В малых поселениях возникает проблема утилизации образующихся бытовых отходов от населения, которые должны депонироваться на специальных санитарных сооружениях – полигонах ТБО. Отличительной особенностью таких объектов является его сравнительно небольшая площадь, которая проектируется исходя из численности населения, прогнозируемого роста увеличения ТБО и предполагаемого срока эксплуатации (как правило, 15–20 лет). Основной проблемой при создании подобных объектов является образование стоков ТБО (фильтрата и поверхностного стока), которые необходимо собирать и подвергать очистке. Под фильтратом понимают отжимную воду, возникающую за счет водоотдачи ТБО под действием давления отходов, а также за счет проникновения воды, осадков, ливневых и талых вод.
Важной задачей является выполнение прогнозных моделей по количеству образующегося фильтрата и планированию очистных сооружений стоков ТБО. Состав стоков ТБО формируется под влиянием различных факторов, которые, в свою очередь, влияют на состав стоков ТБО, содержат высокие концентрации органических и неорганических веществ, включая сообщества микроорганизмов.
Состав и концентрация неорганических и органических загрязнений, находящихся в фильтрате, определяются химическим составом складируемых отходов, процессами анаэробного и аэробного разложения, происходящими в толще отходов, проницаемостью слоя отходов, интенсивностью атмосферных осадков, температурой и т.д. Источником загрязнения фильтрата являются в основном продукты разложения пищевых отходов и окисления металлов. В сравнительно теплом и влажном климате изменения объемов образования фильтрата напрямую связаны с выпадением осадков. В более холодном климате, где большая часть осадков выпадает в виде снега, происходит задержка увеличения объемов фильтрата после осадков.
Объект и методы исследований. Объект исследования представлял собой отведенный земельный участок под строительство полигона ТБО, находящийся в 500 м в восточном направлении от садов УВД, в 500 м в северно-западном направлении от садов ЖБИ-2, в 500 м в северно-западном направлении от садов «Кургандорстрой» (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения земельного участка
Участок складирования ТБО, участок захоронения отходов (УЗО) занимает основную площадь полигона и разбит на две очереди эксплуатации. На участках близких к квадрату (рис. 2), располагаются две очереди эксплуатации проектируемого полигона ТБО, каждая из которых будет составлять в среднем 1,4–1,5 Га. Расчеты показали, что площадь под очистные сооружения на данном объекте составляет соответственно 550 м2 и 910,2 м2. Задачей первого этапа являлся уточненный расчет площадей накопительных прудов и очистных сооружений, с внесением рекомендаций по размещению и площадям прудов-усреднителей.
Детализированные задачи и основное содержание научно-исследовательской работы по разработке технологии обращения с фильтратом на I этапе исследования:
1. Провести теоретические изыскания о количестве и качестве стоков, образующихся на полигонах ТБО в условиях Курганской обл.
2. Выполнить расчёт количества образующегося фильтрата и прогнозный состав фильтрата по годам на проектируемом полигоне ТБО.
3. Выполнить расчёт нагрузки на очистные сооружения и производительность.
В ходе НИР были охарактеризованы возможные воздействия объектов на окружающую среду, проведен анализ компонентов природной среды: климатических, гидрографических, гидрогеологических и геолого-геоморфологических условий, почв, растительного и животного мира и опасных техногенных процессов. Для характеристики современного экологического состояния природных сред проводился анализ ранее выполненных геоэкологических опробований и химико-аналитических исследований атмосферного воздуха, грунтовых вод и почв.
В ходе работ использованы топографические и тематические картографические материалы, литературные и фондовые источники информации, интернет-ресурсы, результаты натурного обследования территории, лабораторные исследования. Расчётные работы были выполнены с использованием программных комплексов АРМ ТБО (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2009612494. Программный комплекс «Управление жизненным циклом полигона твердых бытовых отходов (АРМ ТБО)». – ФИПС, 2009) [3].
Результаты исследования и их обсуждение
Проект предусматривает, что участок захоронения отходов (УЗО) проектируемого полигона будет разбит на секции УЗО, каждая из которых планируется в среднем на 5–7 лет и будет заполняться отходами по определённой технологии. После 2–3 лет эксплуатации секция перекрывается слоем грунта и заполняется следующая секция. За этот период отходы первой секции при увлажнении отходов, например, используя технологию рециркуляции, будут оседать (опыт показывает, в среднем на 1,5–2 м в год) [6], и 1 секция заполняется отходами, а затем перекрывается окончательным слоем грунта. В период промежуточной и окончательной изоляции секции объём фильтрата значительно понизится, но увеличивается количество поверхностного стока (см. программу «Ecolog» [3]). Аналогично проводят расчеты с последующими секциями полигона.
Рис. 2. План участка складирования полигона и схема компоновки дренажной сети в котлованах I, II очереди
На количество образующегося фильтрата будет влиять количество атмосферных осадков. Исследуемая территория Курганской области характеризуется климатогеографическими условиями и, в частности, умеренно-континентальным климатом, для которого характерна малоснежная холодная зима и короткое, но жаркое лето. Cреднегодовое количество атмосферных осадков составляет 381 мм. Формирование климата и условия теплообмена зависят от радиационных факторов: солнечного сияния, суммарной и поглощенной радиации, эффективного излучения, радиационного и теплового баланса. Число часов солнечного сияния в Курганской области составляет 2150 в год. Этот показатель изменяется довольно значительно в течение года, минимальный он в декабре. Радиационный баланс составляет 90 ккал/см2 в год, наибольшие значения приходятся на период с апреля по август.
В работе представлены предполагаемый размер, тип перекрытия секций полигона и динамика образования фильтрата, а также динамика образования фильтрата в зависимости от размера и типа перекрытий секций. При проектировании очистных сооружений фильтрата основную трудность представляет прогнозирование объема, качества фильтрата и изменений, происходящих с «возрастом» полигона ТБО. Однако планирование очистных сооружений фильтрата необходимо одновременно с проектированием полигона. В связи с этим необходимо знать темпы роста полигона, так как количество образующегося фильтрата напрямую связано с площадью полигона ТБО и типом отходов.
Очистные сооружения фильтрата должны быть спроектированы таким образом, чтобы процессы биодеструкции органических веществ протекали наиболее полно. Поэтому предлагается внедрение технологии рециркуляции фильтрата и мероприятий по обеспечению безопасности объекта для окружающей среды.
Каждая секция проектируемого полигона ТБО будет рассчитана по заполнению на 6–7 лет и заполняться отходами в соответствии с планировкой будущей территории с окончательным перекрытием слоем грунта перед началом заполнения новой секции полигона. Проведённые расчёты по проектируемому полигону ТБО показали, что среднее количество фильтрата при эксплуатации 1 секции в начальный период составит 1440–1660 м3/год, а при вводе 2 секции УЗО (работе 2 секций УЗО одновременно) и переходе фильтрата полигона в «старый» [4] (спустя 8–10 лет) это количество будет достигать 3500–4000 м3/год.
Важной характеристикой является также поверхностный сток, который согласно уравнению водного баланса фактически исключается из расчётов. На реальном полигоне ТБО весь поверхностный сток будет улавливаться нагорными канавами, а затем будет направляться в пруды-накопители, и тем самым поверхностный сток влияет как на ёмкость прудов-накопителей, так и на состав фильтрата (за счёт разбавления).
В первые годы эксплуатации полигона фильтрат фактически образовываться не будет и накопление стоков ТБО на полигоне будет идти за счёт атмосферных осадков и поверхностного стока. Данные стоки будут содержать невысокие концентрации загрязняющих веществ и по составу будут фактически идентичны поверхностным водам. Поэтому первые 2–3 года рециркуляцию данных стоков можно будет осуществлять без реагентной обработки. В этот период необходимо осуществлять строительство очистных сооружений фильтрата. По мере роста полигона ТБО будет возрастать количество фильтрата и в предрекультивационный период достигнет максимума, а затем стабилизируется. Это количество стоков предлагается очищать с использованием гидроботанического метода [4] и патентов [1, 2]. На рис. 3 представлена динамика ожидаемого количества фильтрата и поверхностного стока на проектируемом полигоне.
Рис. 3. Динамика прогноза образования фильтрата и поверхностного стока на проектируемом полигоне ТБО
Рис. 4. Изменение количества фильтрата Qф в условиях Курганской обл. с секций УЗО полигона ТБО
Практика показывает, что производительность очистных сооружений составляет в среднем 30 % от общего годового количества фильтрата [5]. Из рис. 4 видно, что средняя производительность очистного оборудования должна быть рассчитана на 10 м3/сут., а в период максимального образования фильтрата – около 15 м3/сут. Поэтому с учетом возможного увеличения объема фильтрата примем максимальный поток фильтрата 20 м3/сут. Расчёты выполнены по программе «Ecolog» [3] исходя из месячных значений атмосферных осадков, значений по влажности отходов, площади объекта (секции) и типа покрытия поверхности эксплуатируемой (рекультивированной) секции проектируемого полигона ТБО.
Исходя из полученных результатов представлены графические зависимости (рис. 4).
В работе показано, что в связи с низкими температурами локальные сооружения обезвреживания фильтрата в период ноябрь – февраль функционировать не будут вследствие незначительного выделения фильтрата. Для сбора этого фильтрата предлагается использовать пруд-накопитель (резервуар-усреднитель). В засушливое лето может наблюдаться уменьшение фильтрата за счет испарения, что будет снижать как активность микроорганизмов, так и процессы биодеструкции отходов, а также это будет способствовать пожароопасности объекта. Поэтому стоки, накопившиеся в пруде-усреднителе, необходимо периодически рециркулировать через массив ТБО.
Допускается спуск очищенного фильтрата в направлении существующего пруда-накопителя жидких отходов (см. рис. 1) в осенние месяцы или в период «большой» воды (весна – осень). Объем стоков ТБО может изменяться до ±50 % в зависимости от сезона. Среднее количество фильтрата, образующегося на УЗО полигона ТБО площадью 3 га, по расчетам, составит около 2–3 тыс. м3/год, (max до 4 тыс. м3/год). Тогда годовой объем накапливаемого фильтрата в накопительных прудах-усреднителях с учетом останова очистных сооружений в зимний период составит на проектируемом полигоне 0,75 тыс. м3/год (max 1,2 тыс. м3/год).
На основе рассчитанного количества фильтрата по сезонам (см. рис. 5) рассчитана нагрузка на очистные сооружения. При введении (открытии) двух секций в эксплуатацию качество фильтрата будет существенно меняться. Нагрузка по ХПК, в целом будет на 40 % выше нагрузки по БПК5 в период кислотной стадии, в период промежуточной стадии выше в 5 раз и в период метановой стадии будет больше примерно в 10 раз. Нагрузка по азоту оценивается пропорционально гидравлической нагрузке, при этом содержание Nобщ. будет практически постоянным в течение как минимум первых 10 лет эксплуатации полигона и будет достигать 1000 мг/л. Ожидаемая нагрузка по азоту на основе расчетной гидравлической нагрузки N-NH4 составляет 90 % от Nобщ.
Рис. 5. Расчет нагрузки очистных сооружений фильтрата по годам при проведении ранней рециркуляции на рабочей секции проектируемого полигона ТБО
Увеличение фильтрата на полигоне будет прямо пропорционально увеличению площади складирования отходов и введению в строй новых секций. При эксплуатации секции полигона показатель БПК5 (в среднем для молодого фильтрата БПК5 = 1500 мг/л) будет со временем уменьшаться (до 200 мг/л) вследствие перехода процессов в метановую фазу и снижения органических загрязнений в фильтрате. Исходя из этих данных, рассчитана нагрузка по C ХПК, C БПК5, C N в период ввода в эксплуатацию двух секций УЗО (рис. 5).
Изменения нагрузок по БПК5 (кг БПК5/сут.), по ХПК (кг ХПК/сут.), по азоту (кг N/сут.), в зависимости от количества Qф и качества фильтрата при внедрении ранней рециркуляции фильтрата, показали, что при использовании технологии рециркуляции предварительно произвесткованного фильтрата в период кислотной стадии переход в метановую фазу произойдет уже через 2–3 года. Прямым следствием орошения полигона ТБО предварительно произвесткованным фильтратом является увеличение влажности и щелочности среды, что влияет на изменение других параметров (показателей ХПК, БПК, концентрации тяжелых металлов и др.).
Заключение
1. Исходя из полученных расчетов и прогнозных моделей, учитывая, что эксплуатация полигона будет производится по 2 рабочим секциям, рассчитаны нагрузки в соответствии с изменениями, происходящими в химическом составе образующихся стоков ТБО.
2. Так как в условиях Курганской обл. в холодный период очистные сооружения функционировать не будут, предложено накопление фильтрата в течение шести месяцев (с октября по март) в буферной емкости (накопительном пруде-усреднителе). В связи с этим на суточное количество фильтрата, подаваемого на очистные сооружения, будет влиять количество образующихся в эти сутки стоков и количество фильтрата, накопленного в пруде-усреднителе.
3. Показано, что в первые годы эксплуатации полигона (2–5 лет) весь дренажный фильтрат будет находиться в кислотной стадии и иметь высокие нагрузки по БПК5, ХПК, аммонийному азоту, концентрациям тяжелых металлов. В последующие 5 лет будет введена в строй вторая рабочая секция полигона, при этом фильтрат из первой секции будет представлять собой «средний» фильтрат, а из двух других секций будут вытекать кислые стоки («молодой» фильтрат), поэтому предлагается комплексная очистка фильтрата, включающая авторские разработки, патенты и программные комплексы.
4. Предлагаемая технология с применением рециркуляции позволяет уменьшить «жизненный цикл» (кислотную стадию) полигона, снизить концентрации загрязняющих веществ в фильтрате и, таким образом, минимизировать ущерб окружающей среде, наносимый сбросом загрязненного органическими соединениями и тяжелыми металлами фильтрата.