Водных объектов в зоне влияния свалок



страница10/12
Дата11.10.2016
Размер2,69 Mb.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

4.3. Очистка жидкой фазы накопителя

Исследуемый накопитель расположен к юго-востоку от существующей свалки, ограниченной с севера р. Кальмиус и разделяющей земляной дамбой. С северо-востока от отстойника проходит автомагистраль и трамвайная линия (рис. 3.28).



описание: img_2186
Рис. 3.28. Отстойник на полигоне (фото)

Накопитель располагается в районе старого русла р. Кальмиус с относительно спокойным рельефом, осложненным выемками и буграми, с абсолютными отметками 7,0–12,6 м на дне и на бортах 20–31 м.

Старого русла реки Кальмиус не осталось.

Накопитель имеет размеры 110×90 м и среднюю глубину до 3,5–5,0 м.

Уточненные измерения показали, что объем жидкой фазы накопителя составляет 80 тыс. м3, площадь зеркала воды – 40 тыс. м2.

Рассчитаем площадь зеркала воды, зная приблизительные размеры отстойника:



S = 110×90 = 9900 м2.

Получив ориентировочную площадь зеркала воды, можно вычислить объем накопителя:



V = 9900×3,5 = 34650 м3.

Для последующих расчетов можно округлить полученное значение объема накопителя до 35 тыс. м3.

Исследования показали (табл. 3.7), что жидкая фаза накопителя наиболее загрязнена фенолами и солями железа, поэтому очистка накопителя должна быть направлена, в первую очередь, на удаление этих компонентов.

Предложенный процесс нейтрализации состоит из четырех этапов: выравнивание дна накопителя, засыпка нейтрализующего и адсорбирующего слоя, засыпка придавливающего слоя и засыпка верхнего слоя.

Были проведены эксперименты и изучена зависимость скорости протекания процесса нейтрализации от таких параметров, как основность нейтрализующего компонента, фракционный состав твердой фазы, содержание нейтрального твердого компонента.

Кинетические закономерности процессов осаждения, определяемые по мутности раствора, показали, что при добавлении оксида кальция мутность в начальный момент времени увеличивается.

Это объясняется образованием взвешенных частиц гидроксидов двухвалентного и трехвалентного железа. Изменение цвета растворяемого осадка показывает, что основной процесс окисления двухвалентного железа протекает не в объеме раствора, а в твердой фазе (рис. 3.29).



Рис. 3.29. Изменение цветности раствора


Введение основного вещества в чистом виде в жидкую фазу накопителя является нецелесообразным, поскольку в этом случае процесс нейтрализации будет протекать локально, с очень высокой скоростью, твердая фаза нейтрализующего не будет успевать вступать полностью в реакцию из-за блокирования образующимся осадком гидроксидов.

Поэтому данный компонент разбавляли нейтральным веществом – металлургическим шлаком. Скорость осаждения определяли относительно скорости осаждения чистого гидроксида. Изменение времени осаждения показано на рис. 3.30.

Поскольку установлено, что наиболее рациональным использованием оксида кальция и шлака является проведение процесса в кинетической области, то для преодоления внутри-диффузионного сопротивления необходимо уменьшать размер частиц шлака с целью увеличения отношения внешней и внутренней поверхностей.



Рис. 3.30. Зависимость скорости осаждения от содержания шлака


С этой целью были проведены эксперименты по изучению влияния фракционного состава осаждающей смеси на кинетику процесса нейтрализации. Фракционный состав исследованных смесей представлен в таблице 3.19.

Таблица 3.19

Размер исследованных фракций, мм

1

0,08–0,2

6

3,0–4,0

2

0,2–0,5

7

3,0–5,0

3

0,5–1,0

8

5,0–10,0

4

1,0–2,0

9

10–50

5

2,0–3,0

10

>50

Во всех случаях количество оксида кальция соответствовало стехиометрическим расчетам.

С уменьшением размера частиц увеличивается их удельная внутренняя и внешняя поверхности, что должно вызывать значительное увеличение скорости (рис. 3.31.).



Рис. 3.31. Зависимость скорости нейтрализации от размера частиц


Однако наблюдается снижение эффективной скорости, причем при размере менее 0,1 мм оно становится критическим.

Снижение скорости в области мелких частиц оксида кальция и шлака можно объяснить образованием монолитной структуры, что приводит к снижению диффузии между частичками. В этом случае реакция протекает практически на внешней поверхности образовавшегося монолита.

При увеличении размера частиц снижается их удельная поверхность, что также приводит к снижению скорости.

Для изучения влияния основности на скорость образования осадка были поставлены следующие эксперименты. После добавления твердого основного композита, состоящего их оксида кальция и металлургического шлака, наблюдали за образованием осадка на дне цилиндра.

На рисунке 3.32. показана зависимость скорости уплотнения осадка от основности твердого материала. За единицу принята скорость уплотнения осадка при отсутствии гидроксида кальция. Из приведенных на рисунке данных видно, что скорость упрочнения осадка на дне накопителя возрастает симбатно (в одном направлении) с увеличением основности твердого материала, то есть, с увеличением содержания оксида кальция.



Рис. 3.32. Зависимость относительной скорости уплотнения осадка

от основности твердой смеси
Изучение влияния фракционного состава твердой фазы на скорость созревания осадка показало, что при очень малом размере частиц твердого материала скорость уплотнения осадка мала (рис. 3.33).



Рис. 3.33. Влияние размера частиц на скорость уплотнения осадка


Это объясняется низкой эффективной плотностью частиц, вследствие чего они пребывают во взвешенном слое.

При дальнейшем увеличении размеров частиц скорость уплотнения практически не меняется. Наблюдаемая «нулевая» скорость осаждения для частиц размером свыше 5 мм является лишь методическим отклонением из-за того, что размер частиц сопоставим с размером толщины осадка.

В действительности, при очень больших размерах частиц скорость будет снижаться, однако крутизна снижения значительно меньше. Увеличение плотности осадка симбатно связано со скоростью уплотнения и достигает максимального значения при размерах частиц от 1 до 5 мм.

Поскольку необходимо было получить асфальтоподобный слой на дне накопителя, а загрузка возможна только с поверхности, было проведено исследование распределения частиц при падении через водный слой.

При использовании частиц большого размера эффективная толщина слоя уменьшается примерно в 5 раз за счет осыпания частиц.

Было обнаружено, что для частиц размером более 5 см диаметр конуса и его высота не зависят от размера частиц и определяются только количеством введенной твердой фазы (угол откоса – более 30 градусов). Изменение угла откоса для других фракций показано на рис. 3.34.




Рис. 3.34. Изменение угла откоса для различных фракций шлака

Существуют различные методы очистки производственных стоков от растворенного в них фенола. С этой целью используют различные органические и неорганические сорбенты, позволяющие извлекать примеси фенолов из сточных вод.

Слоистые двойные гидроксиды (СДГ) являются сорбентами, позволяющими практически полностью извлекать фенолы из стоков [15].

Была изучена кинетика ионообменной сорбции фенолов на СДГ различного состава.

Так как фенол является кислотой, то реакция анионного обмена является реакцией нейтрализации, поэтому процесс ионного обмена протекает довольно быстро.

Для определения параметров процесса были проведены исследования сорбции фенолов на слоистых двойных гидроксидах. Исследование проводили в реакторе смешения с периодическим отбором проб, концентрацию фенолов определяли спектро-фотометрическим методом.

Полученные данные представлены на рис. 3.35.




Рис. 3.35. Изменение концентрации фенолов во времени

при температуре 20 °C и различной массе сорбента:

1 – 0,1 г 2 – 0,15 г 3 – 0,2 г

Численные результаты экспериментов хорошо линеаризируются в координатах ln(C0/C) – τ, что говорит о первом концентрационном порядке по адсорбату.

Исследования показали, что скорость поглощения фенолов зависит прямо пропорционально от концентраций фенолов и сорбента.

Расчетное значение энергии активации Е = 29,1 кДж/моль говорит о том, что реакция протекает в диффузионной области.

В качестве нейтрализующей смеси предложен шлак и оксид кальция. Для равномерного распределения основного компонента шлак и оксид кальция взяты в соотношении 4:1 (фракционный состав нейтрализующей смеси: 2–3 мм), в качестве сорбента – слоистые двойные гидроксиды.

Последовательность засыпания смеси: поочередно, по 1 см смеси, затем 1 см шлака.

Расчет количества оксида кальция, необходимого для осаждения железа, рассчитывали исходя из концентрации железа в водной фазе 25,6 ммоль/дм3, по уравнению:

.

Исходя из того, что в водной фазе концентрация ионов железа составляет 25,6 ммоль/л, находим общее количество растворенного железа:

25,6 × 80000 = 2,048·106 → 114,7 т.

Учитывая молярную массу гидроксида кальция 74 г/моль, находим, что для осаждения данного количества железа требуется 86,8 т оксида кальция.

Поскольку для эффективной нейтрализации содержание оксида кальция в смеси не должно превышать 20 %, то шлака требуется в количестве 347,1 т.

Исходя из того, что значение динамической обменной емкости по фенолам равно Е = 0,46 мг-экв/г, рассчитаем необходимое количество слоистых двойных гидроксидов:

,

где V – объем накопителя, м3;



C – концентрация фенолов, моль/л;

Е – динамическая обменная ёмкость по фенолам, мг-экв/г.

Таким образом, общее требуемое количество слоистых двойных гидроксидов, необходимое для полной адсорбции фенолов, составит 70 т, а суммарная масса смеси:

86,8 + 347,1 + 70 = 503,9 т.

Площадь поверхности дна равна 40000 м2.

Принимая эффективную насыпную плотность шлака равную 1500 кг/м3, рассчитаем толщину образуемого слоя:

.

Рассчитанное значение толщины слоя 8,4 см увеличили до 10 см, что повысит эффективность процесса засыпки.

Количественный состав компонентов нейтрализующей смеси приведен в таблице 3.20.

Таблица 3.20

Количественный состав компонентов нейтрализующей смеси, т


Высота слоя,

см


СДГ

Оксид кальция

Шлак

8,4

70

86,8

347,1

10,0

83,3

103,3

413,2

Концентрацию фенолов и железа определяли до и после процесса очистки (табл. 3.21).



Таблица 3.21

Результаты очистки фильтрата от железа и фенолов

Показатели

ПДК,

мг/дм3



Концентрация

до очистки,

мг/дм3


Концентрация после очистки, мг/дм3

PhOH

0,1

557,4

0,06

Fe

0,3

98,7

0,04

Таким образом, получаем следующую последовательность работ (приложение Д).



1) Выравнивание дна накопителя. С учетом того, что дно накопителя сильно изрезано, а также то, что на дне находится различный мусор, имеющий размеры до 1 м, до начала процесса нейтрализации необходимо выровнять дно. Для этой цели могут быть использованы различные материалы – песок, гравий, шлак, полимерные материалы. Наиболее дешевым и доступным является металлургический шлак. Необходимо использовать фракцию с размерами до 10 мм.

Для выравнивания поверхности дна и создания горизонтальной поверхности толщиной 1 м необходимо 40 тыс. м3 шлака, что при насыпной плотности фракции 0–10 достигает 60 тыс. т. Норма засыпки – 1,5 т/м2. Отклонение от равномерности засыпки – не более 20 %.

Наиболее рациональной технологией выравнивания дна является использование гидротранспорта.

Предлагаемая схема процесса приведена на рис. 3.36.

Общее количество металлургического шлака, необходимого для выравнивания дна накопителя – 60 тыс. т.

Засыпка нейтрализующего и адсорбирующего слоя. Слой в 5 см выбран с учетом угла естественного откоса, поэтому отклонение от равномерности высыпания может составлять не более 10 %.

Схематическое изображение процесса засыпки приведено на рис. 3.37.

2

3



4

5

6



7

8

1


Рис. 3.36. Схематическое изображение нейтрализации:

1 – шлак фракцией 0–10;

2 – смеситель;

3 – насос для подачи пульпы в накопитель;

4 – гибкий рукав переменной длины;

5 – понтоны для перемещения рукава по поверхности воды;

6 – накопитель;

7 – выравнивающий слой шлака на дне;

8 – насос для подачи оборотной воды в смеситель.
2) Засыпка придавливающего слоя. Для этой цели будет использоваться металлургический шлак с фракцией размером до 50 мм.

С учетом площади зеркала водной фазы накопителя, для создания горизонтальной поверхности с помощью фракции до 50 мм, необходимо 20 тыс. м3 или 30 тыс. т шлака. Норма засыпки – 1,5 т/м2.

Выравнивание дна будет проводиться при помощи гидротранспорта с использованием установки, приведенной на рис. 3.35.

После засыпки придавливающего слоя следует сделать выдержку не менее 5 дней для созревания асфальтоподобного слоя.



3) Засыпка верхнего слоя. Для того чтобы при откачивании воды не повредить основные слои, придавливающий слой должен иметь защитное покрытие.

Для этой цели будут использоваться крупные фракции шлака, оставшиеся после фракционирования и использования фракций 0–10, 2–3, 0–50. Толщина защитного слоя составит 0,5 м, общее количество необходимого шлака 30 тыс. т, засыпка будет осуществляться при помощи бульдозера.


2

3

4



5

6

7



8




Рис. 3.37. Схематическое изображение процесса засыпки:

– дозатор шлака;

– дозатор оксида кальция;

– дозатор слоистых двойных гидроксидов;

2 – смеситель;

3 – насос для подачи пульпы в накопитель;

4 – гибкий рукав переменной длины;

5 – понтоны для перемещения рукава по поверхности воды;

6 – накопитель;

7 – выравнивающий слой шлака на дне;

8 – насос для подачи оборотной воды в смеситель.
Норма засыпки – 1,5 т/м2, с отклонением от равномерности засыпки – не более 30 %.

Общее количество материалов, необходимых для нейтрализации компонентов водной фазы накопителя, приведено в табл. 3.22.



Таблица 3.22

Общее количество материалов для нейтрализации



Наименование материалов

Количество, т

1

Шлак металлургический 0–10

60,0

2

Шлак металлургический 2–3

413,2

3

Оксид кальция

86,8

4

СДГ-52

70,0

5

Шлак металлургический 0–50

30,0

6

Шлак металлургический н/ф

30,0

7

Всего шлака

533,2

Согласно планируемому процессу нейтрализации накопителя первоначально в отстойник с понтона вводится известковый раствор.

Время введения раствора 8 суток.

После введения извести вводится придавливающий слой из сеянного гранулированного шлака.

Засыпка осуществляется автотранспортом.

Чтобы разделить накопитель на участки поверхность накопителя разделяется шлаковыми насыпями, имеющими трапециевидный профиль.

В соответствии с технологическим процессом подвозимые автотранспортом шлаковые материалы будут сгружаться непосредственно в накопитель.

Расстояние между насыпями 16 м, количество насыпей – 7 (рис. 3.38).

Предполагаемая далее засыпка придавливающего слоя также осуществляется автотранспортом.

После введения извести и слоистых двойных гидроксидов выдерживается 10-дневная пауза для образования асфальтоподобного слоя и проводится химический и микробиологический анализ воды.




Рис. 3.38. Технологическая схема процесса нейтрализации накопителя:

1 – насыпи из шлака;

2 – промплощадка;

3 – смеситель для приготовления раствора.
В процессе нейтрализации из водной фазы накопителя извлечено: органических соединений – 45,6 т; неорганических соединений – 522 т.

Как органические, так и неорганические соединения были осажены на дно и перешли в асфальтоподобный слой. Вывозка или какое-либо иное удаление отходов не предусматривается.

Нейтрализованные воды накопителя сбрасываются (порционно, после нейтрализации каждого сектора пруда) через дренажную сеть на биоплато, расположенное за автодорогой, а оттуда – в р. Кальмиус.

До попадания нейтрализованных вод в р. Кальмиус состав сбрасываемых вод контролируется дважды: в пруду непосредственно после нейтрализации и перед сбросом на биоплато; второй раз – после биоплато перед сбросом в р. Кальмиус.

Кроме того, результаты деятельности коснутся состояния растительного и животного мира, а также социальной и техногенной сред.

При соблюдении всех рекомендаций и предписаний процесс ликвидации накопителя не приведет к сколь либо значительному негативному воздействию на состояние окружающей природной среды.

Данный поэтапный процесс нейтрализации компонентов водной фазы накопителя, а также полная ликвидация отстойника, позволит в значительной степени снизить уровень загрязнения р. Кальмиус и Азовского моря, обеспечивая качество нейтрализованных и очищенных сбрасываемых на биоплато вод из отстойника.

4.4. Экономические расчеты экологического ущерба, наносимого фильтратом свалки твердых бытовых отходов водным объектам

Со свалки твердых бытовых отходов в реку Кальмиус и Азовское море попадает загрязненный фильтрат. Его объем можно рассчитать по формуле:



,

где VФ – годовой объем фильтрата, проходящего через тело свалки, м3;



H = 450 – годовое количество осадков, мм;

S = 5,4∙104 – площадь свалки ТБО, м2

Рассчитаем ориентировочные количества основных загрязняющих веществ, выносимых со свалки фильтратом.

Фенолы, например, попадают в реку Кальмиус и Азовское море с фильтратом, вышедшим на поверхность, подземными водами и из накопителя.

Рассчитаем общее количество попадающих в реку фенолов из расчетов, что их объемы приблизительно равны:



,

где С1, С2, С3 – концентрации фенолов (г/м3) в поверхностном фильтрате, подземных водах и накопителе, которые соответственно составляют 0,037, 972,4 и 0,041.

Подставив численные значения в формулу, получаем массу фенолов:

т.

То есть, с фильтратом свалки ТБО в реку Кальмиус и Азовское море попадает 7,9 т фенолов.

Аналогично рассчитаем массу выносимого с фильтратом в реку Кальмиус и Азовское море железа, подставив концентрации железа в поверхностном фильтрате, подземных водах и накопителе:

т.

Значит, со свалки ТБО в реку и Азовское море попадает 10,8 т железа.

Экономический ущерб (У), наносимый государству в результате загрязнения водных объектов фильтратом свалки твердых бытовых отходов, рассчитывается по формуле [100]:



,

где Ккат = 2,4 – коэффициент, учитывающий категорию водного объекта;



КРп – региональный коэффициент дефицитности подземных вод, для Донецкой области, равный 1,34;

Мфi – масса i-го загрязняющего компонента (т) рассчитывается по формуле:

,

где Сi – средняя концентрация загрязняющего вещества в фильтрате, г/м3;



– объем фильтрата за расчетный период, м3;

S – площадь действующего полигона ТБО, м2;

Н – сумма осадков на территории расположения свалки или полигона ТБО за расчетный период, мм;

m – количество загрязняющих веществ, попавших в подземный водный объект с фильтратом;

– удельный экономический ущерб от загрязнения водных ресурсов, отнесенный к одной тонне условного загрязняющего вещества, грн/т, который определяется по формуле:

,

где γ – проиндексированный удельный экономический ущерб от загрязнения водных ресурсов в текущем году, грн/т:



,

γП – проиндексированный удельный ущерб от загрязнения водных ресурсов в предыдущем году, грн/т;



I – индекс инфляции, среднегодовой по Украине за предыдущий год, %;

– безразмерный показатель относительной опасности i-го загрязняющего вещества, определяемый по формуле

,

ПДКi – безразмерная величина, численно равная ПДК загрязняющего вещества в воде водного объекта соответствующей категории.

Для веществ, по которым отсутствуют величины предельно допустимых концентраций, показатель относительной опасности принимается равным 500, а при ПДК «отсутствие» – 10000.

В связи с большим объемом накопленного мусора и многолетним возрастом свалки влажность толщи свалки принимаем постоянной и равной 24 %.

Исходя из этого, считаем, что осадки, выпадающие на свалку, дренируют в подземные воды, вынося с собой загрязненные вещества.

Поскольку, основными загрязняющими компонентами, попадающими с фильтратом в реку Кальмиус, Азовское море и грунтовые воды, являются железо и фенолы, рассчитаем значения ущерба для них отдельно с последующим суммированием.

Так как фильтрат загрязняет водные объекты нескольких типов (грунтовые воды, а также источники, имеющие хозяйственно-бытовое и культурно-бытовое значение), коэффициент берем максимальный .

Коэффициент региональной дефицитности вод для Донецкой области равен .

Объем фильтрата за расчетный период определяется как

м3,

где S = 5,4∙104 – площадь свалки ТБО, м2;



H = 450 – годовое количество осадков, мм.

Масса железа, попадающего с фильтратом в водные объекты, составляет  т.

Рассчитаем удельный экономический ущерб от загрязнения водных ресурсов. Для этого найдем проиндексированный удельный экономический ущерб от загрязнения водных объектов в текущем году:

= 1084,48 грн/т,

где индекс инфляции І =141,4.

ПДК для железа равно 0,3 мг/дм3или 0,3 г/м3, откуда находим:

Подставляя рассчитанные данные в исходную формулу, получаем:



Масса фенолов, попадающих с фильтратом в реку, равна



тыс. т.

Учитывая значение ПДК для фенолов 0,1 г/м3, находим удельный экономический ущерб от загрязнения водных ресурсов:



 тыс. грн/т.

Далее определяем величину экономического ущерба по фенолам:



Суммируя данные для железа и фенолов, получаем 401 тыс. грн.

Станция анаэробной очистки стоков производительностью 200 м3/сутки стоит около 900 тыс. грн. [166].

Рассчитываем срок окупаемости станции анаэробной очистки жидких стоков: Т = 900 / 401 ≈ 2,25 года.

Внедрение разработанной технологии очистки фильтрата позволит предотвратить сброс загрязненных вод в реку Кальмиус и Азовское море, что позволит повысить уровень экологической безопасности водных объектов.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница