Жизненные циклы полигонов ТБО. Технические решения и технологии очистки их фильтрационных вод на различных этапах циклов

Ежегодно на территории Российской Федерации собирается около 40 миллионов бытовых отходов. Лишь 15% поддаются утилизации, или перерабатываются. Оставшиеся 85% вывозится на полигоны, свалки. Работает свыше 400 предприятий, перерабатывающих отходы. Даже при постоянном увеличении площадей, занимаемых мусорными полигонами, вокруг городов растет большое число стихийных свалок. Основным методом обезвреживания твердых бытовых отходов (ТБО) остается по-прежнему захоронение их на полигонах и свалках.

При отсутствии надлежащей гидроизоляции полигонов, вредные вещества могут попадать в грунтовые воды. Поэтому, очень важно, полигоны оборудовать согласно современным требованиям, предполагающим безопасность проникновения их фильтровальных вод (ФВ) через почву в подземные водные горизонты, что очень опасно для человека и окружающей среды. Проблему утилизации отходов, надо решать при помощи санкционированной и слаженной переработки мусора.

Определение полигона и его устройства

Полигоны – это природоохранные сооружения, предназначенные для складирования твердых бытовых отходов и обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почв, подземных и поверхностных вод, препятствующие распространению патогенных микроорганизмов за пределы площадки складирования.

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.

Типичный полигон захоронения (рис. 1) можно рассматривать как биохимический реактор периодического действия, в котором в течение десятков лет протекают сложные физические, химические и биохимические многостадийные процессы разложения отходов, сопровождающиеся эмиссиями загрязняющих веществ в объекты биосферы.

Рис. 1. Принципиальная схема устройства полигона ТБО

Воздействие полигона на окружающую среду обусловлено образующимися при деструкции ТБО фильтрационными водами и выделяющимся биогазом.

Фильтрационные воды формируются в результате инфильтрации атмосферных осадков, сопровождающихся образованием воды, и на протяжении всего жизненного цикла полигона являются источником загрязнения почв, поверхностных и подземных вод. Состав ФВ зависит от этапов жизненного цикла полигона. Каждому этапу соответствует определенная стадия биохимической деструкции отходов, которая определяет закономерности формирования количественных и качественных характеристик фильтрата.

При разложении отходов протекают одновременно физико-химические, химические и биохимические процессы. К физическим процессам относятся уплотнение, сжатие, уменьшение размера частиц, адсорбция, ионный обмен и другое. Увеличение плотности и уменьшение размера частиц способствует адсорбции воды, повышению влажности отходов и ускоряют их разложение. К химическим процессам относят окислительно -  восстановительные и фотохимические реакции, гидролиз, деполимеризация, образование труднорастворимых и комплексных соединений, зависящие от содержания кислорода в теле полигона, величины pH и другое.

Последствия использования полигонов ТБО

В результате процессов биохимического разложения органической составляющей ТБО образуются биогаз и фильтрат, содержащий растворенные, взвешенные или осажденные токсичные  компоненты. В связи с тем, что компонентный состав ТБО усложняется, а в соответствии с действующими нормативными документами на полигоны ТБО допускается вывозить промышленные отходы III и IV классов опасности, токсичность фильтрата возрастает, в нем появляются компоненты, которые раньше отсутствовали. Перенос вредных веществ, образующихся в местах размещения отходов, происходит посредством взаимодействия зависимых и независимых друг от друга элементов экосистемы.

Первыми техногенную нагрузку воспринимают неживые элементы экосистемы: атмосфера, гидросфера и литосфера. Затем токсичные вещества через почву, воду и воздух поступают в растения, микроорганизмы, организмы животных, птиц рыб и людей (зависимые элементы биосферы).  В результате этих воздействий происходит разрушение биотопов, распространенных на данной территории, отмечается исчезновение одних видов растений и животных и замещение их другими видами, при этом совсем не обязательно, что бы живые организмы находились в непосредственном контакте или близости со свалкой.

Весьма важным следствием этого способа утилизации отходов является то, что после вывода полигонов ТБО из эксплуатации и рекультивации свалок образуются новые природно-техногенные элементы литосферы, проявляющие аномальные свойства. Изучение результатов исследований состояния геологической среды в местах размещения полигонов ТБО и свалок показало, что эти территории испытывают существенные геофизические, геохимические и геодинамические воздействия, которые приводят к изменениям атмосферы и геологической среды, выходящие далеко за границы санитарно-защитных зон.

Анализ ситуаций, сложившихся в местах размещения отходов, позволяет утверждать, что созданные в процессе технического генеза или возникшие как его побочный продукт отходы производства и потребления – техногенные вещества, вывезенные на полигоны или выброшенные на свалки, образуют новую природно-техногенную систему. Поэтому решение вопросов размещения, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО следует осуществлять с позиций геоэкологичности подхода природно-техногенных систем в проектировании, специально предназначенных для защиты среды обитания человека (природных или антропогенных ландшафтов) от негативных воздействий, требующих разработки специальных средств инженерной защиты.

Жизненный цикл полигона ТБО

В жизненном цикле полигона можно выделить, по меньшей мере, две точки критического состояния: первая – достижение проектного заполнения полигона отходами; вторая – завершение процесса минерализации отходов. Для полигонов, оборудованных защитными экранами,  важным моментом является точка отказа функциональной способности этих защитных систем. После достижения критических состояний система переходит в новую фазу жизненного цикла и продолжает свое развитие.  Период эксплуатации полигона – это по существу «этап возведения» грунтового сооружения из техногенных материалов, в результате которого образуется новый природно-техногенный массив с присущими только ему свойствами, отличными от свойств отходов, как техногенной составляющей и природной геосферы, возможно измененной в результате антропогенного воздействия.

Превалирующую роль при разложении отходов играют биохимические процессы, протекающие в аэробных и анаэробных условиях. На ранних стадиях эксплуатации полигона (до 1 года) отходы подвергаются аэробной биодеструкции. Длительность аэробной фазы зависит от предварительной обработки и способа складирования ТБО, определяющих диффузионную способность отходов и степень доступности кислорода. В аэробных условиях (на глубине 50-80 см) достаточно быстро протекает гидролиз и окисление пищевых отходов, содержащих белки, жиры, протеины.

Окисление и разложение отходов в аэробных условиях сопровождается выделением тепла, и температура тела полигона может достигать 80°С. Рост температуры и присутствие антимикробных соединений абиотического происхождения приводят к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов, личинок насекомых.

По мере уплотнения и увеличения количества отходов в теле полигона начинаются анаэробные процессы, длящиеся десятки и сотни лет и обусловливающие основные эмиссии загрязняющих веществ. Можно выделить основные фазы анаэробной биодеструкции отходов: гидролиз, ацетогенез, активную фазу метангенеза, стабильную фазу метангенеза и полную ассимиляцию. Стадии анаэробной биодеструкции совпадают с основными этапами жизненного цикла полигона: активной эксплуатацией, рекультивацией и ассимиляцию.

В значительной толще отходов, как было сказано раннее, активно развиваются анаэробные процессы, протекающие без участия газообразного кислорода. Толща отходов населена сапрофитами (бактерии, дрожжи, плесневые грибки, отдельные виды простейших). В результате анаэробных процессов первичные органические элементы разлагаются на диоксид углерода и метан, которые служат основными составляющими биогаза. Акцептором анаэробного процесса  являются кислоты, а не кислород. По данным некоторых исследований в толще отходов может протекать и процесс брожения.

Активный и пассивный периоды жизненного цикла полигона ТБО

Интенсивность основных процессов обмена между техногенной и природной составляющими системы послужили основой анализа и построения жизненного цикла ПТС «Полигон», в котором выделен пассивный и активный периоды. Пассивный период характеризуются незначительными потоками, или отсутствием обмена веществом и энергией между природной и техногенной составляющими системы. Активный период начинается с момента заполнения карт отходами. Длительность активного периода зависит от технологических процессов эксплуатации полигона, состава отходов, природно-климатических условий и других факторов. Завершение активного периода характеризуется прекращением процессов биохимического разложения в толще отходов. Рассмотрим подробнее пассивный и активный периоды.

Пассивный период. Фаза 0. Проведение инженерных изысканий на стадии обоснования инвестиций в строительство и выполнение оценки существующего состояния окружающей среды, в результате которой необходимо выявить:

• характеристики состояния компонентов окружающей среды в районе предполагаемого размещения полигона;
• виды, основные источники и интенсивность существующего техногенного воздействия в районе предполагаемого размещения полигона;
• наличие природного геологического барьера, его протяженность, мощность и сорбционную емкость;
• общую оценку пригодности территории для размещения полигона.

Обмен вещества и энергии между природной и техногенной составляющими системы отсутствует. После окончания процесса обоснования инвестиций в строительство и проектирования, начинается производство работ по возведению сооружений и технических систем полигона ТБО. На картах захоронения отходов устраивается защитный экран основания и технические системы сбора и обработки фильтрата.

Активный период. Фаза I. Начало производства работ по возведению сооружений и технических систем инженерной защиты, строительство карт захоронения отходов. Устраивается защитный экран основания и технические системы сбора и обработки фильтрата. Проводится подготовка основания под скважины сбора биогаза. Обмен вещества и энергии между природной и техногенной составляющими системы минимальны. Поступление вещества  и энергии в техногенную составляющую системы не происходит. В этой же фазе происходит начало эксплуатации полигона, заполнение карт отходами и запуск процессов биохимического разложения отходов.

Заполнение карт отходами – это начало регулярного поступления вещества и энергии в техногенную составляющую ПТС. В толще отходов повышается температура, начинается процесс образования биогаза и фильтрата. Обратно в экосистему поступает энергия в виде тепла и биогаза. Защитные экраны основания полигона включаются в работу, задействованы все их функциональные элементы инженерной защиты.

Длительность первой фазы определяется периодом наступления процесса активного метангенеза, который оценивается в 2-5 лет от начала формирования аэробных условий.

Фаза II. Вторая фаза является периодом эксплуатации полигона. Карты заполняются отходами в соответствии с регламентом до проектной отметки. Устраиваются промежуточные изоляционные слои, а в случае необходимости временный защитный экран поверхности полигона для сбора биогаза и минимизации количества фильтрата. Фаза завершается достижением проектной высоты складирования отходов. Процессы обмена характеризуются максимальным поступлением вещества и энергии в техногенную составляющую геотехнической системы, и максимальным обратным поступлением тепловой энергии и биогаза в природную составляющую. В соответствии с действующими нормативными документами длительность второй фазы жизненного цикла определяется периодом эксплуатации полигона ТБО, который составляет не менее 15 лет.

Фаза III. Начало рекультивации полигона. Отходы принимаются только на незакрытых очередях карты. Начинается устройство постоянного защитного экрана поверхности на закрытых участках полигона. Темпы поступления вещества и энергии в техногенную составляющую системы снижаются. На этом же этапе прием отходов полностью прекращается. Проводятся работы по рекультивации. На оставшихся незакрытых участках устраивается защитный экран поверхности. Фаза завершается устройством защитного экрана и проведением рекультивации. Поступление вещества и энергии в техногенную составляющую полигона окончено. Интенсивность поступление тепла и  биогаза в природную составляющую системы сокращается. Длительность третьей фазы в зависимости от размеров полигона ТБО может составлять от 1 до 7 лет.

Пассивный период. Фаза IV. Полигон закрыт. Поступление вещества и энергии в техногенную составляющую полигона отсутствует. Происходит доработка остаточного потенциала вещества и энергии, накопленного в период активной фазы. Поступление вещества и энергии в природную часть геотехнической системы снижается. Завершение пассивного периода жизненного цикла характеризуется полной минерализацией отходов и формированием природно-техногенного грунтового массива. Длительность этой фазы зависит от мощности полигона ТБО (количества и состава размещенных отходов) и оценивается от 25 до 50 лет.

На этой фазе жизненного цикла происходит отказ функциональной способности защитных элементов и систем полигона, что связано с исчерпанием долговечности строительных материалов. Защитную функцию начинают выполнять только глиняные экраны и природные геологические барьеры. ПТС постепенно становится полностью открытой, не регулируемой, контактирующей со всеми геосферами. Завершение жизненного цикла характеризуется образованием нового природно-техногенного ландшафта.

Методология анализа жизненного цикла объектов активно используется в зарубежной практике строительства для оценки экологических последствий, связанных с ним, и нашла законодательное закрепление в документах международной организации по стандартизации ИСО (ISO – International Standard Organisation). В настоящее время ею разработан комплекс международных стандартов ИСО 1440 – 1449, посвященный теоретическим и практическим аспектам теории устойчивого развития и методологии анализа жизненного цикла, как инструмента ее реализации.

Анализ жизненного цикла, в соответствии с ИСО 1440, рассматривается как один из методов управления окружающей средой, который может быть основан на оценке риска возникновения чрезвычайных ситуаций и негативных последствий загрязнения окружающей среды, проведении экологического аудита. Систематизированные данные анализа жизненного цикла полигона, длительность его фаз позволяют сформулировать требования к элементам, строительным материалам и инженерной защите в целом, определить нагрузки и воздействия на инженерные конструкции и системы, что позволит на основе оценки эколого-экономической эффективности определить наиболее эффективный вариант инженерной защиты, направленной на обеспечение экологической безопасности.

Инженерные решения и инфраструктура полигона ТБО

Технология депонирования ТБО состоит из четырех основных стадий: приема отходов, складирования, уплотнения и изоляции. На современно обустроенных полигонах складирование отходов осуществляют по картам депонирования или отсекам. Разгрузку проводят на специально подготовленной площадке, а затем перемещают бульдозером на рабочую карту методом надвига или сталкиванием. При надвиге ТБО перемещают снизу вверх, формируя слои по 0,3 м шириной каждый. Эти слои уплотняются бульдозером или катком. За счет 12-20 уплотненных тонких слоем создается вал с пологим откосом высотой 2 м над уровнем площадки разгрузки. Вал следующей рабочей карты надвигают к предыдущему. Метод обеспечивает эффективное уплотнение ТБО.

Рис. 2. Устройство полигона и складирования ТБО

Современный полигон захоронения ТБO (рис. 2) представляет собой сложное инженерное сооружение, обеспечивающее защиту объектов биосферы от загрязнений. Под инженерной инфраструктурой полигона ТБО понимается конструкция основания тела полигона (рис. 3), системы сбора, отведения и очистки сточных вод, орошения рабочего тела полигона, пожаротушения, снабжения хозяйственно-питьевой и технической водой, системы сбора, утилизации биогаза или дегазации объекта.

Рис. 3. Конструкция основания полигона

Для предотвращения просачивания фильтрационных вод в подземные воды полигон оборудуется противофильтрационным экраном. Сбор фильтрационных вод осуществляется с помощью дренажной системы. Горизонтальный дренаж предназначен для отвода сточной воды, просочившейся к основанию полигона, за его пределы в контрольно-регулирующий пруд и на очистные сооружения.

Система сбора и отвода должна обеспечивать самотечную подачу стоков из дренажного коллектора в контрольно-регулирующий пруд. Контрольно-регулирующий пруд должен иметь противофильтрационную защиту. Конструкция фильтрационного экрана пруда может быть аналогична конструкции противофильтрационной защиты основания полигона ТБО. Стоки из пруда-регулятора должны подаваться на очистные сооружения.

Система дегазации полигона может осуществляться пассивными и активными методами, выбор которых зависит от площади складирования отходов, объема эмиссий, этапа жизненного цикла полигона. Пассивная дегазация полигона может состоять из траншейной схема сбора биогаза или системы вертикальных скважин или колодцев. Система активного метода дегазации (рис. 4) включает в себя устройства с принудительным отводом газа (компрессоры, вентиляторы) и его утилизацию (сжигание, очистка, сжижение).

Наличие или отсутствие технологии сбора биогаза влияет на состав фильтрационных вод, так как биогаз представляет собой смесь газов и наряду с метаном содержит водорастворимые компоненты – углекислый газ, сероводород, бензол и другие, способные взаимодействовать с ионами металлов и органическими примесями фильтрата.

Рис. 4. Схема биогазовой установки с ручной загрузкой и перемешиванием сырья: 1 – реактор, 2 – бункер загрузки, 3 – перемешивающее устройство, 4 – водяной затвор, 5 – выгрузочная труба, 6 – отвод биогаза

При реконструкции эксплуатируемых полигонов и на рекультивируемых объектах при отсутствии дренажной системы для сбора фильтрационных вод целесообразно использование водоотводных устройств: нагорных каналов, дамб, расположенных по внешнему контуру полигона. Возможно использование кольцевой дрены, расположенной по периметру полигона, вдоль ограждающей дамбы и устроенной в выемке естественного водоупорного слоя основания свалки.

Технологии очистки ФВ проектируемых полигонов, находящихся на стадии активной эксплуатации

Для проектируемых полигонов наиболее перспективными являются блочно-модульные технологические схемы очистки ФВ, позволяющие управлять процессом при изменяющемся в зависимости от этапов деструкции отходов составе сточных вод.

На первом этапе эксплуатации полигонов при ацетогенной фазе биодеструкции отходов ФВ характеризуются высоким содержанием ионов тяжелых металлов и органических веществ, способных к биохимической деструкции. На этом этапе технологические схемы очистки ФВ должны содержать блок очистки от ионов тяжелых металлов, взвешенных, коллоидных частиц и блок биохимической очистки. Можно рекомендовать следующие основные стадии очистки:

• коагуляция примесей ФВ путем фильтрации воды через слой мраморной крошки или шлака, извести или доломита при величине pH 7,5-8,5;
• анаэробная очистка ФВ в метантенках, денитрификаторах;
• аэробная очистка в аэротенках, нитрификаторах;
• осветление воды в отстойниках с применением флокулянтов или очистка от взвешенных примесей на скором песчаном фильтре.

При высоких значениях ХПК (более 15000 мг/дм³) ФВ перед стадией анаэробной очистки должны подвергаться аэробной стабилизации.

Биохимическую очистку можно осуществлять в сооружениях как с активным илом, так и с иммобилизированной микрофлорой (биореакторах). Доочистку воды рекомендуется проводить физико-химическими и биологическими методами, выбор которых будет зависеть от остаточной концентрации примесей в очищенной воде, требований к качеству воды и экономических возможностей:

• биологические многокаскадные пруды;
• очистка в биосорбционном фильтре с последующей доочисткой в биологическом пруду;
• озонирование воды или УФ-обработка с последующей адсорбцией на многослойном фильтре, содержащем различные марки активных углей АУ (или углеродсодержащие отходы);
• очистка воды методами микро-, ультрафильтрации и обратного осмоса.

Применение данных методов экономически оправданно, т. к. не требует значительных дополнительных капитальных затрат при изменении технологии очистки в соответствии с составом ФВ.

Технологии очистки вод полигонов ТБО, находящихся на рекультивационном и пострекультивационном этапах эксплуатации

Закрытие действующих полигонов и свалок ТБО может быть обусловлено исчерпанием их проектной мощности или антисанитарным состоянием.

Предлагаются варианты комплексных технологий с использованием биосорбционных, электрохимических и биологических методов очистки, выбор которых будет зависеть от объема образующихся ФВ, их концентрации, гидрогеологических особенностей площадки, экономических возможностей Заказчика.

1 вариант. Технологию можно рекомендовать для очистки ФВ объемом 50-100 тыс. м³/год, при этом производительность сооружений при 6-месячной работе составит 100- 300 м³/сут. Климатические условия работы - температура не ниже 10°С.

Технологическая схема очистки, представленная на рис. 9, состоит из сборника-усреднителя, 2-х многослойных биосорбционных фильтров и 2-х ступенчатого биологического пруда. ФВ в течение года накапливаются в сборнике-усреднителе, а затем подаются на очистку в биосорбционный фильтр. Очищенная вода проходит доочистку в аэробном 2-х ступенчатом биологическом пруде.

Рис. 5. Технологическая схема очистки: 1 - сборник-усреднитель, 2 - биосорбционный фильтр, 3 - двухступенчатый биологический пруд

2 вариант. Для ФВ, имеющих концентрацию по ХПК не более 1000 мг O₂/дм³ можно предложить схему очистки, представленную на рис. 10., состоящую из пруда-усреднителя, гальванокоагулятора и биологического 2- х ступенчатого пруда.

Рис. 6. Технологическая схема очистки фильтрационных вод: 1 - пруд-накопитель, 2 - система подачи воды, 3 - гальванокоагулятор, 4 - песчаный фильтр

При работе гальванокоагулятора должна быть предусмотрена периодическая промывка загрузки противотоком очищенной водой (не реже 1 раза в неделю). Промывные воды могут быть направлены в сборники ФВ. Содержащиеся в них гидроксиды железа или алюминия, будут способствовать дополнительной очистке воды.

Вода перед выпуском в водоем должна пройти дополнительную очистку в биологических прудах.

Степень очистки по ХПК в очистных сооружениях составляет 95-97 %, по ионам тяжелых металлов - 98-99 %.

Технологии очистки фильтрационных вод малых населенных пунктов

Одной из сложных и не решенных к настоящему времени проблем является очистка ФВ свалок и полигонов малых населенных пунктов (число жителей менее 50 тыс. чел.). Объем ФВ таких полигонов не превышает 5000-7000 м³/год. Отсутствие квалифицированного персонала, экономические сложности часто не позволяют создавать на таких полигонах сложные стационарные системы очистки. В таких условиях наиболее целесообразно использование для очистки биологических многокаскадных прудов.

При отсутствии системы водоотведения и сбора ФВ, что характерно для не обустроенных полигонов малых населенных пунктов, они скапливаются в естественных углублениях рельефа местности на территории, прилегающей к объекту захоронения ТБО.

Для очистки ФВ небольших полигонов ТБО можно рекомендовать использование заглубленных или подземных многослойных биосорбционных фильтров, содержащих сорбционными и ионообменные материалы. Целесообразно для этих целей использовать отходы производств, имеющиеся на территории населенного пункта - опил, кора, шлак, зола, образующаяся при сжигании каменного угля и др.

Рекомендуемое оборудование и материалы для технологий очистки фильтрационных вод

В технологических схемах очистки ФВ целесообразно использовать типовое оборудование. Выбор основных технологических параметров (дозы коагулянта, флокулянта и извести; высота слоя сорбента; доза озона и мощность озонаторной установки; проницаемость, селективность, площадь и число мембранных элементов) осуществляется на основе предварительных экспериментальных исследований в соответствии с физико-химическими показателями фильтрационных вод.

При использовании сорбционного метода очистки или доочистки рекомендуется использовать в качестве сорбентов отходы производств, обладающих сорбционными свойствами (шлак, зола, кора, недожог, древесный уголь, некондиционные фракции активированного угля и т. д.).

При использовании мембранных технологий очистки фильтрационных вод необходимо использовать серийно выпускаемые ультрафильтрационные и обратноосмотические мембраны.

1. Все что нужно знать о полигоне твердых бытовых отходов (ТБО) [Электронный ресурс] // URL: https://vtorothody.ru/othody/poligon-tbo.html
2. Методология анализа жизненного цикла при проектировании полигонов твердых бытовых отходов [Электронный ресурс] // URL: http://lerschtul.ru/ocologi/metodologiya-analiza-zhiznennogo-cikla-pri-proektirovanii-poligonov-tverdyx-bytovyx-otxodov.html
3. Оценка и очистка фильтрационных вод полигона ТБО [Электронный ресурс] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований – URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5591
4. Полигоны твердых бытовых отходов [Электронный ресурс] // URL: https://portaleco.ru/ekologija-goroda/poligony-tverdyh-bytovyh-othodov.html
5. Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов: учеб. пособие / Я. И. Вайсман, И.С. Глушанкова, Л.В. Рудакова, Н.Ф. Абрамов; Перм. гос. техн.ун-т. – Пермь, 2005.
6. Фильтрационные воды [Электронный ресурс] // Очистка стоков с полигона ТБО – URL: https://www.vo-da.ru/articles/stoki-poligona-tbo/metody-ochistki