Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ условий функционирования полигонов ТБО как источника загрязнения гидросферы 9
1.1. Анализ систем управления твердыми бытовыми отходами 9
1.1.1. Морфологический состав ТБО 11
1.1.2. Жизненный цикл полигона ТБО 15
1.1.3. Водный баланс полигона ТБО 25
1.2. Характеристика химического состава фильтрационных вод 27
1.2.1. Органические соединения 28
1.2.2. Неорганические соединения 30
1.2.3. Химический состав фильтрационных вод полигонов ТБО, находящихся на различных этапах жизненного цикла 33
1.3. Микробиологический состав фильтрационных вод 37
1.4. Анализ существующих технологий обезвреживания фильтрационных вод полигонов ТБО 39
ГЛАВА 2. Характеристика объекта исследования. Объемы и методы исследования
2.1. Характеристика объекта исследования 47
2.1.1. Характеристика морфологического состава ТБО г. Чусового 47
2.1.2. Геологические и гидрогеологические особенности площадки размещения полигона ТБО и ПО г. Чусового 48
2.1.3. Физико-химическая характеристика фильтрационных вод 51
2.1.4.Анализ влияния полигона на объекты окружающей среды 54
2.2. Объемы и методы исследования 56
2.2.1. Методы исследования состава фильтрационных вод полигона, поверхностных и подземных вод в зоне его влияния 57
2.2.2. Методики проведения исследования очистки фильтрационных вод электрохимическими методами 59
2.2.3.Методики проведения исследования очистки фильтрационных вод биосорбционными методами 60
2.2.4. Статистическая обработка результатов 60
ГЛАВА 3. Применение методов гальванокоагуляции для очистки фильтрационных вод полигонов ТБО 62
3.1. Теоретический анализ процесса гальванокоагуляции и выбор оптимальных условий очистки фильтрационных вод 62
3.1.1. Термодинамика процесса гальванокоагуляции 62
3.1.2. Кинетические особенности процесса гальванокоагуляции 66
3.1.3.Агрегация и коагуляция частиц в процессе гальвано коагуляции 68
3.2. Экспериментальные исследования очистки фильтрационных вод методом гальванокоагуляции 70
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования обезвреживания фильтрационных вод биосорбционным методом 78
4.1. Выбор сорбционных материалов 79
4.2. Применение методов сорбции и биосорбции для обезвреживания фильтрационных вод 83
ГЛАВА 5. Разработка технологических решений, направленных на снижение экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла
5.1. Технологические схемы очистки ФВ полигонов ТБО, находящихся на завершающих этапах жизненного цикла 97
5.2. Характеристика комплексной технологии обезвреживания фильтрационных вод полигона ТБО и ПО г. Чусового 98
5.2.1. Технологическая схема комплексной очистки фильтрационных вод полигона ТБО и ПО г. Чусового 98
5.2.2. Расчёт основных технологических параметров схемы очистки
5.3. Оценка предотвращённого экологического ущерба от загрязнения поверхностных и подземных вод 105
5.4. Экономическая оценка комплексной технологии очистки фильтрационных вод полигона ТБО и ПО г. Чусового 108
ВЫВОДЫ ПО
Литература 112
- Анализ систем управления твердыми бытовыми отходами
- Физико-химическая характеристика фильтрационных вод
- Теоретический анализ процесса гальванокоагуляции и выбор оптимальных условий очистки фильтрационных вод
Введение к работе
Снижение негативного воздействия полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) на гидросферу является одной из крупных экологических проблем урбанизированных территорий.
В массиве отходов под действием атмосферных осадков, отжимных вод, биохимических процессов их разложения образуются фильтрационные сточные воды (ФВ), характеризующиеся сложным химическим составом, высоким (в сотни раз превышающим ПДК) содержанием токсичных органических и неорганических веществ, наличием бактериального загрязнения. При отсутствии надежной противофильтрационной защиты, системы сбора, очистки и отведения ФВ, что характерно для большинства российских полигонов, они являются длительным источником загрязнения поверхностных и подземных вод.
В связи с тенденцией к закрытию, рекультивации старых свалок ТБО и строительству современных полигонов актуальна разработка технологических и организационных мероприятий, направленных на минимизацию воздействия полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла полигона (после 20 лет эксплуатации объекта).
Диссертационная работа посвящена проблемам обоснования методов обезвреживания ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла полигона и разработке технологических решений по снижению воздействий полигона ТБО на объекты гидросферы. Работа базируется на исследованиях процессов деструкции ТБО, образования ФВ, проведенных специалистами агентства по охране окружающей среды США (М. Barlaz, R. Ham, Н. Belevi, P. Baccini), Академии коммунального хозяйства (Н.Ф. Абрамов и др.), кафедры охраны окружающей среды ПермГТУ (Я.И. Вайсман, В.Н. Коротаев, Л.В. Рудакова), на работах специалистов институтов РАН и ВУЗов, НИИ ВОДГЕО, направленных на решение проблемы очистки сточных вод биохимическими и физико-химическими методами (СВ. Яковлев, В.Н. Швецов, A.M. Когановский, А.Д. Смирнов и др.), а также собственных исследований, проведенных в 2000 -2006 г.г.
Объект исследования. Полигоны ТБО на завершающих этапах жизненного цикла, ФВ полигонов ТБО.
Предмет исследования. Анализ функционирования полигона ТБО как источника загрязнения объектов гидросферы. Закономерности обезвреживания ФВ электрохимическими, сорбционными и биосорбционными методами.
Цель работы. Обоснование методов и разработка технологических решений, обеспечивающих снижение воздействий полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• Исследовать условия функционирования полигонов ТБО как источника загрязнения объектов гидросферы.
• Проанализировать условия формирования ФВ полигонов захоронения ТБО, выявить основные факторы, влияющие на объем, физико-химический и микробиологический состав ФВ.
• Исследовать химический состав и свойства ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла и оценить их воздействие на объекты гидросферы.
• Разработать принципы выбора методов и технологических решений, направленных на минимизацию воздействий полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.
• Исследовать закономерности извлечения из ФВ коллоидных, взвешенных веществ и ионов тяжелых металлов методом гальванокоагуляции с использованием отходов производства, определить оптимальные условия проведения процесса гальванокоагуляции.
• Исследовать закономерности обезвреживания ФВ сорбционными и биосорбционными методами.
• Разработать технологические решения, обеспечивающие снижение экологической нагрузки полигонов захоронения ТБО, находящихся на завершающих этапах жизненного цикла, на объекты гидросферы. Научная новизна.
1. Выявлены условия формирования объема и состава ФВ полигонов ТБО на завершающих этапах жизненного цикла.
2. Установлены закономерности извлечения из ФВ коллоидных, высокомолекулярных загрязняющих веществ, ионов тяжелых металлов методом гальванокоагуляции с использованием в качестве гальванрпар -отходов производств: железного и/или алюминиевого скрапа и углеродсодержащих отходов целлюлозно-бумажной промышленности.
3. Выявлено, что при сорбционной очистке ФВ процесс адсорбции органических примесей протекает в мезопорах и части макропор пористых материалов, и для их извлечения необходимо использовать мезопористые углеродные сорбенты.
4. Установлены закономерности обезвреживания ФВ биосорбционными методами. Обоснована возможность использования углеродсодержащих отходов и металлургического шлака в качестве загрузки биосорбционного фильтра. Определен биоценоз, формирующийся на поверхности фильтрующих материалов в процессе очистки ФВ.
5. Разработан биосорбционный многослойный фильтр с использованием в качестве загрузочных материалов сорбента-Н, металлургического шлака и коры длительного срока хранения. Установлены оптимальные технологические параметры и эффективность очистки ФВ в лабораторных и опытно-промышленных условиях.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается применением современных методов анализа и обработки результатов лабораторных и опытно-промышленных исследований, воспроизводимостью результатов исследований, положительным опытом реализации предлагаемых технических решений на полигоне ТБО г. Чусового.
Практическая значимость.
Разработаны методы обезвреживания ФВ полигонов ТБО с использованием отходов производств: металлургического шлака, стального или алюминиевого скрапа, недожога, образующегося при сжигании окорки древесины на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности.
Обоснованы технологические решения, направленные на минимизацию воздействия полигонов ТБО на гидросферу на завершающих этапах жизненного цикла.
Разработана технологическая схема очистки ФВ полигона ТБО и ПО г. Чусового, которая использована в проекте рекультивации полигона. Проведен технико-экономический анализ и оценка экологической эффективности технологии очистки ФВ на завершающих этапах жизненного цикла.
Личный вклад автора заключается в разработке методик проведения исследований, анализе и обобщении литературных данных и результатов собственных исследований, в разработке технологических решений по очистке ФВ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Закономерности формирования химического состава и объема ФВ полигонов захоронения ТБО на завершающих этапах жизненного цикла.
2. Закономерности и механизмы удаления из ФВ органических высоко- и низкомолекулярных, а также коллоидных соединений, комплексных и гидратированных ионов тяжелых металлов методами гальванокоагуляции, сорбции и биосорбции.
3. Технологические решения, направленные на снижение экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты гидросферы на завершающих этапах жизненного цикла.
Анализ систем управления твердыми бытовыми отходами
Одной из нерешенных экологических проблем современности в области охраны окружающей среды остается проблема утилизации и обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО), образующихся в результате жизнедеятельности людей и удаляемых ими как нежелательные или бесполезные.
К ТБО относятся отходы коммунально-бытового хозяйства, торговых предприятий, медицинских и образовательных учреждений, муниципальных служб [1, 8, 50].
В настоящее время одним из основных методов санитарной очистки городов и населенных пунктов от ТБО является депонирование их на полигонах или свалках, где в течение длительного времени (десятки и сотни лет) протекают сложные физико-химические и биохимические процессы разложения отходов. Полигон захоронения ТБО представляет собой комплекс природоохранных сооружений, предназначенных для складирования, изоляции и обезвреживания отходов и обеспечивающих защиту атмосферы, почвы, поверхностных и подземных вод от" загрязнений [23].
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 жизненным циклом полигона, основные этапы которого представлены в табл. 1.1. Впервые понятие жизненного цикла полигона было введено в фундаментальных исследованиях процессов биодеструкции отходов P.Baccini, M.Barlaz и развито в работах В.Н. Коротаева [29,81, 83, 84]. К завершающим этапам жизненного цикла полигона можно отнести период его эксплуатации, превышающий проектный срок (после 20 лет депонирования отходов), рекультивацию и этапы постэксплуатации.
Типичный полигон захоронения, где отходы складируются по картам депонирования или отсекам, можно рассматривать как биохимический реактор периодического действия, в котором в течение десятков и сотен лет протекают сложные физические, химические и биохимические многостадийные процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями загрязняющих веществ в объекты биосферы [48,125].
Воздействие полигона на окружающую среду обусловлено образующимися при деструкции ТБО фильтрационными водами (ФВ) и биогазом.
ФВ формируются в результате инфильтрации атмосферных осадков, отжимных вод, биохимических и химических процессов разложения отходов, сопровождающихся образованием воды, и на протяжении всего жизненного цикла полигона являются источником загрязнения почв, поверхностных и подземных вод. Многочисленные исследования, проведенные зарубежными и российскими учеными, показали, что химический и микробиологический состав ФВ полигонов и их объем зависят от ряда факторов: гидрогеологических, климатических, топографических, морфологии ТБО, этапа биохимической деструкции и жизненного цикла полигона, условий складирования, предварительной обработки отходов и др. [8, 50, 61, 62, 77, 81,82,97,111,112,121,136,148,].
Физико-химическая характеристика фильтрационных вод
ФВ скапливаются в естественном углублении рельефа местности в 200 м от северо-восточной границы массива отходов. Площадь зеркала водоёма порядка 0,25 га, берега водоёма покрыты в основном травянистой и кустарниковой растительностью, способной выживать в неблагоприятных экологических условиях - мятликом луговым, лютиком едким, ситником членистым, козьей ивой и др.
Формирование линз ФВ носит сезонный характер. В период межени происходит разгрузка избыточных ФВ. Наиболее выраженное влияние свалки характерно для периода весеннего половодья, когда талые воды формируют поверхностный сток с площадки захоронения.
Объем ФВ полигона, накапливаемых за год, рассчитанный по формуле, предложенной Н.Ф. Абрамовым [34] (формула 1.З.), составляет 29,7 тыс. м3.
Усредненные результаты анализа химического состава и органолептических свойств ФВ, отобранных из водоема представлены в табл. 2.1. [39]
Исследования показали, что ФВ имеют слабокислую реакцию среды, величина рН составляет 6,0-6,3. Величина ХПК составляет 680,50 мгСУл. В анализируемых водах содержится незначительное количество хлоридов. Низкое значение отношения БПКП0ЛН/ХПК показывает, что в воде присутствуют биорезистентные примеси.
Низкое содержание нитритов и нитратов в пробах свидетельствует о торможении биохимических процессов в естественных условиях.
Цветность ФВ обусловлена содержанием в них высокомолекулярных соединений гумусовой природы, которые представляют собой комплекс органических веществ - продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами [20, 30, 144] .Источником ароматических соединений могут быть структурные единицы, освобождающиеся при биохимическом разложении целлюлозы, лигнина и дубильных веществ, и полифенолы, являющиеся продуктами жизнедеятельности и обмена веществ микроорганизмов. Источник азотсодержащих соединений - протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений.
Теоретический анализ процесса гальванокоагуляции и выбор оптимальных условий очистки фильтрационных вод
Экспериментальные исследования по применению ГК проводили на ФВ, отобранной из тела полигона ТБО г. Чусового, химический состав которой представлен в табл. 2.1.
Достаточно высокое солесодержание (5900 мг/дм), электропроводность воды (9,5 mS/см), наличие в воде ионов хлора (1830 мг/дм3), оказывающих депассивирующее действие на материалы анодных участков, позволилр полагать о целесообразности применения метода ГК для очистки ФВ.
При выборе углеродсодержащих материалов в качестве катодной составляющей гальванопары учитывали их сорбционные свойства. В качестве катодных элементов гальванопары были выбраны сорбент-Н и отход древесного угля-сырца (отсев). Процесс очистки ФВ проводили в статическом и динамическом режимах.
Целью проведения процесса в статических условиях являлся выбор наиболее эффективных гальванопар, определение их оптимальных соотношений (методика описания эксперимента представлена в главе 2). Исследования проводили в лабораторном гальванокоагуляторе емкостью 1 л, снабженном механическим перемешивающим устройством. В экспериментах железную стружку предварительно обезжиривали в растворе щелочи, а углеродсодержащие материалы были отмыты горячей водопроводной водой.
Для активизации процесса ГК материалы обрабатывали раствором серной кислоты в течение суток при рН = 4,0-4,5. После удаления кислоты в емкость добавляли очищаемую воду (рН=7,5-8,0) и проводили процесс очистки при перемешивании суспензии.
Предварительные эксперименты показали, что процесс ГК протекает до равновесного состояния в течение 0,5-3 часов, поэтому длительность эксперимента во всех опытах составляла 3 часа. В работе соотношения токопроводящих материалов варьировали в пределах от 0,25-4 г/дм3. Эффективность очистки ФВ контролировали по изменению величины ХПК, цветности и содержанию в воде хлорид-ионов и ионов металлов. Результаты экспериментов с использованием в качестве токообразующих материалов железного скрапа и углеродсодержащих образцов (сорбент-Н, отход древесного угля-сырца (отсев)) представлены в табл. 3.2. Проведенные эксперименты показали, что в качестве катодного элемента гальванопары наиболее целесообразно использовать сорбент-Н, обладающий достаточно развитой пористой структурой.
В этом случае он является одновременно катодной составляющей гальванопары и адсорбентом, концентрирующим на своей поверхности органические соединения. Оптимальное соотношение реагентов сорбент Н -железные опилки - 1:2, эффективность очистки по ХПК составляла 60 %, по цветности - 80 %, содержание ионов хлора 65%.
При оптимальном соотношении компонентов было измерено напряжение в гальванокоагуляторе, которое составило 0,54 В, что согласуется с теоретическим расчетом, рН очищенной воды составляло 6,2-6,5.
Незначительное снижение величины рН объясняется предварительной обработкой реагентов раствором кислоты.
