способ очистки сточных вод рекультивированных полигонов твердых бытовых отходов

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод рекультивированных полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), предусматривающий обработку сточных вод раствором известкового молока Са(ОН)₂ и последующую их рециркуляцию, отличающийся тем, что предварительно на закрытом полигоне твердых бытовых отходов создают многослойное рекультивационное покрытие с плодородным поверхностным и водобалансовым слоями, высаживают на плодородном поверхностном слое растительность, на которую по достижении ею фазы активной вегетации распыляют сточные воды полигона ТБО, обработанные раствором известкового молока Са(ОН)₂ до рН=8,0-8,5 из расчета 3-4 мм в сутки, при этом общее количество распределяемых предварительно обработанных известковым молоком сточных вод ТБО не должно превышать 500 мм/год, рециркуляцию временно прекращают при достижении рН 9,0 поверхностного плодородного слоя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водобалансового слоя используют полимерные отходы с размером фракций не более 250 мм, а высота водобалансового слоя составляет на менее 15 см.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высота плодородного слоя в случае травяной растительности составляет не менее 15 см, а в случае древесной растительности не менее 30 см.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к охране окружающей среды, к коммунальному хозяйству, а именно к способам очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов (ТБО), и может быть использовано преимущественно в теплый период времени (весна - лето - осень) при температуре воздуха не ниже 0°. Особенно актуально использование предлагаемого способа для высоконагружаемых полигонов, где заранее не были предусмотрены очистные сооружения сточных вод ТБО.

Известны биологические способы очистки сточных вод, например, путем многократной рециркуляции дренажных сточных вод (фильтрата) сквозь массу складируемых на полигоне отходов (см. Christensen, T. Sanitary Land-filling of Waste / Т. Christensen, R. Cossu, R. Stegmann. - Barriers, 1994).

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата, заключаются в том, что процесс очистки сточных вод очень продолжительный (около 7 лет), т.к. рециркуляцию проводят кислыми сточными водами, а повторный их возврат в массу отходов увеличивает сроки разложения органических фракций, а также приводит к повышению температуры в поверхностных слоях ТБО за счет активизации аэробных бактерий, что способствует возгоранию полигона. Кроме того, эффект очистки от тяжелых металлов недостаточно высок. Для рекультивированных полигонов рециркуляция необработанных стоков ТБО может приводить к закислению и загрязнению поверхностных слоев рекультивационного покрытия, что будет препятствовать нормальному росту растительности и вовлечению этого объекта в естественные биологические циклы.

Известны биологические способы очистки воды с использованием макрофитов и насаждений с развитой корневой системой, а в частности ежи сборной и деревьев рода ива, на специально оборудованных ботанических станциях. Посадки ив и травяных растений применялись для очистки на полигонах в Швеции (полигон Лати). Фильтрат разбрызгивали 3 раза в неделю по 2-4 часа из расчета 100 мм за неделю. На участках, засаженных ивами, количество орошаемых стоков составляло 18 мм в день. Отмечено, что на полигоне, засаженном травяными растениями, при орошении его фильтратом уровень транспирации составлял 500-700 мм в год, что находилось в диапазоне выпадении атмосферных осадков в этом регионе (см. Christensen, T. Sanitary Landfilling of Waste / Т. Christensen, R. Cossu, R. Stegmann. - Barriers, 1994). В результате биологической очистки сточных вод с использованием зеленых насаждений в качестве дополнительной ступени очистки происходила их очистка от органических загрязнений (ХПК и БПК снижались до 80%), азотосодержащих веществ (эффект составлял в среднем 50%), фосфоросодержащих веществ (в среднем 35%). Поэтому способ очистки стоков ТБО с помощью растительности является одним из перспективных способов, так как растения способны поглощать многие минеральные соединения, содержащиеся в сточных водах, а культивирование растительности на сточных водах в отличие от монокультур микроорганизмов может производиться в нестерильных условиях, что упрощает и удешевляет процессы очистки.

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата, заключаются в том, что использование не прошедших предварительную обработку фильтрационных стоков для орошения растительности в России неэффективно и может привести к гибели растительности вследствие того, что в морфологическом составе отходов содержатся элементы электропитания, ртутных ламп, опасных токсических веществ, попадающих впоследствии в виде загрязняющих веществ в фильтрат. Кроме этого орошение участков полигона ТБО, засаженных растительностью, кислыми фильтрационными стоками (фильтратом) может приводить к окислительным процессам и активизации аэробных (например, тионовых бактерий) в поверхностных слоях ТБО, что может повышать пожароопасность объекта и способствовать возгоранию поверхностных слоев полигона ТБО. В известном способе также отмечалось обводнение корневой системы растений и поверхностных слоев грунта, на котором высаживались растения при вышеуказанном количестве подаваемых на орошение стоков.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов от тяжелых металлов, заключающийся в обработки сточных вод и их рециркуляции сквозь массу отходов. Для обработки сточных вод используют раствор известкового молока Са(ОН)₂, который смешивают со сточными водами до рН 9,0-9,5, после чего обработанные сточные воды распределяют по поверхности полигона твердых бытовых отходов из расчета 1-2 мм в сутки. Общее количество рециркулируемых предварительно обработанных известковым молоком сточных вод ТБО не должно превышать 200-300 мм/год. Обработку проводят до достижения нейтральной реакции среды сточных вод, отводимых через дренажную систему. В случае выделения фильтрата, имеющего щелочную реакцию среды (когда состав фильтрата находится в метановой фазе), но с концентрацией тяжелых металлов выше нормы ПДК, рециркуляцию фильтрата, предварительно обработанного раствором известкового молока до рН 9,0-9,5, проводят до максимального эффекта снижения концентрации тяжелых металлов в сточных водах, отводимых дренажной системой (см. патент RU № 2162059 от 20.01.2001 г.). Данный способ принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - обработка сточных вод раствором известкового молока Са(ОН)₂ с последующей их рециркуляцией.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относят то, что известным способом невозможно обеспечить высокую степень очистки сточных вод от высоких концентраций тяжелых металлов. В отходах накапливается осадок, содержащий тяжелые металлы в связанной форме, а при окислительных процессах эти металлы могут переходить в ионные формы, что может представлять в дальнейшем опасность для окружающей среды. Также установлено, что в результате использования известного способа концентрации солей и аммонийного азота имеют тенденцию к увеличению в составе образующихся стоков в массиве отходов, что угнетает жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в процессе биологического самоочищения стоков в массиве ТБО. Сроки естественной ассимиляции веществ, входящих в состав бесконтрольных вытекающих сточных вод с окружающей средой, могут продолжаться до 1000 лет, поэтому полигон ТБО становится долговременным накопителем и потенциальным источником этих загрязнений. Кроме того, при использовании данного способа недостаточно эффективен процесс управления очисткой сточных вод из-за того, что на момент закрытия полигон ТБО имеет большую высоту (до 20 м) и неоднородную по морфологическому составу структуру в массиве отходов. Вследствие этого в массиве ТБО образуются зоны, в которых не будет возможности эффективного управления процессом очисткой стоков в процессе их рециркуляции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - интенсификация биологической очистки сточных вод от органических и минеральных загрязнений, а также высоких концентраций тяжелых металлов и обеспечение возможности более эффективного управления процессом очистки сточных вод рекультивированного полигона ТБО.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе очистки сточных вод полигонов твердых бытовых отходов, предусматривающем обработку сточных вод раствором известкового молока Са(ОН)₂ с последующей их рециркуляцией, предварительно на закрытом полигоне твердых бытовых отходов создают многослойное рекультивационное покрытие с плодородным поверхностным и водобалансовым слоями, высаживают на плодородном поверхностном слое растительность, на которую по достижению ею фазы активной вегетации распыляют сточные воды полигона ТБО, обработанные раствором известкового молока Са(ОН) ₂ до рН 8,0-8,5 из расчета 3-4 мм в сутки, при этом общее количество распределяемых предварительно обработанных известковым молоком сточных вод ТБО не должно превышать 500 мм/год, рециркуляцию временно прекращают при достижении поверхностного плодородного слоя рН 9,0. В качестве водобалансового слоя используют полимерные отходы с размером фракций не более 250 мм, а высота водобалансового слоя составляет на менее 15 см. Высота плодородного слоя в случае травяной растительности составляет не менее 15 см, а в случае древесной растительности - не менее 30 см.

Признаки заявляемого способа, отличительные от способа по прототипу, следующие: предварительно на закрытом полигоне твердых бытовых отходов создают многослойное рекультивационное покрытие с плодородным поверхностным и водобалансовым слоями; высаживают на плодородном поверхностном слое растительность; распыляют на растительность, по достижению ее фазы активной вегетации сточные воды полигона ТБО, обработанные раствором известкового молока Са(ОН)₂ до рН 8,0-8,5 из расчета 3-4 мм в сутки; общее количество распределяемых предварительно обработанных известковым молоком сточных вод ТБО не должно превышать 500 мм/год; рециркуляцию временно прекращают при достижении поверхностного плодородного слоя рН>9,0; использование в качестве водобалансового слоя полимерных отходов с размером фракций не более 250 мм; выбор оптимальной высоты водобалансового и поверхностного плодородного слоев.

Отличительные признаки в сочетании с известными способствуют интенсификации биологической очистки сточных вод от органических и минеральных загрязнений, а также высоких концентраций тяжелых металлов за счет использования растительности. Известно, что комплексная связь металл-белок не обладает ферментативной активности и образуется за счет карбонильных, сульфгидрильных и аминных групп (см. Хоботов В.Г. Роль гидробионтов в концентрировании тяжелых металлов из промышленных водоемов // В.Г.Хоботов, В.И.Комков. Теория и практика биологического самоочищения загрязненных вод: сб. науч. тр. - М.: Наука, 1972. - С. 63.). Установлено, что способность высшей растительности накапливать соли тяжелых металлов в своих органах обеспечивает возможность более эффективного управления процессом очистки за счет использования естественной экологической системы при создании многослойного рекультивационного покрытия, засаженного растительностью. Это делает процесс самоочищения стоков более управляемым.

В результате полива растений фильтратом, предварительно обработанным Са(ОН)₂ , будут выпадать в осадок соли тяжелых металлов в виде сульфидов и гидроксидов и оседать в дальнейшем в водобалансовом слое, состоящем, например, из полимерных отходов с размером фракций не более 250 мм и высотой на менее 15 см. В этом случае создается буферная емкость, и образующийся осадок, содержащий взвешенные твердые частицы и загрязняющие вещества, будет задерживаться в порах массива пластиковых отходов путем адсорбции, ионного обмена и осаждения. Кроме того, высокая щелочность стоков и осадка, удерживаемых внутри этого слоя, будет способствовать предотвращению протекания окислительных процессов и в результате снижать пожароопасность на этом полигоне. Накопленный в водобалансовом слое осадок будет способствовать непопаданию в тело полигона ионов тяжелых металлов. Поступившая с рециркулируемым фильтратом влага может долго удерживаться в водобалансовом слое, а в сухие периоды большая часть этой влаги будет поглощаться растениями. Растительность, использующая макро- и микроэлементы из обработанных сточных вод ТБО для своего питания и роста, трансформируя органический азот и другие содержащиеся вещества в этих стоках, будет также способствовать снижению степени инфильтрации стоков в почву и уменьшать объем очищаемых сточных вод за счет процесса транспирации.

Способ очистки сточных вод рекультивированных полигонов твердых бытовых отходов поясняется чертежом.

На чертеже изображена схема рециркуляции предварительно обработанного фильтрата Са(ОН) ₂ на многослойном рекультивационном покрытии, где показаны:

1 - растительность; 2 - плодородный поверхностный слой; 3 -почвенный слой; 4 - водобалансовый слой; 5 - глинистый слой с Кф 10^-8 м/с; 6 - выравнивающий слой; 7 - массив ТБО.

Способ осуществляется следующим образом.

На закрытой поверхности массива ТБО 7 создают многослойное рекультивационное покрытие. Для этого на подготовленную поверхность массива ТБО 7 последовательно укладывают выравнивающий слой 6, выполненный из экономически и экологически целесообразно подобранных грунтов. Затем формируют глинистый слой 5 с коэффициентом фильтрации не более 10^-8 м/с, водобалансовый слой 4, почвенный слой 3 и плодородный поверхностный слой 2. В качестве водобалансового слоя 4 используют полимерные отходы с размером фракций не более 250 мм. Рекомендованная высота водобалансового слоя 4 составляет не менее 15 см, плодородного слоя 2 в случае травяной растительности не менее 15 см, а в случае древесной растительности не менее 30 см. На плодородный поверхностный слой 2 высаживают специально подобранную растительность 1 в зависимости от климато-географических особенностей, состава почво-грунтов, антропогенной нагрузки. Растительность 1 выращивают до фазы активной вегетации. Сточные воды (фильтрат ТБО) собирают при помощи дренажной системы и отводят в специальные пруды-накопители. Одновременно с этим готовят раствор известкового молока Са(ОН)₂ и собранные сточные воды смешивают в смесителях с раствором Са(ОН)₂ в течение 10-15 мин до рН 8,0-8,5. Необходимую рН сточной воды создают, изменяя количество Са(ОН)₂ по отношению к обрабатываемому фильтрату. Обработку фильтрата раствора Са(ОН)₂ ведут при атмосферном давлении и естественном воздухообмене. Далее обработанные сточные воды (фильтрат) распыляют на растительность 1, засаженную по плодородному поверхностному слою 2 рекультивированного полигона ТБО. Одновременно инструментально осуществляют контроль показателя рН поверхностного плодородного слоя 2, который не должен превышать 9,0. В случае достижения рН 9,0 поверхностного плодородного слоя, рециркуляцию временно прекращают до снижения рН этого слоя менее 9,0.

В процессе известкования основная часть ионов тяжелых металлов свяжется в нерастворимые гидроксиды по реакции

где Me²⁺ - ион тяжелого металла, например, Fe²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ и т.д.;

Ме(ОН)₂ - нерастворимое соединение, выпадающее в осадок.

Кроме того, соли тяжелых металлов будут накапливаться в органах растений, образуя прочную связь металл-белок, имеющих низкую степень диссоциации и не обладающих ферментативной активностью.

Также при биологической очистке предварительно произвесткованного фильтрата будет происходить ассимиляция бикарбонатов:

С уменьшением количества карбонатов в воде и выпадением СaСO₃ в осадок будет снижаться общая жесткость воды. Таким образом, известкование фильтрата перед подачей его на растительность способствует биогенному умягчению сточных вод и интенсификации процесса очистки.

Кроме этого процесс обработки сточных вод известковым молоком будет способствовать обеззараживанию стоков от патогенной микрофлоры. Особенно это важно при обработке кислого фильтрата значительно загрязненными патогенными бактериями, яйцами гельминтов и жизнеспособными цистами кишечных простейших.

Пример конкретного выполнения способа.

Был проведен эксперимент по очистке предварительно произвесткованного фильтрата (до рН 9-9,5) путем его многократной рециркуляции сквозь отходы на лабораторной установке и предварительно произвесткованного (до рН 8-8,5) фильтрата на установке с использованием высшей водной растительности (монокультуры Riccia). Растения Riccia помещали в емкость с чистой водой и выдерживали до периода интенсивной вегетации. Затем адаптированные растения высаживали в специальную емкость, в которую подавали предварительно произвесткованный до рН 8,0-8,5 фильтрат. В емкости поддерживали температуру 20±2°С. Была обеспечена средняя освещенность при помощи ламп накаливания и люминесцентных ламп. Объем подаваемого фильтрата к исходной жидкости в емкости составил 1:12, что составило 2-4 мм/сут. Воду для анализа брали со средней глубины емкости после тщательного перемешивания ее продувом воздуха. Эффективность очистки контролировалась по показателям общей жесткости, перманганатной окисляемости, аммонийного азота, щелочности и рН. Концентрацию ионов тяжелых металлов определяли с помощью атомно-абсорбционного анализа в режиме плазменной атомизации. Эксперимент проводили в течение тридцати дней. Положительным моментом процесса очистки с помощью растений Riccia, предварительно произвесткованного фильтрата (до рН 8-8,5), по сравнению с показателями, полученными при очистке предварительно произвесткованного фильтрата (до рН 9-9,5) путем его многократной рециркуляции сквозь отходы, было улучшение эффекта очистки от ионов тяжелых металлов(Рb ²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺) в среднем на 13% и снижение аммонийного азота в 1,3 раза. В период подачи произвесткованного фильтрата в емкость с растительностью в объеме 5-6 мм в сутки происходило угнетение растительности и появление на листьях белого налета. Предварительно произвесткованный фильтрат до рН 9,0-9,5 оказывал угнетающее действие на растительность предположительно в результате нарушения биологических процессов. Предварительно произвесткованный фильтрат до рН 8,0-8,5 не имел отрицательного влияния на процессы в емкости, где рН стабилизировался водной растительностью до 7,0-7,5.

Предлагаемый способ позволяет:

- интенсифицировать процесс очистки сточных вод от органических и минеральных загрязнений, а также высоких концентраций тяжелых металлов за счет биологического действия растительности;

- обеспечить более эффективное управление процессом очистки за счет использования естественной экологической системы при создании многослойного рекультивационного покрытия, засаженного растительностью;

- ускорить и удешевить процесс очистки сточных вод за счет того, что не требуется дополнительная откачка фильтрата и вывоз его на специальные сложные многоступенчатые очистные сооружения;

- решить проблему количества образующегося фильтрата за счет процессов транспирации растительности при использовании его для орошения растительности и трансформации содержащихся в фильтрате веществ, служащих дополнительными питательными веществами для растений;

- снизить пожароопасность рекультивированного полигона ТБО за счет прекращения протекания окислительных процессов в теле полигона ТБО в результате накопления образующихся осадков с высокой щелочностью в водобалансовом слое рекультивационного покрытия, предотвращающего возможность реагирования (взаимодействовия) загрязняющих веществ, содержащихся в этом осадке с биоразлагаемыми компонентами в массиве полигона ТБО.