Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих технологий совместного размещения ОСВ и ТБО 9
1.1. ОСВ и технологии их предварительной подготовки перед размещением в окружающей среде 9
1.1.1. Технологии, применяемые в условияхКОС 12
1.1.2. Технологии, применяемые в условиях ОРО 17
1.2. Полигон ТБО, как природно-техническая система обработки ОСВ 26
1.2.1. Полигон ТБО — сложный геотехнический объект 26
1.2.2. Параметры определяющие способность полигона ТБО принимать ОСВ 26
Выводы по главе 1 32
Глава 2. Объекты и методики исследований. Методы обработки экспериментальных данных 35
2.1. Характеристики исследованных ОСВ 36
2.2. Характеристика объекта совместного размещения и обработки ОСВ 37
2.3. Методика оценки состояния свалочного грунта 40
2.4. Описание опытной площадки. Методика производства полевых экспериментов по нагнетанию и обработке ОСВ 42
2.5. Математический аппарат, использованный при написании работы 47
Глава 3. Размещение осадков сточных вод на полигоне ТБО 51
3.1. Анализ состояния свалочного тела. Его цифровая и геометрическая интерпретация 51
3.2. Дифференцирование свалочного тела на зоны неоднородного состава вещества с использованием метода главных компонент... Теоретические предпосылки размещения осадков сточных вод в
3.3. Толще свалочного тела. Расчет параметров процесса фильтрации и размеров сетки нагнетательных скважин 56
4 3.4. Экспериментальное подтверждение размещения осадков в
толще свалочного тела. Обсуждение результатов 62
Глава 4. Аэробная биоконверсия ОСВ в толще свалочного тела 69
4.1. Теоретические предпосылки аэробного биоразложения органического вещества 70
4.2. Исследования по аэробному биоразложению ОСВ в толще свалочного тела. Обсуждение результатов эксперимента 73
4.3. Выводы по главе 4 76
Глава 5. Практическая реализация технологии размещения и обработки ОСВ в условиях полигона ТБО 77
5.1. Технологический регламент и конструктивное оформление совместного размещения и переработки ОСВ в условиях полигона ТБО 77
5.1.1. Требования, предъявляемые к ОСВ 77
5.1.2. Требования, предъявляемые к ОРО 78
5.1.3. Конструктивное оформление технологии нагнетания осадков и их интенсивного компостирования в толще свалочного тела 80
5.2. Позиционирование технологии в системе «КОС — ОРО» 82
5.2.1. Эколого-экономические принципы позиционирования 82
5.2.2. Позиционирование в условиях градопромышленного района с числом жителей до 200 тыс. чел 86
5.2.3. Позиционирование в условиях градопромышленного района с числом жителей до 700 тыс. чел 86
5.2.4. Позиционирование в условиях градопромышленного района с числом жителей 1000 тыс. чел. и более 89
5.3. Технико-экономическая оценка технологии 89
Выводы 92
Литература 93
Приложения 117
- ОСВ и технологии их предварительной подготовки перед размещением в окружающей среде
- Характеристика объекта совместного размещения и обработки ОСВ
- Анализ состояния свалочного тела. Его цифровая и геометрическая интерпретация
Введение к работе
Осадки сточных вод являются одним из наиболее крупнотоннажных органо-минеральных отходов города [1]. Их утилизация сдерживается и в настоящее время ОСВ, совместно с ТБО, размещаются на полигонах с нарушением требований охраны окружающей среды [2].
Вывоз ОСВ на полигон требует специального инженерного обустройства объекта и разработки научно-обоснованной технологии размещения и обработки в контакте с веществом свалочного тела.
Предварительная обработка осадков может производиться также и на КОС. Она предполагает минерализацию ОСВ в метантенках или аэробных стабилизаторах, естественную сушку на иловых площадках, механическое обезвоживание, термическую сушку и др. [3].
Анализ существующего обращения с ОСВ показывает, что из-за
высоких затрат, а иногда и полного отсутствия узлов обработки, в практике
ряда региональных КОС распространен вывоз жидких осадков на
полигоны и полив поверхности рабочих карт [4]. Это приводит к
неполному использованию емкости полигона, ухудшению его санитарного
состояния и загрязнению всех компонентов окружающей среды. ^-
Наиболее эффективным способом обработки осадков в условиях полигона выступает компостирование [5]. Однако современные воззрения на процесс полигонного компостирования требуют совершенствования технологии для максимального использования полезной вместимости объекта размещения отходов и минимизации отрицательного воздействия на все компоненты экосистем [6].
Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по утилизации и размещению ОСВ изложили в своих научных трудах отечественные и зарубежные исследователи: С.В.Яковлев, Ю.В.Воронов, А.З.Евилевич, И.С.Туровский, Я.И.Вайсман, Л.И.Гюнтер, А.М.Гонопольский, С.В.Храменков, A.Koenig, R.C.Sommers, B.Hultman и др.
Несмотря на глубину выполненных исследований, предлагаемые технологии утилизации и размещения сопряжены с высокими экономическими затратами и не могут быть в полной мере реализованы.
Целью настоящей работы является совершенствование технологии комплексного размещения и обработки осадков сточных вод в условиях полигонов ТБО с максимальным использованием объема свалочного тела и минимизацией воздействия на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
анализ существующих технологий совместного полигонного размещения и обработки осадков сточных вод и твердых бытовых отходов;
- разработка требований к осадкам сточных вод перед их размещением
на полигонах;
- исследование характеристик тела полигона, оценивающих его
способность принимать осадки сточных вод и перерабатывать их с
использованием методов биохимического разложения;
- использование многомерного анализа для выявления в теле полигона
режимных областей, способных перерабатывать органическое вещество
осадков с различной интенсивностью;
проведение промышленного эксперимента по совместному размещению и компостированию осадков сточных вод в толще свалочного тела крупного полигона ТБО;
- расчет и конструктивное оформление технологии интенсивной
полигонной обработки осадков;
разработка научно-обоснованного регламента управления и контроля над ходом процесса биоконверсии осадков сточных вод в толще свалочного тела;
позиционирование технологии в системе «канализационные очистные сооружения — объект размещения отходов» применительно к условиям крупной градопромышленной агломерации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- использование полигона твердых бытовых отходов для утилизации
ОСВ с минимизацией антропогенного воздействия путем нагнетания осадков
в толщу полигона;
- исследованы параметры полигона твердых бытовых отходов,
характеризующие его способность вмещать ОСВ и биоразлагать их
органическое вещество: коэффициенты пористости, влагонасыщения,
фильтрации, исходное содержание органического вещества,
микробиологические и температурные показатели с позиций размещения
ОСВ;
метод оценки массива отходов, как системы дифференцированных режимных областей, с позиций размещения ОСВ в толще отходов;
получены экспериментальные зависимости распада органического вещества в смесях ОСВ и ТБО от времени их пребывания в толще свалочного тела.
Практическая значимость и реализация работы
1. Оценена возможность использования полигона твердых бытовых
отходов в качестве объекта комплексного размещения и обработки
крупнотоннажных партий жидких осадков сточных вод.
На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработана технология совместного размещения и интенсивной обработки осадков сточных вод в толще свалочного тела.
Технология апробирована в опытно-промышленных условиях полигоне ТБО г. Тольятти и внедрена в практику рабочего проектирования очередей совместного размещения ТБО и ОСВ на карьерном полигоне «Даниловский-2» Ставропольского района Самарской области.
4. Полигоны ТБО Самарской области позиционированы в блоке с
наиболее крупными КОС в качестве взаимоувязанных объектов генерации,
приема, размещения и переработки осадков сточных вод с минимизацией
негативного воздействия на компоненты экосистем.
Автор выносит на защиту:
концепцию использования полигона твердых бытовых отходов в качестве инженерного сооружения комплексного размещения и обработки осадков сточных вод;
метод оценки свалочного тела, как системы дифференцированных зон биоразложения осадков сточных вод с различной интенсивностью;
8 - результаты экспериментальных исследований по нагнетанию и аэробной биодеструкции осадков сточных вод в толще свалочного тела;
научно-обоснованную технологию и конструктивное оформление полигонной обработки осадков сточных вод с использованием методов интенсивного компостирования;
алгоритм распределения потоков осадков сточных вод крупной
градопромышленной агломерации в системе «КОСы — полигоны» с
минимизацией транспортных расходов и воздействий на окружающую среду.
Научные разработки построены на результатах исследования
высоконагружаемого полигона ТБО г. Тольятти Самарской области и анализа лабораторных и полупромышленных экспериментов. Анализы физико-химических и микробиологических показателей осадков, свалочного грунта и их смесей, выполнены по стандартным методикам в аккредитованной Госстандартом России лаборатории НЦПЭ СамГТУ. Обработка результатов выполнена с использованием апробированных математических методов. Эффективность разработанной технологии совместного размещения ОСВ и ТБО подтверждена внедрением.
Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете в рамках Федеральных программ «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» и «Интеграция науки и высшего образования России».
ОСВ и технологии их предварительной подготовки перед размещением в окружающей среде
К осадкам сточных вод (ОСВ) относятся все примеси, задержанные первичными и вторичными отстойниками, флотационными, фильтрационными и другими сооружениями после механической, биологической и физико-химической очистки [1,7,8,9,10,12].
ОСВ городских КОС разделяются на осадки первичных отстойников, избыточные активные илы и биопленки, а также их смеси. Осадки могут быть сырыми, минерализованными (сброженными) в широком диапазоне влажностей (70-99,5%) и зольностей (20-50%). Суммарный объем осадков составляет 0,5...2% от общего объема очищаемых вод. [7,11,12]. Литературный анализ и собственный опыт показывают, что объем ОСВ в отходообразующем пространстве крупного градопромышленного региона сопоставим по величине с объемом ТБО. В табл. 1.1. представлены сведения по объемам образования осадков наиболее крупных станций аэрации Самарской области — развитого промышленного региона РФ [8]. Здесь ежегодно образуется более 5 млн. м3 СО и ИАИ, большая часть которых после весьма несовершенной обработки или складируется поблизости от иловых площадок, или вывозится на объекты размещения отходов. Осадки крайне неоднородны по фракционному составу, влажности, содержанию беззольного вещества, микроэлементов и т.д. По сравнению с неочищенными СВ концентрации токсичных веществ в ОСВ на 2-3 порядка выше. С одной стороны, осадки содержат биогенные элементы и гумус, необходимые для питания растений. С другой стороны, высокая влажность, содержание легкоразлагаемои органики, тяжелых металлов сдерживают применение ОСВ в качестве удобрений под культуры, используемые в рационе животных и человека [11].
Характеристика объекта совместного размещения и обработки ОСВ
В качестве объекта исследования совместного размещения и интенсивной обработки осадков был выбран усовершенствованный высоконагружаемый полигон ТБО г. Тольятти. Исследованный полигон, является типичным объектом размещения органно-минеральных отходов крупного промышленного региона Среднего Поволжья. Мощность полигона по ТБО 1100 тыс. м /год. Полигон рассчитан на 20 лет эксплуатации [8,121].
Полигон выполнен в отработанном карьере по площади 13 га с проектной толщиной складирования— 30,5 м, из которых 14 м — выполняются в выемке карьера и 16,5 м — в насыпи над бровками котлована. В соответствии с рабочим проектом, размещение отходов осуществляется по очередям. Всего предусмотрено 3 очереди складирования вплоть до 2024 г. Полная проектная вместимость полигона по уплотненным отходам - 6 млн. м . С 2004 по 2008 г.г. заполняется, первая очередь полигона. Автор принимал участие в рабочем проектировании полигона и техническом надзоре за эксплуатацией его первой очереди.
Основание и откосы котлована полигона спланированы и оборудованы современным пленочным гидроизоляционным экраном. В основании котлована участка складирования устроена система трубчатого перфорированного дренажа для принудительного сбора и отведения фильтрационного стока в пруд-испаритель с последующей насосной рециркуляцией на поверхность рабочих карт для их увлажнения.
Максимальная высота массива отходов первой очереди на момент производства исследований (2005-2007 гг.) составляла около 10 м. Средняя плотность отходов, поступающих на полигон - 0,25 т/м . Отходы размещались на рабочих картах и уплотнялись при помощи компактора РЭМ-25 (Германия) до средней плотности — 0,8 т/м3. Первая очередь полигона была отсечена дамбой и имела форму неправильного четырехугольника с размерами сторон 220 х 150 м. Размещение отходов на первой очереди начиналось с переменных отметок 65,00-66,00 до переменных отметок 74,00-75,00 слоями толщиной 2,0 - 2,5 м, с учетом материала промежуточной санитарной засыпки [106].
Анализ состояния свалочного тела. Его цифровая и геометрическая интерпретация
Анализ данных и геометрической модели позволил установить, что конфигурация массива имеет неоднородную структуру. Именно глубина массива определяет режим аэрации, температурные проявления при разложении органического вещества, показатели влажности, плотности и пористо-фильтрационные характеристики. Особенно выраженный характер имеет зональная дифференциация этих показателей.
В верхней зоне, в основном, преобладают аэробные процессы. Здесь, в теплое время года имеет место саморазогрев свалочного тела до значений температур более 60С. Из верхних слоев, наиболее близких к атмосфере, происходит интенсивное испарение влаги (влажность не более 60%). Свежеуложенные ТБО в верхних слоях характеризуются высокой пористостью и хорошей фильтруемостью (Кф более 0,50 м/сут) и низким водонасыщением (Кв = 0,17-0,39) из-за гравитационного оттока влаги в нижние горизонты полигона.
В нижней части полигона, куда затруднена инфильтрация кислорода с поверхности, развиты анаэробные процессы. Здесь имеет место относительно незначительный разброс значений температур, как в теплое, так и в холодное время года (6-17С), наиболее высокие значения влажностей (75-85%), что связано с обводнением нижней части фильтрационным стоком. Область характеризуется наиболее высокой плотностью отходов и низкими фильтрационными характеристиками.
Зональная дифференциация массива, параметры и структура вещества различных слоев отходов, влияют на способность полигона принимать и перерабатывать осадки сточных вод. Однако, достаточно трудно, с использованием цифровых матриц, содержащих значительные массивы экспериментальных данных, определить границы зон и рациональные глубины закачки и последующей обработки осадков. Особенно, это относится к внутренним (промежуточным) слоям, нередко занимающим до 70-80% пространства полигона. Здесь значения пористо-фильтрационных, влажностных характеристик, а также особенности процессов разложения «размыты» по глубине и зависят от сезона года, интенсивности выпадения осадков, особенностей эксплуатации объекта (пересыпка, уплотнение, характер откачки фильтрата и др.).
Достаточно сложно, с использованием цифровых матриц, определить в какое место массива осуществлять закачку осадков для их последующей интенсивной обработки.
Установление места нагнетательных скважин по поверхности и глубине свалочного тела, а также определение размеров зон приема и переработки ОСВ с наиболее полным использованием вместимости полигона, были осуществлены при помощи метода главных компонент.
