, некоторых видов пластмасс.

Разложение древесины, ее гидролиз, ускоряющийся в присутствие ионов водорода, приводит к деполимеризации целлюлозы, образованию лигнина, фурфурола, фенола и др. Вода способна экстрагировать из древесных отходов дубильные вещества, представляющие собой полифенолы, танниды, постепенно разрушающиеся с образованием фенолкарбоновых кислот [4].

Целлюлоза и ее производные легко подвергаются гидролитическому ферментативному разложению с образованием d-глюкозы, ди-, трисахаридов и др., которые при дальнейшем разложении образуют левулиновую и гуминовые кислоты. Гуминовые кислоты способны взаимодействовать с поливалентными металлами с образованием устойчивых комплексных соединений.

Гидролитическая деструкция белков, синтетических полиамидов (капрон, нейлон, другие синтетические полиамидные ткани) протекают по амидной связи в присутствие ионов водорода с образованием аминокислот, дикарбоновых кислот, капролактама и др.

Основные виды изопреновых, бутильных каучуков способны разлагаться с образованием левулиновой, уксусной и янтарных кислот.

Таким образом, в ацетогенной фазе (рН=5,5–6,5) интенсивно протекают процессы деструкции, деполимеризации легко разлагаемых фракций ТБО и фильтрационные воды характеризуются высокими значениями ХПК, БПК, высокой концентрацией ионов тяжелых и цветных металлов (до 70 мг/л). На этой стадии начинают также протекать процессы денитрификации, сопровождающиеся образованием органических аминов, ионов аммония и др.

На следующей метаногенной фазе под действием метаногенных бактерий происходит анаэробное сбраживание, приводящее к дальнейшему разложению отходов. Эта стадия наиболее интенсивно протекает в течение 10-30 лет и сопровождается значительным выделением газов (метан, углекислый газ, меркаптаны, аммиак и др.). Этот период чаще всего совпадает с активным эксплуатационным этапом работы полигона. В присутствие ионов аммония, SO₄^2- , гуминовых кислот могут образовываться ароматические поверхностно-активные вещества. В метановой фазе происходит повышение рН, образование сульфид - ионов, что сопровождается связыванием ионов металлов в малорастворимые соединения. В щелочной среде протекает ферментативный гидролиз лигнина с образованием ароматических и жирных кислот.

На этой стадии в фильтрационных водах снижается содержание органических веществ (ХПК = 3000-4000мг/л, БПК= 100-400 мг/л), однако увеличивается доля биорезистентных компонентов, о чем свидетельствует снижение соотношения ХПК/БПК на порядок.

В конце этой фазы после 3-5 десятилетий в теле полигона еще остается 90% неметаллов и более 99% металлов [5] и начинают протекать медленные процессы разложения трудно разрушаемых соединений (полистирол, пенопласты на его основе, тефлон, полиэтилен и др.), длящиеся десятилетиями, создавая неблагоприятный экологический фон. Например, поливинилхлорид и материалы на его основе в течение всего процесса биораспада будут являться источниками высокотоксичных соединений – диоксинов, образующихся в присутствии кислорода при незначительном нагревании.

Проведенный анализ процессов деструкции ТБО показывает, что состав фильтрационных вод значительно зависит от этапа жизненного цикла полигона (см. таблицу 2)

Таблица 2.