Водных объектов в зоне влияния свалок



страница9/12
Дата11.10.2016
Размер2,69 Mb.
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12
РАЗДЕЛ 4

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ФИЛЬТРАТОМ СВАЛКИ ТБО

4.1. Снижение негативного воздействия свалки твердых бытовых отходов на водные объекты

Полученные результаты химических и биологических исследований фильтрата, вышедшего на поверхность, подземных вод, фильтрата из накопителя, а также состава накопленного на полигоне мусора являются основанием к разработке способов очистки сточных вод свалки ТБО с целью предотвращения загрязнения ними реки Кальмиус и Азовского моря.

Для повышения уровня экологической безопасности водных объектов необходим комплекс мероприятий, включающий в себя очистку фильтрата методом анаэробного сбраживания, дезактивацию жидкой фазы накопителя с помощью осаждения и сорбции слоистыми двойными гидроксидами (рис. 3.24). Данные меры не будут эффективными, если не устранить источник загрязнений – свалку твердых бытовых отходов. Поскольку, размещенные на свалке отходы накоплены более чем за 40 лет, целесообразным способом их переработки является рекультивация.

Наиболее эффективным, по нашему мнению, способом очистки поверхностного фильтрата является анаэробное сбраживание. Проведенный химический анализ фильтрата показал высокое содержание органического вещества, а также большое количество микроорганизмов, яиц гельминтов.

Для практического применения метода анаэробного сбраживания для дезактивации поверхностного фильтрата необходимо изучить зависимость процесса от внешних факторов, определить наиболее оптимальные условия протекания процесса сбраживания.

Свалка

твердых бытовых отходов

Мусор


на

свалке


Рекультивация

земель


Фильтрат, просочившийся на поверхность

Сбор фильтрата через систему

труб по периметру свалки

Анаэробное сбраживание

Фильтрат

накопителя



Осаждение железа

СаО (86,8 т) +шлак (347,1 т)



Сорбция фенолов

СДГ (70 т)

Сброс очищенной воды в р. Кальмиус

Выравнивание дна накопителя

металлург. шлак, <10 мм (60 т)



Засыпка придавливающего слоя металлург. шлак, <50 мм (30 т)

Засыпка верхнего слоя

металлург. шлак, остатки



Устранение накопителя

Сброс очищенной охлажденной воды в реку

Захоронение осадка на новом полигоне ТБО

Восстановление земель


Рис. 3.24. Принципиальная схема мероприятий по повышению уровня экологической безопасности водных объектов в зоне влияния свалки ТБО

Нейтрализация компонентов водной фазы отстойника включает в себя выравнивание дна накопителя, а также засыпку слоёв: нейтрализующего, адсорбирующего и придавливающего. В качестве нейтрализующей смеси рекомендуется применять оксид кальция. В качестве сорбента целесообразно использовать слоистые двойные гидроксиды.



4.2. Анаэробное сбраживание фильтрата

Мезофильное анаэробное сбраживание – биологический процесс разложения органических веществ в жидких осадках, который протекает в течение примерно 20 суток в закрытых реакторах (метантенках). Жидкие осадки тщательно перемешиваются при температуре, близкой к 35 °C, в анаэробных условиях. Обычно анаэробному сбраживанию подвергаются первичные или смешанные осадки с содержанием сухих веществ 40–80 кг/м3.

Были проведены лабораторные эксперименты по изучению кинетики процесса анаэробного сбраживания стоков. Периодическое сбраживание ила проводили в реакторе объемом 350 мл с обратным холодильником, при термостатировании. Перед началом эксперимента в суспензии ила определяли pH среды, начальное значение химического потребления кислорода (ХПК), общую обсемененность, содержание гельминтов. Температуру сбраживания варьировали в интервале от 25 до 65 °C.

При проведении процесса при 55 °C получили следующие результаты. В течение 24–25 часов образование биогаза практически не наблюдается, при этом происходит закисление среды культивирования с pH 6,4 до 4,6, далее начинается образование биогаза.

Количество биогаза возрастает экспоненциально и заканчивается через 47–49 часов. Общее количество биогаза, образовавшегося при этом равно 28–30 объемов от объема загружаемого ила.

Хроматографический анализ газа показал, что состав газа меняется в зависимости от фазы развития микроорганизмов.

На первых этапах в начальный момент газообразования состав газа 64 % метана, 35 % углекислого газа, а также примеси водорода имоноксида углерода (угарного газа CO). В середине фазы и в конце процесса процентное содержание метана возрастает до 70–73 %, а углекислого газа снижается соответственно до 26–29 %.

Изменение pH среды культивирования и низкое выделение газов свидетельствуют о двухступенчатом процессе разложения органических загрязнений: на первой стадии происходит разложение высокомолекулярных соединений до кислот – уксусной, пропиловой, масляной; и далее само метановое брожение с выделением метана и углекислого газа.

Изменение значений химического потребления кислорода в ходе процесса и газообразования прямо пропорциональны. При начальных значениях ХПК 4200–4500 мг О2/л в конце процесса очистки ХПК составило 900–110 мг О2/л.

Во время периодического культивирования были определены титр энтеробактерий и концентрация гельминтов.

Титр энтеробактерий в процессе культивирования снижался с 2,4∙105 кл/мл до 10 кл/мл. Содержание гельминтов в сброженном иле равно нулю, при среднем начальном количестве гельминтов 60–80 на 1 мл.

Последовательное развитие микрофлоры анаэробных микроорганизмов – кислотных и метанобразующих, делает периодический процесс очистки малоэффективным. Нами были предприняты попытки проведения процесса очистки в отъемно-доливном режиме, когда часть сбродившего ила удаляется из реактора и добавляется равная часть "свежего" ила. При этом оставшийся ил служит источником анаэробных микроорганизмов.

При проведении процесса по отъемно-доливной схеме варьировали долю оставляемого ила 10, 15 и 20 процентов.

Количество повторных циклов составляло четыре. Все остальные параметры процесса (температура, интенсивность перемешивания, объем инкубационной смеси) оставались постоянными.

На процесс анаэробного сбраживания основное влияние оказывают следующие факторы: наличие ингибиторов и токсичных веществ, концентрация микроорганизмов, pH среды, окислительно-восстановительные условия среды [164]. Данные по сбраживанию ила приведены в табл. 3.14.

Таблица 3.14

Результаты сбраживания ила


№ цикла

Время,

час


Объем биогаза, л/л

ХПК конечн.,

мг О2



10 % остатка ила

1

24–25

28

980

2

18–19

24

965

3

15–16

25

925

4

12–13

25

920

15 % остатка ила

1

24–25

30

990

2

16–17

25

955

3

14–15

26

945

4

12–13

26

890

20 % остатка ила

1

24–25

29

965

2

15–16

23

860

3

13–14

24

845

4

11–12

24

830

C увеличением доли оставляемого сброженного ила, который служит инокулятом, продолжительность процесса очистки снижается.

В каждом последующем цикле длительность фазы кислотного гидролиза также снижается, то есть происходит адаптация микрофлоры активного ила, развивающегося в метантенке.

Согласно литературным данным [165] влияние температуры на процессы сбраживания очень существенное. Различают процессы сбраживания при температурах 35–37, 45–47 и 55–65 °C.

Проведение сбраживания при температурах 55–65 °C считается наиболее перспективным [165]. Нами были проведены процессы сбраживания во всех приведенных интервалах температур.

Процессы сбраживания происходят при всех температурах, но скорость сбраживания резко отличается. Так, при проведении сбраживания в условиях комнатной температуры (без термостатирования) процесс продолжался в течение 4 недель. При этом выход газа снижался с 28–30 до 5–8 объемов на один объем жидкости. Состав газа включал метан – 63 % и углекислый газ – 36 %.При низких температурах наблюдалось достаточно высокое значение остаточного ХПК (2800 мгО2/дм3). Данные по влиянию температуры на параметры сбраживания приведены в табл. 3.15.



Таблица3.15

Зависимость эффективности сбраживания ила от температуры



Температура, °С

Кислотная фаза,

час


Фаза брожения, час

Объем биогаза,

л/л


ХПК конечн.,

мг О2/дм3



1

20–22

4 сут.

4 нед.

5–8

2800

2

35–37

48–66

70–72

22–24

1250

3

55–56

24–25

25

28–30

900

4

63–66








Как уже отмечалось, в общем случае процесс микробиологического анаэробного сбраживания описывает уравнение Михаэлиса–Ментен:



,

где C –концентрация субстрата.

При невысоких концентрациях, когда , скорость реакции описывается уравнением первого порядка, зависимость прямо пропорциональная:

.

Такой процесс наблюдается в начальный период сбраживания.

При очень высоких концентрациях субстрата, когда , процесс описывается кинетическим уравнением нулевого порядка; скорость процесса практически не зависит от концентрации субстрата:

.

Такие кинетические уравнения подчиняются законам Аррениуса, естественно, в том температурном диапазоне, где не происходит гибели микроорганизмов.

В начальный период процесса скорость реакции можно описать уравнением, учитывающим как изменение ХПК, так и увеличение объема выделившегося биогаза:

,

.

Основываясь на том, что концентрация ила в фильтрате невелика, кинетическую модель строили из предположения, что процесс описывается уравнением первого порядка.

На рис. 3.25 показаны данные по изменению ХПК во времени при различной температуре.

Прологарифмировав результаты изменения показателя ХПК в процессе сбраживания (рис. 3.25), получаем прямо пропорциональную зависимость, приведенную на рис. 3.26.

Прямо пропорциональная зависимость подтверждает нашу гипотезу о первом порядке по субстрату и позволяет определить активационные параметры процесса.


Рис. 3.25. Изменение показателя ХПК в процессе сбраживания

при различных температурах:

1 – 22 °C; 2 – 36 °C; 3 – 55 °C.


Рис. 3.26. Полулогарифмическая зависимость ХПК от температуры:



1 – 22 °C; 2 – 36 °C; 3 – 55 °C.
Значения констант скорости при различных температурах показаны в таблице 3.16.

Таблица 3.16

Константы скорости при различной температуре




22 °C

36 °C

55 °C

k, час–1

0,0045

0,028

0,051

Зависимость константы скорости от температуры описывает рис. 3.27.



;

.

Для определения энергии активации построим график в координатах: логарифм константы скорости от обратной температуры (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Зависимость константы скорости от обратной температуры
Энергия активации равна:

E = 6141∙8,314 = 51,056 кДж/моль.

Полученное значение энергии активации говорит о том, что процесс протекает в кинетической, а не в диффузионной области, что означает, что скорость собственно всего процесса определяется активностью микроорганизмов, скоростью анаэробного процесса, а не процессами доставки субстрата. Такие условия достигаются при интенсивном перемешивании сбраживаемой массы в ходе процесса.

Кроме того, высокое значение энергии активации говорит о высокой температурной чувствительности процесса, что позволяет интенсифицировать весь процесс анаэробного сбраживания за счет повышения температуры. С другой стороны, высокое значение энергии активации говорит о необходимости подачи значительного количества тепла в начальной стадии анаэробного сбраживания.

При температуре 63–66 °C процесс обеззараживания не проходил в течение семи суток, что может свидетельствовать о полной гибели микрофлоры ила.

Существенным является то, что при различных температурах очистки содержание энтеробактерий и содержание гельминтов различны.

Так, при температурах ниже 37 °C количество энтеробактерий даже возрастает в сравнении с начальными значениями, увеличивается и содержание гельминтов. Увеличение температуры до 45 °C приводит к гибели гельминтов, но в иле еще присутствует достаточно большое количество энтеробактерий, и лишь при температуре 55 °C содержание энтеробактерий резко снижается.

Проведение реального процесса обеззараживания сопровождается колебаниями температуры, поддерживаемой в аппарате. Уменьшение температуры ниже оптимального значения 55–56 °C не приводит к необратимым процессам для очистки. При этом лишь снижается скорость.

Повышение температуры до 65–70 °C в течение 1 часа приводит к резкому снижению скорости очистки и процесс газообразования не возобновляется в течение 4 суток.

Одним из возможных отклонений от регламентного режима очистки можно прогнозировать кратковременное охлаждение реактора, в котором проходит процесс очистки.

Для исследования поведения системы нами были проведены эксперименты, в которых во время процесса сбраживания ила реактор охлаждался до 8–10 °C на 1,5–24 часа соответственно. При этом изучали кинетику выделения газа, как во время охлаждения, так и после него.

Резкое снижение температуры приводит к остановке процесса сбраживания уже через 10–15 минут после начала охлаждения.

Повторный прогрев реактора и вывод температуры на заданный уровень через указанные интервалы времени приводили к возобновлению брожения, однако по мере увеличения времени охлаждения увеличивалось время, необходимое клеткам для выхода из температурного стресса.

Так, при продолжительности охлаждения 1 час выход клеток из температурного шока составил 1,5 часа, при 5 часах – 6 часов, при 24 – 12-16 часов. Кратковременное охлаждение не привело к последующему изменению в качественных и количественных характеристиках процесса очистки.

Разбавление субстрата водой не только уменьшает концентрацию, но и приводит к более глубоким изменениям в процессе сбраживания. Были проведены исследования по изучению скорости сбраживания разбавленных стоков. Стоки разбавляли водой в соотношениях: вода/ил – 10/90, 20/80, 40/60. Результаты экспериментов приведены в табл. 3.17.



Таблица 3.17

Результаты сбраживания при разбавлении ила водой



Соотношение вода / ил

Кислотная фаза,

час


Фаза брожения, час

Объем биогаза,

л/л


ХПК конечн., мг О2

1

10 / 90

28–29

24–25

26

740

2

20 / 80

40–42

30–32

20

720

3

40 / 60

процесс брожения не начался в течение 7 суток

Резкое снижение скорости очистки при разбавлении стоков водой мы объясняем тем, что в воде присутствует в достаточном количестве кислород.

Он полностью и необратимо ингибирует процессы брожения, так как микроорганизмы, развивающиеся в метантенках, являются строгими анаэробами – не переносят даже незначительных концентраций растворенного кислорода.

Необратимые изменения микрофлоры при контакте с кислородом воздуха подтверждены в экспериментах с принудительным аэрированием.

Аэрирование ила в течение пяти минут приводило к необратимым последствиям.

Скорость сбраживания снижалась до нуля и не возобновлялась в течение 4 суток.

Исследуемый ил можно сбраживать с образованием биогаза и существенным снижением загрязнений.

Оптимальной температурой процесса сбраживания можно считать 54–55 °C. При температуре 37–40 °C начинается гибель яиц гельминтов и увеличивается количество микроорганизмов.

Рост и размножение микроорганизмов начинается при температуре выше 40 °C. Необходимо использовать отъемно-доливной либо непрерывный способы организации процесса.

Стоки перед направлением в метантенке не должны долго контактировать с воздухом.

В ходе процесса анаэробного сбраживания определяли содержание микроорганизмов и яиц гельминтов. Изучали эффективность очистки при 22, 35, 55 и 65 °С.

Пробы фильтрата отбирали каждые 12 часов и определяли общее микробное число, содержание бактерий группы кишечной палочки и яиц гельминтов.

Результаты исследований приведены в таблице 3.18.



Таблица 3.18

Результаты очистки анаэробным сбраживанием

Показатели

норматив

Начальное содержание

Конечное содержание, °C

22

37

55

Общее микробное число, кл/дм3

Не нормируется

7,0·109

1,8·104

3,7·106

Не

выявлены


Коли-индекс

1·103

2,4·105

8,1·102

2,2·106

Не

выявлены


Патогенные микроорганизмы

Отсутствие

Присутствие

Присутствие

Присутствие

Не

выявлены


Яйца гельминтов,

шт/дм3



Отсутствие в 25 дм3

63

22

14

Не

выявлены



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