Водных объектов в зоне влияния свалок



страница3/12
Дата11.10.2016
Размер2,69 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Состав твердых бытовых отходов Донецкой области, %

Пищевые отходы

37

Бумага

28

Текстиль

8

Пластмасса

7

Стекло

6

Древесина

2

Металл

2

С одной стороны, полигоны – простые и дешевые сооружения, а с другой стороны – это сложная биохимическая система, которая имеет ряд экономических и экологических недостатков [11].

С другой стороны, накопление и захоронение отходов ведет к значительным потерям природных, почвенных и водных ресурсов, возникновению необратимых процессов загрязнения окружающей среды и несет реальную угрозу здоровью населения.

При прохождении воды сквозь отходы образуется фильтрат с высоким содержанием загрязняющих веществ [53].

Открытые свалки являются источником санитарно-гигиенического загрязнения. Они привлекают крыс, насекомых и других вредителей.

Поверхностная вода и осадки, просачиваясь сквозь слой мусора, растворяет химические соединения, которые в дальнейшем попадают в грунтовые воды. Растворенные в грунтовых водах химические соединения оказывают влияние на здоровье людей, проживающих вблизи свалки.

Загрязнение почвы возникает в результате выщелачивания из отходов загрязняющих веществ, таких как медь, свинец, кадмий, ртуть и др. [54–56]. Так, в поверхностных водах и донных отложениях возле захоронений отходов концентрация свинца превышает фоновые показатели в 36 раз, цинка – в 14 раз, меди – в 3 раза, ртути – в 950 раз, висмута – в 180 раз [9].

На полигоне бытовых отходов также накапливаются инфицированные медицинские отходы больниц, поликлиник, лабораторий, такие как шприцы, бинты, салфетки и прочие.

Одним из основных путей переноса загрязнений с территории складирования отходов является распространение фильтрата и поверхностных вод, которые стекают с территории полигона во время осадков.

Основными условиями образования фильтратов полигонов ТБО являются следующие факторы [57]:



  • количество атмосферных осадков в данном регионе;

  • условия испарения их с поверхности полигонов;

  • физико-химические и биологические свойства отходов;

  • особенности протекания сложных процессов деструкции гидролитического и биохимического характера, которые могут происходить в период эксплуатации полигона, а также после его закрытия.

При эксплуатации полигонов ТБО особенно остро стоит проблема пожаров и возгораний [58, 59].

Пожары и возгорания возникают при достаточном количестве кислорода в толще полигона, когда помимо окисления органических компонентов происходит окисление неорганических соединений.

Биохимическое разложение повышает температуру отходов до 40–70 °C, что активизирует процессы химического окисления и ведёт к дальнейшему повышению температуры.

Горение может происходить как на поверхности, так и в толще отходов. При скрытом горении происходит разогрев поверхностных горизонтов отходов до 155 °С.

Прогнозирование и предупреждение пожаров крайне затруднено, так как трудно определить возможные очаги повышения температур из-за различной удельной теплоёмкости отходов. Под толщей отходов выгорают большие пустоты, что приводит к просадкам слоев отходов.

Токсичные металлы выбрасываются в форме солей или оксидов, то есть в устойчивом виде, и могут лежать неопределенное число лет, накапливаясь постепенно и с пылью попадая в организм человека.

Малые концентрации оксида углерода вызывают блокаду гемоглобина и обусловленное этим кислородное голодание тканей, к которому, как известно, наиболее чувствительна центральная нервная система.

Это вызывает, прежде всего, изменение функционального состояния коры головного мозга, что в большей или меньшей степени отражается на состоянии внутренних органов [58].

Кроме вышеперечисленных веществ, отдельную опасность представляют твёрдые остатки горения. Они в больших количествах содержат канцерогены и другие вредные вещества, которые приводят к серьёзным заболеваниям, в том числе онкологическим [59].

Распространение газа и неприятного запаха происходит на расстояние до 300–400 метров [60], а иногда и до нескольких километров [61]. Запах от свалок обусловлен наличием таких компонентов, как сероводород, меркаптаны, различные эфиры, алкилбензолы и др.

Например, в статье [62] авторами приводится анализ ежегодного сгорания твердых бытовых отходов в количестве 10 % от общей массы ТБО. Годовой выброс в результате горения: твердых частиц – 2,714; сернистого ангидрида – 6,513; оксидов азота – 10,855; оксида углерода – 54,275 и сажи – 1,375 тонн. При полигонном депонировании происходит биохимическая ферментация ТБО с выделением в атмосферу биогаза, в состав которого входит метан (30–50 %) и углекислый газ (50–70 %).

Биогаз обладает способностью к самовоспламенению. Кроме того, он является парниковым газом.

Исследования другого полигона [63] показали, что ежегодно в атмосферу попадают (тонны): диоксид азота – 14.2, аммиак – 68.2, серный ангидрид – 3.3, сероводород – 8.95, оксид углерода – 31.24,метан – 6771.13, ксилол – 56.68, толуол – 92.52, этилбензол – 12.15, формальдегид – 12.28.

Горящие полигоны ТБО являются источниками загрязнения атмосферы экологически опасными диоксинами [64]. По данным работы [65], горящие полигоны ТБО вносят около 35 % в общее количество диоксинов, содержащихся в окружающей природной среде.

Не меньший вред окружающей среде наносит тушение горящих свалок, так как это приводит к увеличению фильтрата, а, значит, и к загрязнению окружающих водных объектов.

Полигоны твердых бытовых отходов обладают канцерогенным воздействием на население [54–74]. В работах [66–70] проанализирована связь между численностью заболеваний раком и местами накопления свалок бытовых отходов. Были получены данные для заболеваний раком печени, легких, лейкемии и сарком мягких тканей. Согласно результатам работ [71–72] обнаружен риск неблагоприятного исхода родов, выкидышей, врожденных аномалий внутренних органов среди населения, проживающего в переделах двух километров от свалок бытовых отходов, а среди 8,2 млн. новорожденных – 43,5 тысяч мертворожденных. Кроме того, 125 тысяч новорожденных обладали аномалиями органов.

Для населения, проживающего в двух километрах от свалки, было обнаружено превышение врожденных аномалий и низкого веса при рождении на 2–6 % [73], на 63 % увеличивался риск рождения больного ребенка, также на 29 % повысилась вероятность развития нарушений нервной системы, на 16 % – костно-мышечной системы, на 32 % – кожи [6].

Полигоны ТБО загрязняют окружающую среду не только химическими веществами. Негативное влияние на окружающую среду и человека, в частности, оказывают микроорганизмы и яйца гельминтов, содержащиеся в мусоре и распространяющиеся на большие территории вокруг полигонов.

На полигонах ТБО обнаружены [75] следующие микроорганизмы (кол/м3): Aspergillus fumigatus – 1·105, Aspergillus niger – 1·104, Mesophilic actinomycetes– 2·103, термофильные актиномицеты – 6·103, E.coli– 3·102, Thermoactinomyces – 4·102, р. Enterobacteria – 5·103 кол/м3.

Общее микробное число составило 7·104 кол/м3.

В статье [76] приведены результаты санитарно-гигиенических исследований почв полигонов ТБО: были обнаружены превышения предельно допустимых концентраций содержания тяжелых металлов, микроорганизмов, а также гельминтов. Содержание пестицидов и тяжелых металлов около полигонов ТБО в радиусе 2 км превышало санитарные нормы качества почв в 3–10 раз и более [77].

Переносчиками заболеваний и возбудителей болезней с полигонов ТБО являются птицы, грызуны, хищники, домашние животные, кровососущие и бытовые насекомые [78, 79], проживающие в толще полигонов.

Бесконтрольный вывоз медицинских отходов на полигон твердых бытовых отходов, наличие переносчиков заболеваний в мусоре способствуют распространению заболеваний вирусной природы.

1.2. Способы переработки твердых бытовых отходов, их влияние на окружающую среду и здоровье человека

В мире на данный момент, помимо захоронения, используются достаточно большое количество разнообразных методов утилизации твердых бытовых отходов [3, 5, 10].

В мировой практике нашли промышленное применение следующие методы утилизации и переработки ТБО:


  • захоронение на специальных полигонах; сортировка с извлечением тех или иных ценных компонентов для вторичного использования;

  • термическая обработка – сжигание, пиролиз;

  • биотермическое аэробное компостирование с получением удобрения или биологического топлива;

  • анаэробная ферментация с получением биогаза и удобрений и др.

Из десятков технологий обращения с ТБО за последнее десятилетие в мировой практике приобрели наибольшее распространение три метода. Один из них – пассивный, представляющий собой захоронение ТБО на полигонах, два другие – активные, в виде сжигания и компостирования отходов.

Более 70 % всех твердых бытовых отходов в мире утилизируется путем захоронения. Для Украины эта цифра равна 97 % [9, 11].

Для примера, в США приблизительно 62 % ТБО подвергаются последующему захоронению на полигонах [80].

Захоронение отходов крайне негативно воздействует на окружающую среду. Попадающий с территории свалок фильтрат загрязняет подземные воды соединениями тяжелых металлов, токсичными веществами.

Гниение органических соединений приводит к возникновению опасных для здоровья человека инфекций и болезнетворных бактерий. Опасность для окружающей среды несет и свалочный газ. Во-первых, он вносит свой вклад в глобальное потепление, поскольку глобальная эмиссия свалочного метана возросла до 40 млн. тонн в год или около 8 % всего планетного потока [80]. Во-вторых, этот газ является источником несанкционированных возгораний, в результате чего в атмосферу попадают токсичные соединения. Кроме того, под свалочные полигоны отводятся значительные территории, которые впоследствии становятся непригодными для использования.

Считается, что процесс захоронения твердых бытовых отходов прост и экономически выгоден. Но помимо отрицательного воздействия самих полигонов, в результате захоронения под землю уходят значительные энергетические и материальные ресурсы, которые можно было повторно использовать. То есть захоронение, как доминирующий метод утилизации отходов, является экологически опасным и экономически невыгодным.

Процесс захоронения отходов должен осуществляться так, чтобы в период контролируемого функционирования полигона происходила как можно более полная деструкция ТБО, снижающая потенциал их опасности, а также повышающая и стабилизирующая метанообразование.

Например, этому может способствовать [81] послойное внесение в ТБО специального инициирующего слоя, выполняющего функцию регулятора – биодобавки, ускоряющего процесс биодеградации ТБО на полигоне и выхода метана в составе биогаза.

Также одним из наиболее распространенных и технически отработанных методов промышленной обработки твердых бытовых отходов является сжигание. В европейских странах таким путем перерабатывают 20–25 % объема городских отходов, в Японии – около 65 %, в США – около 15 % [9]. Сжигание бытовых отходов позволяет использовать их энергетический потенциал (средняя теплота сгорания ТБО около 9 МДж/кг), уменьшить количество утилизируемых отходов (объем отходов уменьшается примерно в 10 раз). В Китае сжигают около 90 % твердых бытовых отходов, скорость накопления которых достигает 1 кг/день на 1 человека [82].

Мусоросжигание позволяет значительно снизить объем и вес отходов, преобразовать вещества (в том числе и опасные) в инертные твердые, разрушить вещества, которые бы приводили к образованию биогаза при непосредственном захоронении на полигонах, а также возможна утилизация энергии за счет сжигания органических компонентов отходов [83].

Техника и технология сжигания ТБО непрерывно совершенствовались.

Были разработаны печи для непрерывного слоевого сжигания ТБО, осуществляемого на валковой или переталкивающей колосниковой решетке, установленной в нижней части печи.

В начале 80-х годов стали появляться котловые агрегаты с топками и псевдосжиженным слоем, а в конце 80-х – печи с циркулирующим кипящим слоем, которые в большей степени отвечают экологическим требованиям, но требуют обязательной подготовки отходов к сжиганию [82].

В Украине к 2000 г. образуемые твердые бытовые отходы вывозились на 770 свалок, а утилизировались только на 4 мусоросжигательных заводах.

Сжиганию подвергалось всего не более 3 % от общего объема накопленных бытовых отходов [83].

В сложившейся мировой промышленной практике термической переработки ТБО слоевое сжигание при 850–1000 °C применяется наиболее часто [64]. Но при сжигании твердых бытовых отходов при температуре 600–900 °C интенсивно образуются высокотоксичные соединения типа диоксинов, фуранов. Диоксины деструктурируют лишь при температуре сжигания выше 1300 °C. Вместе с тем сжигание в кипящем слое практикуется уже в целом ряде стран, а сжигание в циркулирующем кипящем слое также находит применение в промышленной практике.

Технология прямого сжигания ТБО представляет экологическую опасность вследствие токсичных выбросов тяжелых металлов, диоксинов, фуранов, оксидов углерода, азота и других вредных веществ, что требует многостадийной газоочистки.

Поскольку при сжигании ТБО происходит интенсивное выделение диоксинов [53], международное агентство изучения рака ввело [84] их в первую группу канцерогенной опасности для человека. По этой причине во Франции и Польше закрыто пять мусоросжигательных заводов. Выяснилось, что в молоке коров, пасущихся на расстоянии до 1 км от таких заводов, содержание диоксинов в три раза превышает максимально допустимый уровень. Кроме того, образуется до 25–30 % вторичных твердых отходов, загрязненных токсичными веществами.

Подобная технология очистки газов существует на современных мусоросжигательных заводах Евросоюза [85, 86].

Стоимость такого завода, мощностью 400 тыс. т/год, – 600 млн. гривен.

Поэтому процесс мусоросжигания в Украине сегодня не развивается.

Чаще всего ТБО сжигаются в котлах котельных или электростанций, что позволяет вырабатывать тепловую и электрическую энергию. Например, в городе Копенгагене [87] весь бытовой мусор утилизируется для получения тепловой энергии, используемой в теплоснабжении городских потребителей.

В США эксплуатируется мусоросжигательный завод [37]с ежегодной переработкой более 630 тыс. т бытовых отходов, свозимых из 14 городов.

Завод работает круглосуточно, мощность электростанции – 60 МВт.

Производительность мусоросжигательных установок может быть как небольшой – менее 40 тыс. т в год, так и весьма значительной – более 1 млн.т.

В ряде стран методы сжигания ТБО применяются достаточно широко.

Другие страны, например США, закрывают многие действующие мусоросжигательные заводы.

За последнее десятилетие было приостановлено около 250 проектов по мусоросжиганию [81], так как мусоросжигательные установки выбрасывают огромное количество канцерогенных и химических веществ.

Главный недостаток мусоросжигательных заводов – трудности очистки газов от вредных примесей, особенно от диоксинов и фуранов, хотя их можно эффективно очищать с помощью двойных слоистых гидроксидов [15].

Кроме того, эти заводы превышают мусороперерабатывающие производства по капитальным и эксплуатационным затратам [88].

Увеличение содержания в мусоре полимерных материалов приводит к росту концентраций вредных выбросов в отходящих газах.

Сложной задачей при эксплуатации таких заводов является, то, что вместе с очисткой выходящих газов необходима утилизация или захоронение токсичной золы (до 30 % сухой массы ТБО), содержащей тяжелые металлы, остающиеся после сжигания.

В Украине в 90-х годах в Севастополе был построен мусоросжигательный завод, который вскоре закрыли в связи с несоответствием его выбросов экологическим требованиям безопасности [17].

Согласно исследованиям [89, 90] для максимального снижения концентраций токсичных веществ в топочных газах применяют высокотемпературные режимы сжигания ТБО (1800–2000 °С).

Это обусловлено тем, что при увеличении температуры происходит резкое снижение концентраций таких веществ как фураны, бензопирены, то есть именно тех химических соединений, которые наиболее опасны в экологическом отношении [91].

В качестве альтернативы сжиганию при температурах 700–800 °C за рубежом в настоящее время интенсивно ведутся научно-технические разработки по созданию процессов и агрегатов по высокотемпературной (1350–1600 °С) переработке ТБО [17].

Еще в 90-х годах был предложен проект по сжиганию бытового мусора в мартеновских печах города Мариуполя. Аналогичная технология использовалась на Kawasakisteel [92].

Одной из технологий захоронения бытовых отходов является создание биологических реакторов [83, 87], дно и стенки которых изолированы от окружающего грунта, а верхний перекрывающий герметичный слой предотвращает эмиссию биогаза.

Этот газ собирают с помощью системы перфорированных труб и используют в качестве топлива.

За счет рециркуляции фильтрата в толще свалки повышается влажность, что значительно ускоряет деградацию отходов.

Таким образом, достаточно быстро (через 10–15 лет) территорию свалки можно использовать для новых захоронений.

Отсортированные органические отходы помещают в компактные биотехнологичные установки – в снабжаемые кислородом компостеры или в анаэробные реакторы.

Там образуется активная биохимическая среда, позволяющая ускорить процесс деградации во много раз.

В Германии построены около двух тысяч биогазовых установок различной мощности, в которых одновременно разлагаются органические отходы и биомасса специально выращиваемых растений [81].

В теле полигонов твёрдых бытовых отходов имеют место последовательные реакции превращения целлюлозы в глюкозу, а затем в уксусную кислоту:

кДж.

В процессе биологического разложения твердых бытовых отходов участвуют два основных типа бактерий: аэробные (в верхнем слое отходов, где достаточно кислорода) и анаэробные (в глубинных слоях).

Кроме того, в данном процессе ограниченно участвуют плесневые грибы. Исследования показали [38] наличие в отходах при биологическом разложении следующих микроорганизмов:


  • Pseudomonas – аэробные бактерии, которые извлекают углерод из органической массы, образуя углекислый газ;

  • Azotobacter – аэробные бактерии, извлекающие азот из органической массы;

  • Bacillus – аэробные бактерии, которые разлагают белок с выделением аммиака;

  • Clostridium – анаэробные бактерии, разлагающие целлюлозу до уксусной, масляной и других кислот;

  • Methanococcus – анаэробные бактерии, способные катализировать восстановление СО2 водородом до метана и некоторые другие.

1.3. Фильтрат свалок и полигонов твердых бытовых отходов и способы его очистки

Сложившаяся практика накопления ТБО, когда 90 % полигонов не отвечают требованиям экологической безопасности, приводит к длительному загрязнению окружающей среды. Каждые 15–20 лет вокруг города с численностью 1 млн. человек образуется свалка площадью 30–40 га.

По разным оценкам, в зависимости от района расположения и типа изолирующего материала, один гектар ежегодно дает около 0,5–3,0 тыс. м3 высококонцентрированного фильтрата [19].

Отсутствие систем сбора, отведения и очистки фильтрата приводит к загрязнению литосферы, поверхностных и подземных вод.

Сточные воды полигонов твердых бытовых отходов наносят огромный вред поверхностным водным объектам, так как содержат большое количество вредных химических соединений.

Донецкая область занимает лидирующую позицию по количеству выносимых в водные объекты сточных вод – около 1,7 млрд. м3/год или 18 % от общего объема стоков по Украине [93]. В то же время удельный вес поверхностных вод Донецкой области составляет всего 4,8 % [94].

Особую опасность представляют свалки бытовых отходов для подземных и наземных источников воды. Вблизи свалок городских отходов в грунтовых водах были обнаружены смеси алифатических, ароматических и хлорированных органических растворителей, а также соединения мышьяка, кадмия, хрома, свинца, ртути и никеля [95–98].

Постоянное использование загрязненных подземных вод приводит к резкому снижению иммунитета организма и развитию заболеваний, подобных лейкозу, как у человека, так и у домашних животных.

Химический состав фильтрационных вод типичного полигона в зависимости от этапа биохимической деструкции ТБО характеризуется усредненными показателями [99], мгO2/дм3:


  • "молодой" фильтрат (0–5 лет) – БПК5 = 10640, ХПК = 26800;

  • "старый" фильтрат (5–35 лет) – БПК5 = 680, ХПК = 2280.

Эти результаты отличаются от утвержденного Министерством охраны окружающей природной среды Украины [100] усредненного состава фильтрата полигонов ТБО (табл. 1.4).

Свалочный фильтрат типичного полигона представляет собой минерализованный раствор с общим солесодержанием до 14–17 г/дм3. В его составе содержание ряда веществ существенно превышает установленные требования. Например, содержание сульфатов достигает 6,7 ПДК, железа – 1700 ПДК, хлоридов – 12,3 ПДК, нитратов – 1,3 ПДК [101–102].

Согласно результатам [103] фильтрат полигона ТБО г. Воронежа содержит загрязнения, характеризуемые следующими показаниями (мг/дм3): ХПК 1500–51000, БПК 1500–4800, сульфаты 650–2900, хлориды 650–2900, железо 200–1700. Наблюдается вынос с фильтратом возбудителей инфекционных заболеваний, таких как брюшной тиф, паратиф, дизентерия, туберкулез, столбняк, газовая гангрена, сибирская язва.

Таблица 1.4

«Узаконенный» усредненный состав фильтрата полигонов ТБО


Показатель

Концентрация, мг/дм3

Азот нитратный

1850

ХПК

1650

БПК5

1400

Хлориды

1200

Сульфаты

950

Азот аммонийный

620

Нефтепродукты

250

Бор

22

Азот нитритный

12,5

Железо

10

Фенолы

4

Никель

1,1

Хром (VI)

0,2

Свинец

0,15

Согласно работам [53, 104–106] сточные воды полигонов ТБО могут содержать высокие концентрации тяжелых металлов, токсичных элементов, иметь высокие значения БПК и ХПК. Например, содержание железа может превышать ПДК в более чем 300 раз. Показатели фильтрата, приведенные в статье [107], показывают превышение биологического потребления кислорода и химического потребления кислорода.

Это свидетельствует о значительном содержании органических соединений в фильтрате, что практически исключает возможность сброса неочищенного фильтрата на рельеф или в поверхностные водоемы.

Дренажные воды образуются за счет неполного поглощения воды, поступающей в тело полигона с атмосферными осадками или формируемой там, в результате различных процессов [108]. Для исключения возможности попадания загрязненных дренажных вод в грунтовые воды должны быть предусмотрены такие процессы, как устранение и предотвращение попадания излишнего количества влаги в тело полигона, защита грунтовых вод посредством правильного геологически обоснованного выбора места для полигона, сооружение уплотненного основания полигона, очистка образующихся дренажных вод и т.п. В первом случае возможно покрытие заполненных участков полигона водонепроницаемым слоем, например, полимерной пленкой. Второй подход подразумевает наличие условий для непопадания образовавшихся дренажных вод в грунтовые воды путем создания специального экранирующего слоя при строительстве полигона, а также систем сбора фильтрата с последующей его дезинфекцией.

Технологические схемы для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО отличаются многостадийностью, сочетанием физико-химических и биохимических процессов удаления и деструкции загрязнений. В них применяются методы фильтрации, ультрафильтрации, обратного осмоса, процессы вакуумного выпаривания и сушки, механическое обезвоживание осадков, обеззараживание очищенных вод перед их выпуском в водоем.

Показателем качества стоков является полное биохимическое потребление кислорода БПКП – количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процессов нитрификации (превращение нитрифицирующими бактериями аммонийных солей почвы и водоемов в нитраты, усваиваемые растениями). Для бытовых сточных вод определяют БПК20 (значение БПК через 20 суток), считая, что эта величина близка к полному значению БПКП. При сбрасывании очищенных стоков в водоемы значение БПКП должно быть равным 3 мг О2/дм3 при 20 °C.

То есть после очищения воды в одном её литре должно содержаться 3 мг кислорода для окисления загрязняющих веществ, оставшихся в воде.

По данным работы [108] химический и микробиологический состав фильтрата полигонов и их объем зависят от ряда факторов, к которым относятся: морфологический состав ТБО, мощность и этап жизненного цикла полигона, влажность отходов, климатические факторы (температура, атмосферные осадки), инженерная инфраструктура полигона, предварительная обработка отходов и др.

В связи с многообразием факторов, влияющих на концентрацию и состав неорганических и органических примесей в фильтрате, прогнозирование химического состава фильтрационных вод является достаточно сложной задачей. Поэтому в настоящее время не существует единого подхода к прогнозным оценкам состава фильтрата, и многие модели находятся на стадии разработки.

Сточные воды полигонов твердых бытовых отходов загрязнены как органическими соединениями, так и солями металлов в концентрациях, иногда значительно превышающих ПДК [57, 63, 106, 109–110].

Сброс неочищенных сточных вод приводит к загрязнению природных источников чистой воды.

При разработке технологий очистки высококонцентрированных сточных вод полигонов ТБО необходимо учитывать различные сопутствующие факторы: этап жизненного цикла полигона, климат, мощность полигона, качественные показатели очищенного фильтрата и др.

Следовательно, разрабатываемая технология должна быть достаточно гибкой, учитывающей колебания качественного состава, должна обеспечить полную деструкцию вредных веществ или переведение их в безвредные вещества, свести до минимума или вообще исключить эффект суммации, что позволит минимизировать негативное влияние на окружающую среду [111].

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические.

Если они применяются вместе, то метод очистки-обезвреживания сточных вод называется комбинированным.

Применение того или иного метода в конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей [106–112].

Реагентные методы широко описаны в литературе [109, 113]. Они заключаются в химическом связывании или превращении загрязняющих веществ. Реагентные методы снижают концентрацию солей тяжелых металлов, но вносят в стоки, сбрасываемые в природные водоемы, дополнительную солевую нагрузку. К тому же, они экономически самые затратные [106].

Физико-химические методы, включающие в себя электрохимические и сорбционные способы обработки стоков – наиболее приоритетные методы очистки загрязненных стоков, согласно [106].

Авторами исследований, приведенных в работе [114], описана очистка отстойников сточных вод от смесей ионов тяжелых токсичных металлов методом адсорбции клиноптилолитом. Утверждается, что использование подобных минералов экологически безопасно, эффективно, а также позволяет затем использовать клиноптилолит в качестве составной части покрытия дорог. Но данная методика пригодна для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, концентрация которых не превышает 100 мкг/г.

Экологически щадящими и эффективными из них считаются электрохимические методы. Они основаны на моделировании природных процессов окисления и восстановления.

Электрохимические методы позволяют без дополнительных затрат и химических реагентов эффективно очищать отработанные водные стоки, загрязненные маслами, жирами, белками, нефтепродуктами, поверхностно-активными веществами, красителями, пестицидами, фенолами, солями тяжелых металлов и прочими токсичными веществами.

Из электрохимических методов наиболее распространенными и эффективными признаны методы электрохимической коагуляции и флотации. Эти методы применяются для очистки как промышленных и бытовых сточных вод, так и стоков производств пищевой отрасли.

Эффект очистки стоков достигает (в процентах) по взвешенным веществам 90–95, поверхностно-активным веществам 60–70, жирам 75–95, нефтепродуктам – до 95, хрому 90–98 [106]. Основным недостатком электрохимических методов очистки загрязненных вод является их высокая, в сравнении с другими методами, стоимость.

Представляют интерес мембранные методы очистки сточных вод ТБО, например, обратный осмос является наиболее эффективным методом устранения высокой минерализации – одного из факторов загрязнения сточных вод ТБО. В исследования [113] предлагается способ очистки дренажных вод полигонов ТБО, включающий предварительную подготовку с последующей мембранной фильтрацией. На этой стадии дренажные воды подвергают электрохимической очистке в электролизере.

Осветленную воду после фильтрации на песчаных фильтрах и тонкой фильтрации подают для глубокой очистки и обессоливания на двухступенчатую мембранную обратноосмотическую установку.

Недостатками данного метода являются большая стоимость, особенно когда отсутствует необходимость в высокой степени очистки.

Кроме того, высокая минерализация не является главной проблемой для фильтрата полигонов ТБО. Следует учитывать и тот факт, что данный способ очистки не ликвидирует биологическое загрязнение фильтрата.

Известны исследования, где для очистки растворов от химического загрязнения применяют природные компоненты.

Например, в процессе исследований [115] для очистки растворов от ионов меди и хрома использовали древесные опилки и крупнотоннажный минеральный отход строительного производства и промышленности стройматериалов. Очистка изучалась на модельных растворах хроматов и сульфатов меди, а также на промывных водах после ванны хромирования изделий и после ванны травления печатных плат.

В настоящее время бактериальная очистка сточных вод является общепринятой при обработке городских хозяйственно-бытовых стоков [116].

Процесс биохимической очистки осуществляется сложным сообществом аммонифицирующих, метанобразующих и других бактерий в условиях аэробиоза, то есть наличия кислорода в очищаемой воде.

В результате биохимических реакций сточная вода очищается от большинства органических и некоторых неорганических веществ, которые являются для бактерий источником питания.

При биохимическом разложении органики выделяются такие вещества, как углекислый газ, водород, азот, аммиак и вода.

Средой обитания аэробных бактерий и микроорганизмов является так называемый «активный ил», масса которого в результате размножения биологических существ увеличивается с течением времени.

Поэтому избыточный активный ил периодически должен удаляться со станции биохимической чистки, что обычно осуществляется путем фильтрации или центрифугирования сгущенной пульпы «активного ила», частично выводимого с очищенными стоками.

Полученный иловый осадок представляет собой хорошее органическое удобрение, которое можно использовать при совместном внесении на сельскохозяйственные поля с навозом и другими удобрениями.

Однако при наличии токсичных тяжелых металлов в стоках промышленных предприятий, которые сбрасываются в городскую канализацию, «активный ил» легко сорбирует их на своей поверхности и получаемые иловые осадки при использовании их в качестве удобрений становятся опасными для производимой растительной продукции.

В этом случае самым эффективным способом утилизации накопленных иловых осадков является их сжигание на специализированных заводах [106].

Исследование термических режимов по обработке влажного отжима осадков сточных вод показало, что оптимальной температурой является 90–95 °C при времени экспозиции около 10 минут.

Индикаторными микроорганизмами выступили Eschericha coli, Bacterium aerogenes [82].

Микробиологические методы экологически безопасны, но громоздки в аппаратном оформлении и не обеспечивают полной очистки стоков по тяжелым металлам, сульфатам, хлоридам, нитратам, фосфатам и другим анионам кислот. От 20 до 40 % высокотоксичных металлов в виде солей поступают в водоносные горизонты.

Следует отметить и низкую скорость процесса [107].

Для очистки сточных вод от токсичных ингредиентов, в том числе от нефти и нефтепродуктов широко используют высшие водные растения. Для очистки загрязненного фильтрата и поверхностных водоемов от нефтепродуктов оказалось эффективным [117] использование Chlorella vulgaris, Nitzschia sublinaris, Uronemanigricans, Oscillatoria nigra, Colpoda steini, Monas socialis, Bodoovatus, Uronemanigricans, Bodo ovatus, Mastigamoeba reptans, Colpoda steini, Bodo ovatus, Cercobodo classicauda.

Однако сам процесс очистки состоит из ряда подпроцессов, в которых принимают участие все члены ризосферного биоценоза.

Микроводоросли и высшие водные растения, помимо сорбционной функции, в результате фотосинтетической деятельности обогащают воду кислородом и этим создают условия для аэробных микроорганизмов – основных агентов минерализации органических загрязнений.

В работе [118] показаны положительные результаты использования ряски для очистки сточных вод от химических токсикантов, в частности, ионов двухвалентного железа. При этом очень высока эффективность извлечения ионов кадмия, меди и цинка.

Анализ современных тенденций и представлений об аэробной биологической очистке и путей интенсификации процесса свидетельствует об эффективном использовании гидробионтов для обработки концентрированных сточных вод [119]. Представители вида Eichornia crassipes могут эффективного использоваться в процессах биологической очистки сточных вод, загрязненных органическими и неорганическими соединениями, способными легко окисляться.

Для их использования необходима разработка комплексной схемы биологической очистки и сооружения, где будет происходить очистка. Необходимость выращивания водных растений Eichornia crassipes влечет технологические трудности и экономические затраты.

В настоящее время наряду с совершенствованием методов аэробной биологической очистки интенсивно развивается и технология анаэробной обработки, применяемая в основном для высококонцентрированных сточных вод [120].

Обычно первые 3 часа анаэробной очистки сточных вод занимает начальная стадия, во время которой происходит разложение сложных органических соединений на более простые ингредиенты.

После 70 часов проведения процесса большинство показателей достигает максимума, сохраняющегося до 7–8 суток включительно. После 8–9 суток процесс начинает медленно затихать.

Значения ХПК, БПК, концентрации взвешенных частиц и железа остаются практически неизменными.

Медленно уменьшается содержание фосфатов и сульфатов.

Величина ХПК остается относительно высокой – около 2000 мг О2/дм3. Это дает основание предположить, что в культуральной среде накапливаются продукты жизнедеятельности микроорганизмов, а значит и продукты разложения органических соединений, оставшихся в сточной воде.

В материалах конференции [121] утверждается, что актуальным методом очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, позволяющим извлекать загрязняющие компоненты без дополнительной техногенной нагрузки на окружающую среду, является метод фиторемедиации. То есть метод очистки загрязненных объектов окружающей среды с помощью зеленых растений, в частности, с использованием высших водных растений.

Положительным фактором использования данного метода является его экономичность. Основными недостатками фиторемедиации являются сезонность, длительность процесса и невысокая эффективность очистки.

Для описания микробиологических процессов используются уравнения Михаэлиса-Ментен и Моно [122, 123]:

,

где С – концентрация субстрата.

К недостаткам биологических методов очистки сточных вод относятся необходимость соблюдения жестких температурных условий, специального выращивания растений для очистки и, впоследствии, их утилизация. Микроорганизмы и высшие растения не смогут эффективно очищать сточные воды полигонов при низких температурах в осенне-зимний период.

В настоящее время наиболее известными промышленными методами, прошедшими проверку на крупных действующих сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое облучение.

Наиболее технически простым, а также экономичным остается хлорирование. Хлор – практически универсальное средство для обработки сточных вод [124].

Кроме главной функции – дезинфекции, благодаря уникальным окислительным свойствам, хлор служит и другим целям: предотвращению роста водорослей, поддержанию в чистоте фильтров, удалению железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию и т.п.

В этом смысле ни одно из альтернативных хлору средств не может сравниться с ним по универсальности и простоте применения.

В настоящее время существует заблуждение, связанное с возможностью образования диоксинов при жидкофазном хлорировании.

Однако низкая температура не обеспечивает возможность протекания процесса электрофильного замещения в ароматическом ядре.

Несмотря на технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлора, его высокую коррозионную активность, потенциальную опасность возникновения чрезвычайных ситуаций, процесс хлорирования широко применяется до настоящего времени.

При всей распространенности метода хлорирования ему присущи и существенные как технологические недостатки, так и недостаточная эффективность в отношении, например, вирусов. После хлорирования при дозах остаточного хлора 1,5 мг/л в пробах остается высокое содержание вирусных частиц [93]. Данные многолетних исследований свидетельствуют, что после хлорирования вероятность вирусопозитивных проб приблизительно равна 5 % [125]. При традиционной схеме очистки воды, включающей коагуляцию, фильтрацию и хлорирование, в 45 % проб были обнаружены вирусы полиомиелита и бактериофаги.

Анализ исследований показал, что вирусы значительно более трудно устранить и инактивировать, чем кишечные бактерии. Это обусловливает необходимость поиска и оценки эффективности методов обеззараживания воды, альтернативных хлору. Среди них: мембранная очистка, сорбция, ультрафиолетовое обеззараживание и другие методы, позволяющие сочетать химические и физические способы обработки воды [126].

Известно, что бактерицидное действие УФ излучения немонотонно зависит от длины волны и имеет максимум в области 250–260 нм. Соответственно, наиболее оптимальными источниками излучения являются ртутные лампы низкого давления, излучающие на длине 253,7 нм. Кроме длины волны, важной характеристикой является доза облучения, которая определяет степень обеззараживания в процессе облучения [93]. В рамках этих подходов метод с использованием ультрафиолетового излучения, как самый безопасный и в то же время максимально эффективный в отношении всего спектра микроорганизмов метод обеззараживания, нашел место практически во всех схемах подготовки питьевой воды [126].

В последние годы УФ-обеззараживание сточных вод заняло лидирующие позиции в индустриально развитых странах мира. Так, в США уже более 50 % крупных и средних станций аэрации производительностью свыше 100 тыс. м3 в сутки работают на УФ-оборудовании, а более 90 % строящихся и проектируемых будут его использовать [127].

Интенсивно идет отказ от хлорирования сточных вод и переход на ультрафиолет на действующих станциях. В Южной Корее принята государственная программа, рассчитанная на 10 лет и направленная на отказ от хлорирования сточных вод и переход на УФ-метод. В Китае с 2005 г. каждый год вводятся в эксплуатацию десятки станций аэрации производительностью свыше 50–100 тыс. м3 в сутки. При этом подавляющее большинство используют УФ обеззараживание [128].

Отдельным, динамично развивающимся направлением в регионах с засушливым климатом и дефицитом пресной воды, является повторное использование доочищенных сточных вод.

В этой области УФ-метод применяется как практически безальтернативный способ с экологической, экономической и гигиенической точек зрения. УФ-облучение применяется для достижения требуемой степени защиты от возбудителей паразитарных и вирусных инфекций [127].

Один из универсальных методов подготовки воды для повторного использования и очистки стоков – озонирование [128, 129].

Первоначально озонирование использовалось исключительно для обеззараживания воды питьевого качества в системах централизованного водоснабжения. Использование озона продиктовано, прежде всего, его высоким окислительным потенциалом, уступающим по этому показателю только фтору.

Другие преимущества озона обусловлены его физико-химическими свойствами: обеззараживание, обесцвечивание, дезодорация и насыщение стоков кислородом при самопроизвольном разложении.

Окисление загрязняющих веществ возможно только растворенным озоном. Поэтому эффективность деструкции ингредиентов будет зависеть от условий смешивания озона с жидкостью и характером последней.

Растворимость озона зависит от температуры, давления, величины pH, химического состава жидкости и ряда других факторов и описывается экспоненциальным уравнением [130].

Высокая концентрация очищаемых стоков резко снижает растворимость озона. Поэтому для наиболее эффективного озонирования и снижения расхода газа необходимо предварительное осветление очищаемой жидкости, а это является дополнительной сложность применения озонирования для обеззараживания сточных вод.

Кроме того, необходимо учитывать, что в силу специфики взаимодействия озона с загрязняющими веществами и стоимости оборудования озонирование рационально использовать на завершающей стадии доочистки.

На основании изучения химического состава сточных вод полигонов ТБО и методов их очистки была разработана [105] концепция очистки стоков полигонов ТБО. Согласно этой концепции, общая технологическая схема очистки сточных вод ТБО включает такие стадии, как предварительная очистка, биохимическая очистка и доочистка. При этом на стадии предварительной очистки осуществляется подготовка воды к биохимической очистке (в частности, удаление тяжелых металлов), а на стадии доочистки – снижение минерализации (например, с помощью обратного осмоса).

Традиционно в водоподготовке используются угольные или минеральные сорбенты [131]. Однако они имеют ряд недостатков. В связи с тем, что регенерация сорбентов неэффективна, то это сорбенты одноразового использования, что экономически нецелесообразно [15]. Кроме того, использование активированного угля ограничено его высокой стоимостью, а также длительным временем установления сорбционного равновесия.

Слоистые двойные гидроксиды – наиболее распространенные глинные минералы со свойствами неорганических анионитов.

Анионные глины представляют собой слоистые двойные гидроксиды различного состава.

Наличие основных кислотных центров Бренстедовского и Льюисовского типов делает возможным протекание процесса анионного обмена во внутреннем пространстве синтетических анионных глин.

Использование слоистых двойных гидроксидов позволяет удалять из загрязненных вод, как катионы металлов, так и анионы одновременно [15].

Сорбционную очистку наиболее эффективно применять на стадии доочистки загрязненных вод.

К сожалению, существующие методы обеззараживания сточных вод не могут в полной мере или даже частично применяться для обеззараживания несанкционированных и неконтролируемых стоков полигонов твердых бытовых отходов.

Любой полигон твердых бытовых отходов представляет собой большой биохимический реактор, в недрах которого в процессе эксплуатации, а также в течение нескольких десятилетий после закрытия в результате анаэробного разложения отходов растительного и животного происхождения образуется биогаз.

Биогаз, или как его иногда называют, свалочный газ, представляет собой смесь метана и углекислого газа [133]. Наряду с названными компонентами биогаз содержит [134]: пары воды и аммиак, оксид углерода и толуол, ксилол, этилбензол, фенолы, сероводород, оксиды азота.

В таблице 1.5 приведен усредненный состав биогаза полигонов ТБО.

Известно, что протяжённость периода образования биогаза на полигонах распространяется на десятки лет, то есть значительное количество биогаза образуется и после закрытия полигона.

В начальный период (около года) процесс разложения отходов носит характер окисления, происходящего в верхних слоях отходов, за счет кислорода воздуха, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы.

Спустя год со времени закладки по мере естественного и механического уплотнения отходов и изолирования их грунтом усиливаются анаэробные процессы с образованием биогаза, являющегося конечным продуктом биотермического анаэробного распада органических составляющих отходов под воздействием микрофлоры.



Таблица 1.5


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


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

    Главная страница