Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) биотехнологическими методами Рудакова Лариса Васильевна

Содержание к диссертации

1 ЛАІзА 1. лАгА-К.1ііх Иi ~j)sxjji\J\. ІЛт.і1^і\.г1і1

ІЮСЛііДСІІЗИл JMiH^LFLW оАІ "лоНліОІ-ЦІ^ІЛ.

ККІІ yhx . І В JVUiLТ jA^ИrUrlllrlFLH LbОJ 1 7

1. Физико- химические и оиохимические аспекты биодеградации органических веществ на полигонах захоронения ТБО 17

2. Змиссии оиогаза от полигонов захоронения 1ЪО. Качественная и количественная характеристика 23

3. Образование фильтрационных вод на полигонах захоронения ТБО 28

1.3.1. Условия образования фильтрационных вод 28

1.3.2. Количественная оценка образования фильтрата.
Ураинение водного баланса 29

1.3.3. Изменение качества фильтрационных вод на разных
этапах жизненного цикла полигона ТБО 35

1.4. Характеристика современных и перспективных
технологий снижения эмиссии загрязняющих веществ

от полигонов ТБО 40

4. Сортировка ТБО 40

5. Сжигание ТБО 43

6. Компостирование ТБО 45

7. Вермикомпостирование органических отходов 53

8. Технологии очистки фильтрационных вод полигонов ТБО 61

9. Утилизация и дезодорация биогаза на полигонах ТБО 67

1.5. Мдтоды управления полигоном ТБО для снижения

эмиссии загрязняющих веществ 69

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА ОКРУЖАЮЩУЮ ПРИРОДНУЮ СДЕДУ 78

10. Использование метода системного анализа для оценки воздействия полигонов ТБО на окружающую природную среду 78

11. Обоснование выбора объектов исследования 79

2.3. Оценка воздействия полигона ТБО г. Пмрми на
окрууающую природную среду 81

2.3.1. Геологические и гидрогеологические особенности
размищения площадки полигона ТБО 81

2.3.2. Образование биогаза на полигоне. Расчет количества
биогаза 85

3. Расчет количества фильтрационных вод. Уравнение водного баланса 89

4. Качественная характеристика фильтрационных вод 90

5. Оценка воздействия полигона ТБО г. Пмрми по запаху 93

2.4. Характеристика полигонов ТБО малых населенных
пунктов Пермской области 97

1. Полигон ТБО д. Страшная Грра Пермского района 97

2. Полигон ТБО г. Полазна Пермской области 98

2.5. Оценка экологической ситуации в районах размищения
полигонов ТБО г. Внна (Австрия), г. Висбадена
(Германия) 101

ГЛАВА 3. УТИЛИЗАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФРАКЦИИ
ТБО МЕТОДОМ КОМПОСТИРОВАНИЯ 106

3.1. Характеристика морфологического состава ТБО

гППерми 106

3.2. Характеристика покока биологически разлагаемой
фракции ТБО 111

3.3. Разработка технологии компостирования
биологической фракции ТБО 113

3.3.1. Теоретические освовы компостирования. Параметры
процесса 113

3.3.2. Экспериментальные исследования процесса
компостирования отдельных фракций ТБО и ПО 118

3.3.2.1. Разработка технологии компостирования
органических отходов предприятий г. Кудымкара 118

3.3.2.2. Компостирование органических отходов Пермского
целлюлозно-бумажного комбината 134

3.3.3. Разработка технологической схемы компосиирования
биологической фракции ТБО г. Пмрми 148

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ

ВЕРМИКОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ

ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ 151

4.1. Сущность и параметры процесса
вермикомпостирования органических отходов 151

4.2. Экспериментальные исследования процесса
вермикомиостирования 153

3. Исследование процесса деструкции твердых отходов ПЦКБ с помощью культуры дождевых червей с применением ящичной и траншейной технологии 153

4. Разработка конструкции вертикального биоррактора 160

4.3. Разработка технологической схемы участка
вермикомпостирования с применением биореакторов

вертикального тппа 181

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ДЕЗОДОРАЦИИ
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ НА УЧАСТКЕ АЭРОБНОЙ
СТАБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ 189

5.1. Биодеструкция органических веществ на стадии
аэробной стабилизации 189

2. Характеристика отходящих газов, образующихся при компостировании ТБО 194

3. Разработка биофильтра для дезодорации образующихся

при компостировании гаоов 195

5.3.1. Экспериментальные исследования по изучению
сорбционных свойств загрузочных материалов
биофильтра 195

4. Характер процессов, протекающих в биофильтре 202

5. Разркботка конструкции и расчет биофильтра 206 ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД ПОЛИГОНА ТБО 214

6.1. Экспериментальные исслеиования процесса
интенсивной биохимической очистки фильтрационных

вод 214

1. Аэробная очистка фильтрационных вод 214

2. Анаэробное сбраживание фильтрационных вод 219

6.1.3. Исследование двухступенчатой аэробно-анаэробной
очистки фильтрационных вод 222

6.2. Разработка комплексной технологии очистки
фильтрационных вод 224

6.2.1. Разркботка биосорбционного фильтра 224

3. Подбор и обоснование сорбционных материалов фильтра 224

4. Экспериментальные исследования по изучению сорбционных свойств загрузочных материалов биофильтра 226

6.2.1.3. Разработка конструкции биофильтра 231

6.2.1.4. Сорбыионные процессы в биофильтре и расчет
биофильтра 234

6.2.1.5. Экспериментальные исслеиования по подбору
растений-галофитов 238

6.2.2. Очистка фильтрационных вод в биологических
прудах 240

6.2.2.1. Теоретические освовы использования
биологических прудов 240

2. Обосиование использования водных и полуводных растений в секциях прудов 244

3. Оценка эффективности очистки фильтрьционных

вод в биологических прудах 245

6.2.2.4. Конструкции и расчет прудов 248

6.2.3. Организация гидроботанической площадки для
доочистки фильтрационных вод 252

6.3. Оащая технологическая схема комплексной очистки

фильтрационных вод 253

ГЛАВА 7. КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛИГОНАМИ
ТБО БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ 257

7.1. Анализ входящих и выхидящих потоков веществ на
полигоне ТБО 257

7.2. Управление потоками веществ в биорракторе 261

7.3. Обосиование критериев управления потоками веществ

в биореакторе 267

7.4. Структура концепции управления полигоном ТБО как
биологическим реактором и ее практическая реализация 272

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 282

ЛИТЕРАТУРА 286

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. В настоящее время твердые бытовые отходы (ТБО) традиционно обезвреживаются с помощью свалок, часто располагающихся в селитебной зоее. Несмотря на сущесивование современных промышленных технологий обезвреживания и утилизации отходов (сжигание на мусоросжигательных заводах, аэрабная ферментация с получением стабилизированного органического продукта и анаэробная ферментация), способ утилизации и обезвриживания ТБО на свалках и полигонах наиболее распространен [1]. В России до 90 % ТБО складируется на полигонах.

На свалках, в результате биохимического разложения фракций ТБО, подверсающихся биодеградации, образуются фильтрационные вдды и боо-газ. Процесс биохимического разлижения определяется взаимодействующими дууг с другом сломными первичными и втормчными факторами. К первичным факторам относятся геологические, гидрогеологические и гддрометеорологические особенности места размещения свалки, состав отходов (включая концентрацию доноров и акцепторов электронов, состав микрозоценоза и влажность), технология складирования ТОО, фильтрационные свойства почв, топография местности и растиыельный покров. Эти условия определяют вторичные факторы: редокс-потенциал, рН, температуру, физико-химические процессы. К факторам, определяющим направлентость биохимических процессов, относят молекулярные свойства отходов (водорастьоримость, коэффициент распределения вода/липиды, летучесть, размер молекул, их заряд, конформацию молекул и функциональные группы, способность сорбировать микроорганизмы), а также межвидовое взаимодействие различных физиологических групп микроорганизмов.

Продукты биоразложения ТБО вызывают загрязнение объектов боосферы (почв, поверхностных и грунтовых вод, атмосферного воздуха).

Эмиссии биогаза, состоящие на 60 % из метана [2], приводят к появлению неприятных запахов, закииленню грунтовых вод и оказывают угнетающее действие на корневую систему растений [3]. При нарушениях технологии складирования ТБО или неправильной эксплуатации свклки вззможны взрыво- и пожароопасные ситуации.

Фильтрационные вдды содержат раствыренные органические и неорганические вещаства, относящиеся к различным классам химических соединений. Содержание загрязняющих веществ в фильтрате в 10-20 раз превышает содержание загрязняющих примесей в быыовых сточных водах [4]. Загрязнение органическими веществами и токсмчными соединениями грунтовых и поверхностных вод, поступающих со сволок с фильтратом, может длиться десятилетиями и распространяться на большие расстояния [5].

Фильтрационные вдды опасны в санитарно-эпидемиологическом отношении, так как содержат болезнетворные бактерии, вирусы, яцца геььминтов. Коли-индекс фильтрационных вод в 2-3 рзза выше, чем в городсоой канализации [6].

Сложившаяся экологическая ситуация в районах размещения свалок, требует решения вопросов, связанных со снижением эмиссии загрязняющих веществ от свалок ТБО и уменьшения, тем самым, экологической нагрузки на объекты окружающей природной среды.

В настоящее время существуют технологии снижения эмиссии загрязняищих веществ от сволок ТБО.

Так, для очистки фильтрационных вод используются следующие таадиционные методы очистки: физико-химические - химическая коагуляция и флокуляция, адсорбция актывным углем, обратный осмос, адсорбция на полимерах, химическое окисление, выпаривание и облучение; биохимиче-

сиие - аэробная и анаэаобная интенсивная очистка, очистка в аэрационных прудах.

Анализ литературных источников показал, что ни оиин из перечислеыных методов не является достаточно эффемтивным. Например, озоно-лзз, адсорбция на активном угле, катионный обмен и обратный осмос снижали концентрацию органического углерода на 48, 86, 53, 91 - 96 % соответственно. Кмоме того, многие перечисленные технологии являются материало- энергоемкими и технологически сложными.

В качестве альтернативного, применяется метод рециркуляции фильтрата через тлло свалки ТОО. Оещее воздействие рециркуляции заключается в увеличении влажности отходов, что ускоряет процесс биодеирадации отходов, и в дополнительном осаждении сульфидов тяжелых металлов. При эоом концентрация ионов аммония, хлорид-ионов и ХПК может оставасься достаточно высокой и после нескильких циклов рециркуляции возрастать. Увеличение обгего объема воды, доступной для рециркуляции, может снизить скорости покока жидкости скзозь массу отходов и уплотнить слои отходов, что нарешает процесс аэробного окисления отходов и приводит к горизонтальному перемещению жидкости в окружающую сееду

Использование биогаза, образующегося на свалках, имеет перспективы, так как он может служить источником энергии, при условии значительных количеств выхода метана, достаточной изученности процесса ме-танозенеза на даоном объекте складирования отходов и эконооической целесообразности. На современных полигонах захоронения ТБО уменьшение негативного воздействия биогаза осуществляется методом сжигания или внедрением комплекса технических мероприятий, направленных, пеежде всего, на эффективное рассеивание биогаза в атмосферном воздухе, что не снижает появление неприятных запахов от полигона.

Недостаточная эффективность существующих технологий снижения эмиссии загрязняющих веществ от свклки ТБО заключается в тмм, что проводимые мероприятия носят в основном технический характер, что позволяет уменьшить воздействие уже образовавшихся продуктов разложения органических веществ, не влияя при эоом на процессы, происходящие в тлле свалки, делая ее неуправляемой.

С целью разработки более эффективных технологий снижения эмиссии необходимо рассматривать свклку как биолоиический реактор и управлять им в соотвитствии с биотехнологическими принципами. На типичной свклке вся система в целом работает, как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеирадации и подвергаются случайным воздействиям,

Теория управления свалкой ТОО, как биореактором, только начинает складсваться из-за слогного характера поведения отходов, связанного с наслаиванием ногого материала через неравные промежутки времени [7]. При разработке технологических сеем снижения эмиссии не рассматривается жизненный цккл ТБО и не учитывается длительное сущесивование биореактора, эмиссии которого представляют опасность и в постэксплуатационный период.

Следовательно, актуальным является разработка биотехнологических методов снижения экологической нагрузки полигонов ТБО на объекты окружающей среды, в основе которых лежат природные механизмы самоочищения, способные функционировать длительное время без вмешательства человека.

Цель работы. Научно-методическое обоснование и разркботка биотехнологических методов снижения экологической нагрузки полигонов ТБО на окружающую природную сруду. Основные зачачи исследований.

Выявить закономерности биодеградации органических веществ на полигоне ТОО, провести комплексный анализ воздействия полигооов ТБО на окружающую природную среду и оценить существующие технологии снижения эмиссии загрязняющих веществ с учетом этопов жизненного цикла ТБО.

Разратотать методы, технологии и технические средства уиилизации биологической фракции ТБО.

Экспериментально обостовать и установить свойства загрузочных материалов биофильтра и определить механизмы процесса деградации веществ-одорантов.

Разратотать технологию и конструкцию установки для дезодорации отходящих гаоов в процессах аэробной стабилизации и компостирования ТБО.

Экспериментально обосновать использование загрузочных матероалов биосорбционного фильтра и определить параметры процесса сорбции органических веществ.

Разратотать комплексную технологию и технические средства очистки фильтрационных вод полигона ТБО.

Разратотать концепцию управления полигоном ТОО, как биолоиическим реактором, и научно-методические припципы выбора оптимального комплекса биотехнологических методов снижения эмиссии загрязняющих веществ на полигонах захоронения ТБО.

Объектом исследования являлись полигоны ТБО Пермской облас
ти (г. Пермь, г. Полазна, г. Березники, д. Страшная) и полигоны ТБО в
Германии (г. Висбаден) и Австрии (г. Вена). Исследованные полигоны от
личались сложившейся системой управления ТОО, технологиями склади
рования отходов, морфологическим составом ТОО, физико-
географическими условиями размещения полигонов, этамами жизненного

цикли полигона, мероприятиями по снижению экологической Hal рузки Ha окружающую среду.

Экспериментальные исследования проводились на базе лаборатории кафедры охраны окружающей среды Пермского государственного технического университета, института водных проблем и менеджмента отходов .венского технического университета, высшей технической ШКОЛЫ Гі Висбадена (Германия) с использованием лабораторных модельных установок и в натурных условиях на полигонах 1ЬО Пермской области, Австрии и Германии. Анализ и оценка воздействия полигонов на объекты окружающей среды, изучение параметров разработанных технологий и определение их эффективности, необходимые расчеты были выполнены в соответствии с установленными методиками.

Научная новизна исследований состоит в том, что:

Разработана концепция управления полигоном ТБО, как биологическим реактором, основанная на комплексе организационных и биотехнологических принципов, реализация которой позволит снизить эмиссию загрязняющих веществ в окружающую среду;

Разработаны принципы и критерии управления биореактором путем регулирования потоков веществ на входе и выходе с учетом типа полигона, особенностей его эксплуатации и этапа функционирования;

Разработан и обоснован комплекс организационных мероприятий, обеспечивающих снижение содержания органического углерода в принимаемых ТБО на уровне 12-15 %, что позволяет снизить пиковые нагрузки загрязняющих веществ в газовых выбросах и фильтрационных водах;

На основании экспериментальных исследований определены оптимальные параметры комплексной технологии очистки фильтрационных вод полигонов ТБО, включающей биосорбционный фильтр, биологические пруды и гидроботаническую площадку; разработан ускоренный метод

определения БПК для контроля качества воды, прошедшей очистку [патент 1836816];

Определены оснывные характеристики загруыочных материа
лов биосорбционного фильтра и параметры процесса сорбции органиче
ских веществ, содержащихся в фильтрационных водах;

Установлено влияние различных концентраций ионов хлара, содержащихся в фильтрационных водах, на рсст и развитие водных и наземных расиений и обосновано использование растений-галофитов на поверхности биосорбционного фильтра и в биолоиических прудах;

Установлены параметры процесса дегридации органических веществ, содержащихся в фильтрационных водах полигонов ТОО, в биологических прудах и обоснована возможность их применения в комплексной технологии очистки в климатических условиях Западного Урала;

Предыожены, обоснованы и установлены свойства загрузочных материалов биофильтра, применяемого в технологии дезодорации отходящих гаоов от комплекса дурнопахнущих веществ, образующихся при кммпостировании отходов, и опренелены параметры процесса сорбции ве-ществ-одорантов.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается: многолетними (более 8 лтт) исследованиями автора в области снижения экологической нагкузки полигонов захоронения ТБО на окрууающую природную среду; применением современных методов тооретических исслеиований и большим объемом лаборыторных и опытно-промышленных экспериментов, выпоыненных по общепринятым методикам; достаточной сопоставимостью (более 90 %) результатов аналитичесиих решений с результатами лабораторных, натурных и опытно-промышленных исследований; положительным опытом реализации предложенных технологий и технических решений на полигонах ТБО Пмрмсоой области.

Практическая значимость результатов исследования заключается в разработке:

технологии утилизации биологической фрикции ТОО;

технологии вермикомиостирования биологической фракции твердых быыовых и промышленных отходов;

опытно-промышленного биореактора вермикомпостирования;

технологии дезодорации отходящих гаоов от участка аэробной стабииизации отходов, площадок компостирования и полигонов на стидии рекультивации;

конструкции биофильтра для улавливания комплекса дурнопах-нущих веществ: меркаптана, сероводорода, аммиака, феаола;

комплексной технологии очистки фильтрационных вод, включающей биосорбционные фильтры, биологические пруды и гидроботаническую площадку;

конструкции биосорбционного фильтра для удаления органических биорезистентных загрязнений из фильтрационных вод полигона ТБО;

методических рекомендаций по внедрению биотехнологий на полигонах ТОО, обеспеиивающих снижение эмиссии загрязняищих веществ.

Внедрение результатов исследований. Материалы научных исследиваний использованы при разработке проектов полигонов захоронения ТБО г.г. Березники, Чайковский, Пермь; при разработке технологии компостирования бытовых и промышленных отходов г. Кудымкара, при пддготовке ТЭО площадки компостирования биологических отходов г. Перми; при разработке технологии вермикомпостирования отходов Пермского целлюлозно-бумажного комтината и конструкции опытно-промышленного биореактора; проекта ОВОС мусороперегабатывающего завода г. Перми. Материалы исследований использованы при разработке леиций по курсам

«Экология», «Прикладная экология», «Химия и микробиология воды», спецкурсу «Биохимические методы переработки быыовых и промышленных отходов», читаемых студентам различных специальностей Пермского государгтвенного технического униветситета а также учебного пособия в рамках совместного европейского проекта ТЕМПУС - ТИСИС TJEP -10333-97.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывалссь и обсуждались на 16 конференциях и научно-практических семинарах, в том числе на: международной конференции «Загрязнение окружающей срыды. Проблемы токсикологии и эпидем»ологии», Мвсква - Пермь, 1993; третьем Междонародном конгрессе «Биоконверсия органических отходов», Москва, 1994; международной конференции «Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы», Пермь, 1996; Болгарско-Российской научной конференции «Проблемы охраны окружающей среды на урбанизированных территориях», Варна - Пермь, 1997; научно-практическом семинаре института водных проблем и менеджмента отходов Венского технического университета, 1998; совещании в высшей технической шлоле г.Висбадена (Германия), 1999; научно-практических конференциях Пермского государственного технического униветситета (1995 -1999).

Публикации. По тмме диссертации опубликовано 2 монографии, 9 статей в центральной печати, 21 публикация в вдде материалов и тезисов конференций различных уровней, получен 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, смми глвв, выводов и рекомендаций, списка литературных источников. Текст изложен на 311 ст.., иллюстрирован 33 рис., 55 талл. Указатель литературы содержит 291 источников, из них - 143 отечественных, 148 - зарубежных авторов. Приложения содержат документы о внедрении результатов работы.

ГВАВА 1. ХАРАКТЕР И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЭМИССИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ МЕСТ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

1.1. Физико-химические и биохимические аспекты биодеирадации органических веществ на полигонах захоронения ТОО.

К твердым быыовым отходам (ТБО) относятся муниципальные отходы: отходы, произведенные населением, торговыми предприятиями, ресторанами, учреждениями и муниципальными службами [8,9]. ТБО представляют собой гетерогенную смесь слогного морфологического соствва (черные и цветные металлы, макуаатура, текстиль, стеклобой, пластмасса, пищевые отходы, камни, кости, резина, кожа, девево и т.д)).

Состав твердых отходов варьирует в завистмости от страны, тппа хозяйства, времени года [10,11]. Несмотря на то, что в развитых странах соатав твердых отходов становится все более однотипным, существенные различия встречаются джже на относительно небольших расстояниях. Ееегодно, каждый городской житель производит 200-500 кг ТОО, требующих удаления и ликвидации [8].

В настоящее время почти во веех странах мрра большая часть ТБО захоранивается на свалках и полигонах: в СНГ - более 95 %, в Великобритании - 90 %, в США и Германии около 70 %. Исключение составляют страны, имеющие небольшую территорию, и высокую плотность населения - Япяния, Швейцария, где на полигоны вывозят всего 25 -30 % образующихся ТБО [8].

Стритегия размищения твердых отходов на свалках значительно различается в разных странах. Но в любом слачае захоронение ТБО на свалках и полигонах приводит к изъятию больших земельных участков; безвозвратной потере цеыных компонентов, содерсащихся в ТБО; боль-

шим транспортным расходам, связанным со значиыельным удалением са-лок и полигонов от горвдов; возрастанию экологической опасности в рййоаах размищения сволок и полигонов (загрязнение почв, подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха); ухудшению санитарно-эпидемиологической обстановки в зоне влияния полигонов и свалок.

Поведение отходов на свклке носит сложный характер, так как вес время происходит наслаивание ногого материала через неравные промежутки времени [7].

Прсцесс биодеирадации твердых отходов зависит от градиентов температуры, концентрации газа и жидкости, редокс-потенциала (Eh), рН, ферментативной активности и покока жидкости.

К факторам, определяющим биохимическое разложение бытовых отходов, относятся их молекулярные свойства (водорастьоримость, коэффициент распределения вода/липиды, летучесть, размер молекул, их заряд, способность сорбировать микроорганизмы); межвидовое взаимодействие различных микроорганизмов, наличие поверхностей раздела фаз [12].

Характерной чертой свалок является наличие сложной взаимозависимой системы микроорганизмов, которые существуют как ассоииации клеток различных вивов, прикрыпленных к поверхности твердых частиц. Эти ассоциации зависят от градоентов концентрации доноров и акцепторов электронов и водорода,

На начальной стидии катаболизма твердых отходов преобладают аэрыбные биохимические и физико-химические процессы, в хдде которых лабильные молекулы быстро разрушаются беспозвоночными (клещами, двупараногими, равноногими, нематодами) и микроорганизмами (грибами, бактериями, актиномицетами).

Для биохимического окисления органических веществ, их молекулы должны сорбироваться на поверхности клеток за счет конвективной и мо-

лекулярной диффузии, а затем проникнуть через полупроницаемую цито-плазматическую мембрану.

Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Суммарные реакции биохимического окисления, протекающего в аэробных условиях, схематично можно представить в следующем виде:

CxHYOzN+(x+y/4+z/3+3/4)02 -» ХСО2 + (у-3)/2Н₂0 + NH3 +ДН (1.1.)

CxHYOzN + NH3 + 02 -» C5H7NO2 + С0₂ +А Н (1.2.)

Промежуточными продуктами окислительных реакций являются жирные кислоты: пропионовая, масляная, олеиновая, пальмитиновая.

При дальнейшем окислении начинается превращение клеточного вещества:

C5H7NO2 + 5 02 -> 5 С02 + NH₃ + З Н₂0 +Д Н (1-3.)

NH₃ + 02 -> HNO2 + 02 —> НЬЮ₃ (1.4.)

На следующей стадии начинается катаболизм макромолекул, таких как лигнин, танин, лигноцеллюлоза, меланин. Биодеградация этих веществ протекает медленно, вследствие чего кислород перестает играть роль лимитирующего фактора. Продолжительность этого периода варьирует и частично зависит от предобработки.

Метод оценки степени биодеградации основан на различиях в скорости разложения целлюлозы и лигнина [11]. Отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет: 4,0 для непереработанных отходов; 0,9 - 1,2

для частично стабилизырованных отходов; 0,2 - для полностью стабилизированных отходов.

Ксенобиотики подвергаются биодеградации аналогичным образом, К моменту окончания описанных процессов, в органической фкакции достигается соотношение C:N > 55:1, что возможно лимитирует пооцесс аэрогного разложения.

В течение этой стадии рсст темпрратуры до 80 С и присутствие бактерицидов абиотического происиождения приводят к гибели или инактивации патоыенных микроорганизмов, личинок насекомых и семян растений. Температура используется в качестве индикатора работы свалки [13]. Повышение темпрратуры увеличивает активность и скорость роста микроорганизмов, но отрицательно влеяет на растворимость кислорода.

Образовавшиеся при аэробном окислении диоксид углерода и жирные кислоты снижают значение рН. Изменение реакции среды ускоряет гидролиз полимеров и способствует растворению металлов, обраиующих комплексы со свобмдными кислотами.

Исчерпание молекулярного кислорода при одновременном накоплении диоксида углерода создает микроаэрофильные условия, в которых ре-докс-потенциал уменьшается, рН увеличивается и металлы начинают выпатать в осодок в вдде сульфатов и карбонатов. При низких значениях Eh тяжелые металлы образуют комплексы с ионами аммония и гуминовыми кислотами. Создание микроаэрофильных условий сопровождается ростом числа факульхативных, а заеем и облигатных анаэробов. В отличие от аэробного метаболизма, при котором минерилизация отходов часто достигается с помощью одного вдда бактерий, анаэаобная биодеирадация требует совместного метаболизма микроорганизмов разных видов.

Это симбиотическое сообщество, благодаря тому, что оно может менять птти ферментации, функционирует как саморегулирующаяся система, поддерживающая рН, окислительно-высстановительный потенциал и трр-

модинамическое равновесие. Процессы, протекающие в биомассе, вкюючают конверсию сложных органических субстратов (полисахаридов, липи-дов, белков) в метан, углекислый газ, сероводород и аммиак.

Микробный метаболизм сопровождается значительным образованием воыы, что сказывается на общем водном балансе свалки [14].

Бактерии, участиующие в конверсии, делятся на три функциональные группы.

Грпппа гидролитических бактерий или ацидогенных, обеспечивает начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных органических кислот и других соедийений: уксусная, пропионовая, масляная, капроновая кислоты, метанол, этанол, глицерин, целлюлаза, водород, метан.

Гетероацетогенные бактерии продуцируют уксусную кислоту и водород. Конверсия отдельных органических соединений протекает в соттветствии с химическими реакциями:

С2Н5СООН + 2 НОО—> СН3СООН + СОг + 3 Нг (1.5.)

С3НОСООН + 2 НгО -> 2 СНзСООН + 2 Нз (1.6.)

Метаногенные бактерии синтезируют метан в результате восстановления метильной группы уксусной кислоты и метилового спирта:

(1.7.)

СНзСООН —> СН( + СОг
4 СНзОН ^ 3 СН4 + СОз + 2 НгО (1.8.)

Для тех виоов метаногенных бактерий, которые не спонобны утилизировать уксусную кислоту и метанол, характерен иоой механизм образо-

вания метана. Такие бактерии синтезируют метан в результате воссвановления диоксида углдрода по реакции:

4 RH2 + С02-> СН( + 2 Н₂О + R (1-9.)

где R - органический радикал По данным рдда исследований в процесс метанообразования вовлекаются и более сложные вещества, такие ккк, масляная, пропионовая, капроновая, валераановая кислоты и соответствующие спирты.

Во время гидролиза и ферментации бактерии, не нуждающиеся во внешнем акцепторе электронов, гидролизуют полимеры (полисахараиды, липиды, белки и нуклеиновые кислоты) и сбраюивают образовавшиеся мономеры до водорода и диоксида углерода, линыйных и разветвленных жирных кислот, а также до этанола, молочной и янтарной киолот [12].

При низких концентрациях водорода равновесие химической реакции смещается в сторону более окисленных продуктов, в основном ацетата, этот же эффект наблюдается при поддиржании низких концентраций лактата [15].

В процессе образования ацетата участвуют два тппа ацетогенных бактерий: водородообразующие ацетогенные бактерии, получающие энергию для роста при совместной конверсии спиртов и органических кислот в уксусную кислоту и водород (иногда диоксид углерода); гомоацытогенные бактерии, катаболизирующие углеводороды, водород и диоксид углерода в уксусную кислоту [16]. Основное различие между двумя типами ацетогенных бактерий состоит в том, что водородообразующие бактерии должны расти в совместной культуре с бактериями, облигатно снижающими кннцентрации водорода, такими как нитрат- и сульфатвосстанавливающие или метаногенные бактерии для поддиржания низкого парциального давления водорода [17] в противном слачае происходит накопление жирных кисло, являющихся ингибиторами процесса разложения органических веществ.

При метаногенезе возможны два тппа лимитирования роста метано-генных бактерий, потребляющих диоксид углерода. Во-пхрвых, на полигонах ТБО часто высока концентрация акцеоторов электронов, таких как нитраты и сульфаты. Во-вторых, гомоацетогенные бактерии также могут потреблять диоксид углерода, восстанавливая его до уксусной кислоты, и конкурируя, таким образом, с метаногенными бактериями за водород. В настоящее время известно восемь различных субстратов метаногенных бактерий, черыре из которых обнаружены на полигонах ТОО: смесь диоксида углдрода с водомодом, уксасная кислота, метанол и триэтиламин [12].

Электронодонорные и электроноакцепторные соединения, содержащиеся в поступающих отходах, оказываются в области взаимодействия микроорганизмов, относящихся к группам с различным типом метаболизма. Ситуация усложняется еще и тмм, что за исключением диоксида углерода, эти вещества используются последовательно, и эта последовательность может ограничивать протекание различных реакций и взаимодействий. Например, снижение высоких концентраций сульфата сульфатвосста-навлимающими бактериями и превращение его в сероводород подавляет активность метаногенных бактерий, так как восстановление сульфата энергетически более выгодно, чем образование метана из водорода, диоксдда углдрода и ацетата [18].

1.2. Эмиссии биогаза от полигонов захоронения ТОО. Качественная и количественная характеристика.

В результате процессов биодеградации твердых отходов образуются биогаз и фильтрующиеся в почву воды.

Бизгаз, образующийся на полигонах захоронения ТОО, с одной соороны, является нежелытельным продуктом, а с другой - может служить источником энергии. Выбросы биогаза приводят к появлению неприятного

запаха, способствуют закииленню грунтовых вод, снижению урожая сельскохозяйственных культур, самовозгоранию.

На стидии аэробного разлижения твердых быыовых отходов (в ацидогенной фазе ) в составе биогаза преобладает углекислый газ, а на стидии метанообразования основная часть биогаза (50 - 75 %) представлена метаном. Другие компоненты биогаза синьно варьируют, хття на обеих фазах биодеградации веществ в составе биогаза присуюствуют вещества-одоранты: меркыптаны, жирные кислоты [19-21].

В талл. 1.1. представлены сведения о компонентном составе биогаза по данным М.Гандолла [22].

Таблица 1.1. Компынентный состав биогаза

Состав и количество биогаза варьирует (рис.1.).), в завистмости от этппа жизненного цикла полигона ТБО [23].

По расчетам [23] максимальный теоретический выход метана должен составлять 0,266 м ккг отходов (в пересчете на сухое вещество). Однако, более реальной является цифра 0,047 м /кг [23]. Провести сосос-

тавление реальных и теоретических значении выхода метана затрудни-тельно, так как информации о реальных системах очень млло L-z^rj. В пери-од наиоолее активного метаногенеза достоверное значение расхода колео-

ЛЄТСЯ от 3,1 до 5 11 л/кг ГОд L-i->J.

1 f V* г ^-JpL^.

Рис. 1.1. Изминение состава биогаза на полигонах ТБО

В. Кристиан [26] изучал завистмость продукции биогаза от объема размещенных на полигоне отходов и возраста полигона. Им получены данные о функционировании ряда полигонов Америки, Великобритании. Германии, Швеции, Дании, свидетельствующие об отсутствии прямой зависимости между изучмемыми параметрами. В качестве примера в табл. 1.2. приведены данные о полигонах Германии.

Метаногенные микроорганизмы чувствительны к влиянию кммплекса факторов окружающей срыды, в том числе и к факторам, связанным с местоположением полигона ТОО.

Состав твердых отходов является определяющим, как для состава газа [27], так и для скорости его образования [28],

Таблица 1.2. Продукция биогаза на полигонах Германии

О потенциальных ингибиторах процесса известно немного, хття имеются сведения, что тяжелые металлы слабо влюяют на чувствытельные метаногенные микроорганизмы [29].

Предобработка твердых быыовых отходов может приводить к рззличным изменениям. Уменьшение размера частиц от 250 до 10 мм увеличивает скорость образования газа в 4 раза, возможно из-за увеличения площади поверхности иии, благодаря лучшему поступлению кислорода.

Увеличение содержания вдды от 10 до 65 % приводит к более заметным изменениям в отходах с низкой плотьостью (0,25 т/м³), по сравнению с отходами с более высокой плотьостью (0,8 т/м³), из-за возрастания подвижности бактериальных клеток, что в соою очередь ускоряет процесс гидролиза и заеем метаногенеза. При постоянной влажности (21 %) увели-

чение плотности от 0,32 до 0,47 т/м приводит к возрастанию скорости газообразования от 410 до 845 мл/сут. на 1 кг сухих твердых отходов [24].

Оптимальное для образования метана содеижание вдды в отходах до сих пор не определено. По одним источникам [24] оптимальным является насыщение отходов войой, по другим источникам оптимум находится в интервале 60-80 % (по массе) или 55-60 % [30,31].

Изменения в скорости метаногенеза появляются при перемещении вдды сквозь толщу твердых отходов. Книнк и Хэм [32] показали увеличение скорости метаногенеза на 25-50 % при движении воды джже в том суучее, когда общее ее содеижание остасалось постоянным, на основании чего пришли к выводу, что движение вдды и ее содержание - два независимо действующих на метаногенез на полигоне фактора. Дальнейшее увеличение скорости метаногенеза происходило, когда вдду замлнили фильтрационными водами, что возможно связано с наличием в вдде веществ-предшественников метаногенеза и изменением рН.

Увеличение содеижания вдды может оказывать ингибирующее дейстиие из-за охлаждения твердых отходов и увеличения редокс- потенциала [30].

Повышение температуры, в целом, увеличивает выход биогаза, По некоторым источникам [23] оптимальной для метаногенеза температурой является 41 ^С и выход метана остсется без изменения в интервале тееператур 48 - 55 С. Температура полигона ТБО меняется под действием микробного метаболизма, теплоты химических реакций и солнечного тппла, которые находятся в равновесии с теплопотерями в атмосферу, почву и воду. Быстрый разогрев часто свазан с аэрыбным метаболизмом, в то время как анаэробиоз часто сопровождается снижением темпрратуры [23].

Нине и Псусс [28] обнаружили наивысший выход газа из подщелочеыных отходов, объяснив это тмм, что при низкой щелочности жирные кислоты поглощают избыток метана. Эоот вывод был впоследствии под-

твержден Эригом [29], по данным которого на работающей свалке или полигоне ТБО для начала метаногенеза отношение концентраций уксусная кислота: щелочь должно составлять менее 0,8. Такая буферная емкость в твердых отходах может быть достигнута добавлением известняка.

1.3. Образование фильтрационных вод на полигонах захоронения ТБО.

1.3.1. Условия образования фильтрационных вод.

Образованию фильтрационных вод предшествует вода, которая просачивается сквозь слой отходов и насыщается растворимыми и суспендированными веществами. Состав фильтрата формируется под влиянием сложных взаимодействующих факторов: геологических, гидрогеологич-ских метеорологических, топографических, морфологического состава твердых бытовых отходов и т.д. Эти факторы определяют изменение ре-докс-потенциала, рН, температуры, физико-химических процессов [12,33]. Когда просачивание воды сквозь твердые отходы превосходит адсорбционную способность отходов, образуются фильтрующиеся в почву воды [34], Некоторое количество таких вод образуется прежде, чем достигается предел адсорбционной емкости (55 % от массы адсорбента) из-за неоднородности отходов, наличия в отходах каналов или из-за интенсивного кратковременного дождя. Сорбционная емкость отходов варьирует в зависимости от предобработки, степени уплотнения и состава отходов. Измельчение, например, увеличивает сорбционную емкость в три раза. Ма-риотт Ж. [311 оценивает эту емкость в 125 л/м . Большое значение имеет также содержание в отходах бумаги так как она может впитывать более 250 % воды от собственной массы [35]. Фильтрующиеся в почву воды содержат разнообразный спектр химических соединений. К идентифицированным компонентам Фильтрационных вод свалок ТБО относятся* метал-

лы; неорганические ионы; алифатические, ароматические и алицикличе-ские соединения; терыены.

Из-за сложности процесса образования фильтрата на свалках и полигонах ТБО до сих пор не существует способа предсказания состава и концентрации фильтрующихся вод. Етть данные о том, что концентрации отдельных компонентов относительно независимы от расхода вдды [36].

Важным является присутствие в вдде фракции тяжелых металлов и пути их миграции в тлле свалки. Существует линайная завистмость мджду логарифмом концентрации металла, выделяющегося из грммма отходов и значением рН фильтрата, исключением являются мддь и хоом [37].

На ранних стадиях функциинирования типичной свклки процесс аэрогного катаболизма приводит к повышению концентрации жирных кислот, снижению рН и растворению металлов, которые заеем образуют комплексы со свободными кислотами [38]. При переходе к микроаэро-фильным условиям редокс-потенциал уменьшается, рН увеличивается и металлы выпадают в осодок в вдде сульфатов и карбонатов [39], что сиижает их концентрацию в фильтрационных водах. Процесс еще более усложняется, если учесть, что при низких значениях Eh тяжелые металлы образуют комплексы с ионами аммония и гуминовыми кислотами.

Состав фильтрата меняется под действием как краткосрочных (сезонные колебания), так и долгосрочных факторов (процесс катаболизма отходов) [40]. Фильтрационные воды, образующиеся на ацидогенной саадии биодеградации отходов, характеризуются высокими значмниями БПК и ХПК и низкой концентрацией гуминовых и фульыиновых кислот, тяжелых металлов и сульфатов. На стидии метаногенеза происходит изменение состава фильтрационных вдд, что сопровождается изменением БПК, ХПК и ростом концентрации гуминовых и фульыиновых кислот.

1.3.2. Количественная оценка образования фильтрата. Уравнения водного баланса.

в процессе депонирования в результате уплотнения ТОО, их разложиния и слеживаемости, из отходов выделяется отжимная вдда - фильтрат. Расход фильтрата зависит от исходной влажности ТОО, их пориитости, плотиости, количества осадков, выпадающих над рабочим телом полигона, их пронииновения вглубь отходов, испаряемости и многих других факторов. Оснмвными факторами, влияющими на расход фильтрата, являются влажность ТБО и приток из вне - осадки (дожди и вдда от таиния снега и льда). Вода, фильтруясь свхрху вниз, не всегда может достигнуть нижних слоев уплотненных ТОО. Только при янно избыточном количестве отжимной вдды и достаточно большой подпитки из вне фильтрат достигает водоупорных слоев в основании полигона и накапливается в слоях ТБО над водоупорным основанием.

По мрре фильтрации при прохиждении через слои отходов, фильтрационная вдда вымывает (выщелачивает) из них растворимые соееинения, бактериальные клетки. В зарубежной литературе фильтрат, образующсйся на полигонах, называют щелоком (Leachate), а процесс его образования - выщелачивание [40].

Расход образующегося фильтрата можно определить на освове ааализа гидрологического баланса полигона ТОО. На рсс. 1.2. представлен гидрологический бананс и образование фильтрата на контролируемом полигоне ТОО, оборудованного дренажной системой для отвода фильтрата и перекрытом свхрху почвенным слоем и слабопроницаемым экраном [41].

Если использовать обозначения элементов гидрологического бананса, приведенные на рис.2.2., то общий внешний приток вдды в рабочее тело полигона (ПВ) можно определить по формуле:

ПВ=АО+РФ+ПС+(-ПС--ЕТ-ЭТ±ДП+КП+ИВП-Ф_и+ИВГ (1.10.)

р» АО Wl

ЯВГ-w

РисЛ.2. Схема гидрологического баланса в закрытом (рекультивируемом) полигоне ТБО с дренажной системой отвода фильтрата: 1 - растительность; 2 - дрена для отвода фильтрата; 3 - почвенный слой; 4 - слабопроницаемый экран; 5 - отходы; АО - атмоыферные осадки; ЕТ - испарение с поверхности, не покрытой растительностью; ЭТ - эвапотранспира-ция (сумоарное испарение вдды растительностью); РФ - рециркуляция фильтрата (полив, увлажнение); ПС - поверхностный соок с полигона; ПС^ - поверхностный сток на полигон; ДШ - вода, содержащаяся в илах, шла-мах задепонырованных на полигоне; АО - вода, содержащаяся в отходах* АП - вод, содержащаяся в почвенном слое; ВР - вол, обоазуюшаяся или

потребляемая в nDonecce разложения отхолов^- РТОП ногтя инЖитттлтл/ю-

щаяся из поверхностных водных объектов в иабочее

трпо ТТО ПИТАЛИ її"

ИВГ -вода, инфильтрующаяся

тов в рабочее тело полигона^- Ф - фильтра, инфильтрующийся из рабоче
го тлла полигона в подземные ('гпунеовые') вопоносоные гопизонть; ФДТ

шИЛЬТТЭа, ОТВОДИМЫЙ из ЛПеНЯЖНОЙ СИСыеМЫ; КСПТ КПНЛЄНСЗ.ЇТИЯ ПЛ"ППв RO-

ды в почвенном слое.

Расход фильтрата (Р)), содержащегося в рабочем тлле полигона рассчитывается следующим образом:

РФ= (ПВ+АО+ДШ±ВР-Фц-ФД)-А (1.1Ь)

где А - площадь рабочего тела полигона

Для более полного определения расхода фильтрата существуют многочисленные формулы, позволяющие рассчитать велнчину ЕТ и ЭТ для различных климатогеографических зон; величину ПС в завистмости от угла наклона поверхности рабочего тлла полигона, стенень его покрытости растительностью, характера поверхности и т.д., расхода атмосферных осадков с учетом их равномерности, продолжительности ливней, их расхода во времени, характера снеыовых явлений, скорости снеготаяния и т.д.; движение вдды через слой отходов, водонастщенности отходов; достаточности экранов, препятствующих инфииьтрации и фильтрации вдды из ра бочего тела полигона и в нгго и т.д.

В этом плане значиыельный практический интерес представляют работы RXanziani, R.Cossu [42], N.C.Blakey [43], RXossu, R. Canziani, G.Gadora [44], a также материалы специальных симповиумов, посвященных проблеме фильтрата полигонов (Амстердам, 1988; Лондон, 1982).

Оиним из основных.факторов, влииющих на количество образующегося фильтрата, являются атмоыферные осадки и температура воздуха в районе размещения полигона. Испаряемость для участков, покрытых рсстительюостью, примерно одинакова и колеслется в пределах 400-500 мм/год, для сельскохозяйственных угодий (пашня - прры без посадок) -около 300-350 мм/год. Более детальная информация об испаряемости для различных категорий участков имеется по Динии в мм/год [45]: асфальти-

рованные участки - 200; плля без посадок - 300; полигоны ТБО в период эксплуатации (без рекультивации) - 350; участок, покрытый травой - 400; участок, покрытый кустамниками и деревьями - 500; участок с водоемами - 600. При этом наибальшая испаряемость наблюдается летом, когда она превышает количество выпадающих осадков.

Количество воды, стекающей с рабочего тела полигона, различается в завистмости от характера осадков (дожди - кратковееменные, обложные, ливневые, моросящие), интенсивности таяния снега и его накопления, улла наклона боковых поверхностей рабочего теаа, качества материала этих поверхностей, стидии работы полигона (период эксплуатации или после рекультивации) и многих других факторов. При веех прочих равных условиях, поверхностный сток с полигона (ПС) будет наибольшим во время лввневых осадков, интенсивного снеготаяния.

Согласно литературным данным, П" с рабочего тлла полигона в период его эксплуатации может бтть принят близким к О мм/г, а полле рекультивации 50 м//г [46],

В том случае, если отходы, складированные на полигоне, не насыщены влагой, они могут впитывать ее до предела полного насыщения. Полностью насыщенные влагой отходы, а также отходы в процессе слижи-ваемости или под влиением давиения уплотнотельной техники могут отдавтть избыток влаги в вдде отжимной воды.

В период эксплуатации полигона отходы за год в среднем впитывюют до 150 мм/год, а отходы на рекультивируемом полигоне вдду практически не впитывают [46].

Утечка фильтрата через водонепроницаемый экран, выпоыненный из полимерных материалов, глины и рабоиающий в услявиях незначительного гидравлического напора, практически может бтть принята раоной О мм/год.

Заая сумму годовых осадков, испаряемость, объем поверхностного сткка и поглищение вдды отходами, можно ориентировочно определить количество фильтрата, который может образсваться в рабочем тлле полигоаа:

Рф^АО-Е-ПС-Оп-ФгО'А-1^ (1.12.)

где Оф - расоод фильтрата, м ^год; АО - атмосыерные осадки, мм/год; Е - испаряемость, мм/год; ПС - поверхностный сткк, мм/год; Оп -поглищение вдды отходами, мм/год; Фп - утечка через защитный экран, мм/год; А - площадь рабгчего тела полигона, м².

По принятым в России методическим подходам, максимальный суточный расход фильтрата можно определить по формуле [46]:

Чсут" "(Qar, "^Qn.r,y365 (1.13.)

где к - коэффициент, учитывающий влагопоглощающую и испарительную способность ТБО (для полигонов по высотной схеме к=0,1; наклонной к=0,15); Qar - суммарное годовое количество осадков, выпадающих на поверхность отходов, м³/год; Qnr - суммарное годовое количество прочих вод, распределяемых по поверхности отходов (стоки от мойки мусоровозов, контейнеров и пр)), м /год.

Годовой расход фильтрата может изменяться до ±50 % в зависимости от колебания суммы годовыс осадков в засушливые и «переувлажненнее» гоыы. Неравномерно образование фильтрата по меаяцам гоаа: ниибольшее его количество приходится на период с ноября по апрель, а ниименьшее - в период с мая по октябрь, что связано с более интенсивным испарением в летние месяцы.

1.3.3. Изменение качества фильтрационных вод на раыных этапах жизненного цикла полигона ТБО.

Фильтрационные вдды характеризуются высокой степенью загрязненности, так как содержат раствыренные вещества, относящиеся к раыным классам органических и неорганических веществ, микроорганизмы, в том числе патогенные, фиги.

Загрязнение фильтрационных вод происходит по мрре движения вдды через толщу отходов при растворении в них веществ, образующихся в результате совместно протекающих физико-химических и биохимичесиих процессов дестиукции ТБО. Состав фильтрационных вод зависит от возраста полигона, характера депонированных отходов, методов уплотнения ТОО, климатогеографических особенностей района расположения полигона и других факторов.

В литературе приводятся различные даыные о составах фильтрационных вод. В табл.1.3. представлена характеристика фильтрата полигонов ТБО в Германии [47]. В табл. 1.4. приведены данные Mantell N. [48] о качественных изменениях фильтрационных вод.

Многоыисленные исслеиования по изуиению состава фильтрационных вод полигонов ТБО проводятся в России. Результаты исследований хошошо коррелируют мджду собой и позволяют сделать следующие выводы: фильтрат характеризуется высокой цветностью, повышенной миаерализацией, высокими значениями БПК и ХГОС, присутствием токсичных соединений (тяжелых металлов, хлорорганических соединений) [49].

Фильтрационные вдды характеризуются высокой степенью загрязненности в санитарно-бакоериологическом отношении: высокими значениями коли-титр и коли-индекс, общим микробным числом [49,50], наличием патооенной микрофлоры и яиц гельминтов.

Таблица 1.3 Состав фильтрационных вод полигонов ТБО в Германии

Таблица 1.4 Концентрации загрязняющих веществ в продуктах выщелачивания

типичных бытовых отходов

Несмотря на многочисленные факторы, влииющие на качентвенный соатав фильтрата, существуют определенные законотерности его формияования. По данным многих исследований [49, 50, 51,52], мнжно выделить следующие фазы дегридации ТБО и связанное с нмми качество фильтрационных вод: ацидогенная фаза (ацетогеннная), начальная фаза метановой генерации, стабильная метановая фаза, фаза снижения биологи-ческой активности, фаза полной ассимиляции.

Качество фильтрационных вод на различных стадиях деструкции ТБО приведено в табл. 1.5 [50].

Таблица 1.5 Качество фильтрационных вод на различных фазах деградации ТБО

Различные стадии биодеитрукции ТБО сопровождаются качентвеннмми и количемтвенными изменениями фильтрационных вод. На рсс.1.3. показана динамика концентрации загрязняющих веществ на различных стадиях эксплуатации полгона ТБО, установленная на основании наблюдений за поведением отходов на различных полигонах и математического моделирования процесса [29,39].

Образование фильтрата на полигонах ТОО, характеризующегося высокой степенью загрязнения органическими и неорганическими веществмми и опасного в санитарно-эпидемиологическом отноиении, а также длительный период воздействия этих вод на объекты гидросферы оуусловеивает необходимость разркботки методов его обезвреживания.

Wiwyy^Hag^^s^tiijir^g^^c

Q. О

Врямя, год.

Врямя, год.

Ч и 2

Врямя, год.

Р И1.3..1. Динамика изменения концентраций общего органигеского углерода (А), оощего азтта (Б), хлорид-ионов (В) із фильтрационных воаах

1.4. Характеристика современных и перспективных технологий снижения эмиссии загрязняющих веществ от полигонов ТБО

1,4.1. Сортировка ТБО

Основное назначение сортировки ТБО заключается в выдилении цеыных компонентов для вторичного использования и оптимизации состава перед последующей биообработкой или термообработкой ТБО [53]. В России наибольшее распространение получили два вартанта технологии сортировки ТОО: механизированная сортировка ТБО на объектах поомышленной переработки отходов; сочетание механизированной и ручной сортировки на мусороперегрузочных станциях. Сортировка ТБО используется для подготовки их к сжиганию, что позволяет стабилизировать состав отходов, повысить их теплотворную способность за счет удаления негорючих компонентов [53, 54].

Уменьшение количества направляемых на сжигание отходов, в результате предварительной сортировки, сокращает расходы на газоочистку, по сравнению со сжиганием исходных ТОО, и снижает капитальные затраты до 25 % [53]. Сортировке на мусоросжигательных заводах подлежат такие фракции отходов, как чеыные и цветные металлы; стекло; пищевые и растиыельные отходы; полимеры [54].

Использование элетента ручной сортировки ТБО на мусороперегрузочных станциях позволяет выделить утилизируемые фракции в более чистом виде, что особенно важно при отборе макуратуры и полимеров [53]. По мнению рдда исследователей, учитывая специфику обращения с отходами в России, сортировка на мусоропеыегрузочных станциях должна производиться с учетом не токько морфологического состава ТБО, но и возможности реализации выделенных компонентов ТБО потребителям [53, 55, 56].

"р'-*'--'^!'*'СК.з,Я ГОСУам;*С ГЙёННДЯ 41

Реализация выделенных из ТБО цеыных компонентов и использоваиие их в качестве вторичных материальных ресурсов может принести прибыль [57].

Изучение зарубежного опыта обращения с отходами покаеывает возможности использования на практике селективного сбора ТБО с пиивлечением населения. Селеытивный соор организуется по дуум вариантам: покомпонентный - сбор различных фракций ТБО в отдельные контейнеры; коллективно-селективный сбрр, т.е. сбор в оиин контейнер нескильких фракций, например, стекла, металла и бумаги с последующим их разделением на специальных установках [45, 58]. В ФРГ (Земля Нижняя Саксония) вненрена дуааьная система, при которой вся использованная упаковка, которая может бтть утилизирована (консервные банки, пластиковая упаковка, оберточная фольга, вакуумная упаковка и т.д.) собирается отденьно от домашнего мусора [45, 58]. В Динии вненрена система зеленого и красного бкка для ТОО. В зеленый бак жители складывают отходы, которые заеем перерабатываются на компостных заводах, а отходы из красного бака направляются на мусоросжигательный заоод или на полигон захоронения ТБО [45].

В рдде Евроиейских стаан и США наряду с системой различных контейнеров используют систему сбора ТБО в пластиковые мешки разового использования вместьмостью 50-75 л. Обычно сортировка содержимого таких мешков производится вручную в специально оборудованном помещинии на фракции: бумага, текстиль, стекло, пластмасса, металл, опасные

КОМПыНеНТЫ;.

Переход к системе селекгивного сбора ТБО в местах их образования с привлечением всего населения возможен токько при условии подготовленности населения: повышения образовательного и культурного уровня, широкой информированности с привлечением веех СМИ.

Внедрение системы селективного сбора ТБО в РФ на современном этапе не предстсвляется возможным по рдду причин, и в первую очередь из-за неподготовленности населения. Однако, частичный сбор у населения, отсортированного незагрязненного сырья возможен, в частности, отработанных люминесцентных ламп, аккумуляторов, макулатуры, текстиля [59].

Важное значение при сортировке ТБО имеет и тот факт, что таким образом можно выделить значиыельный поток биоразлагаемых пищевых и растительных отходов (до 35 %) и направить его на биолоуическую обработку (компостирование, вермикомпостирование, аэробную стабииизацию или анаэробную обработку), обеспечивая снижение эмиссии органических веществ на полигонах ТБО и использование стабилизированной органичесоой фракции в производстве строительных материалов, удобрения, спирта [53,48].

Смемы механизированной сортировки ТБО должны предусмотреть следующие операции: извличение чеыных и цветных металлов; раздиление покока отходов на горючую и биоразлагаемую фракции; удаление опасных и балластных компонентов [60].

При выборе технологической схемы сортировки, используя зауубеыный опыт, необходимо учитывать уровень культуры и специфику отечественных ТБО и адаптировать предлагаемые технологии к российским условиям [53]. Из известных технологий наибольший интерес представляют: технология механизированной сортировки ТБО итальянской компании «Сорайн-Чеккини»; технология американской компании «Foster Wheeler»; технологическая схема сортировки ТБО фмрмы «ASANI JUKEN Ltd.».

По мнению Швбова Л.Я. [58, 61] для сортировки сложных по составу российских ТБО наиболее эффективной является отечественная технология, дополненная рядом европейских разработок. К преимуществам эоой

нии в основном отечественным ооорудованием; высокая производитель-

видов товорной продукции - тепловая и электрическая энергия, лом чррных и цветных металлов*

1.'t.z,. сжигание іьО

По химическому составу 1г>О представляют сооой смесь почти веех химических элементов в вдде различных соединении, из которых на дллю углдрода приходится около 30 /Ь (по массе) и водорода - 4 /о (по массе). .Именно присутствие этих элементов определяет теплотворную спосоо-ность ТОО, составляющую в развитых европейских странах 1900 - 2400 ккал/кг [53, 54, 62].

Сжигание является высокотемпературным окислением органических компонентов. В завистмости от темпрратуры и характера протекающего процесса выделяют различные методы термической переработки ТБО: слоевое сжигание, сжигание в кипящем слее, сжигание-газификация в плотном слее, сжигание в слое шлакового расплава, сжигание в плотном слое кускового материала и шлаковом расвлаве без принудительного перемешивания материала, комбинированные процессы [53, 62].

Широкое распространение получил метод слогвого сжигания с использованием оборудования «Deutshe babcock Anlagen GMBH» (Германия) [53]. Ткк, в рдде городов России: Сочи, Пятигорске, Севастополе, Мурманске, блли построены заводы по сломвому сжиганию ТБО в топках фмрмы «ЧКД - Дукла» Чихия (по лицензии «Deutshe babcock»). Эксплуатация эиих заводов выявила недостатки: недостаточная эффективность газоочистки при нестабильном горении ТОО, и как следствие этого, ухудшение экологической ситуации в зоне влияния заводов; большой выход недожога [62].

Технология сжигание ТБО в кипящем соое впервые реализована в Японии в 80-х годах. По эколого-экиномическим показателям метод пее-

восходит слоевое сжигание, но является более дорогостоящим [62]. К ведущим фирмам по разработке технологий сжигания в кипящем соое относятся «Lurqi» (Германия), «Ebara» (Япония), «Foster Wheeler» (С)А). Сжигание в кипящем слое заложено в проекты заводов по комплексной переработке ТБО «Руднево» (Москва) и «Тимохово» (Московская область).

Российскими учеными разработан процесс газификации ТБО, позволяющий предотвратить золоунос с газими, обестечить полное разложение органических соединений, свести к минимуму вторичное образование диоксинов [53].

Оснмвными недостатками традиционных методов термоческой переработки ТБО являются большой объем отходящих гаоов (5000 - 6000 м^ на 1 т отхо)ов), образование значительного количества шлоков (оклло 25 % по массе), образование токсичной летучей золы (выход 3-5 %) [53].

При сжигании в составе дыыовых гаоов присуюствуют летучие поодукты вмг/м³: НС1-300-1000; НВг-100-500; HF-2-10; SOj- 100-500. В газовую фазу переходят хлориды свцнца и кадмия, а также ртуть и ее соединения [53, 63]. Тяыелые металлы, содерсащиеся в ТОО, железо, хром, никель переходят в шкак. В процессе сжигания ТБО в условиях недожога образуются токсичные соединения - полихлординензодиоксины и поли-хлордибензфураны [64,65].

Соврыменные методы термической переработки в то же время не лишены некоторых преимуществ: они позволяют уменьшить объем отходов в 10 рзз, обеспечивают эффективное обезвреживание ТБО и дюют вззможность использования энергетического потенциала органических отходов [53].

Для высокотеопературной термической переработки отходов в Рсссии предложено использовать металлургические процессы: процесс Ваню-кова; фьюминг-процесс; процесс «Пироксэл»; доменный процесс. В зауу-

бежной практике изучаются комбинированные технологии: пиролиз-сжигание (процесс «Siemens»); пиролиз-газификация-сжигание (процессы «Noell» и «Thermoselekt». Промышленного применения перечисленные методы пока не нашли [53, 63, 66].

Основная тенденция развития термических методов обезвреживания отходов заключается в переходе от прямого сжигания ТБО к оптимизированному сжиганию, т.е. сжиганию подготовленной в результате селективного сбора, сортировки и обогащения фракции твердых бытовых отходов [53, 67, 68].

1.4.3. Компостирование ТБО

Компостирование ТБО - традиционный утилизационный метод их переработки и обезвреживания. Несмотря на различные модификации метода - от немеханизированных грунтовых площадок для полевого компостирования до высокомеханизированных и автоматизированных заводов -компостирование ТБО в промышленных масштабах не получило широкого применения, за исключением ряда Европейских стран, Китая, Индии. Затраты на компостирование приблизительно равны затратам на сжигание и пиролиз отходов. Но, если при сжигании отходов их объем уменьшается на 90 %, то при компостировании - приблизительно на 30-40 % [62]. Кроме того, заводы по сжиганию и пиролизу занимают меньшие земельные площади. При реализации компоста возникают трудности из-за возможного наличия в нем солей тяжелых металлов, канцерогенных веществ, стекла. Расходы на транспортировку компоста даже на относительно небольшие расстояния часто превышают его стоимость [62].

Все это привело к тому, что большинство крупных заводов в США потерпели крах в семидесятых годах [69], а в Европе работают в дотационном режиме [69, 70].

В большинстве Европейских стран объем ТБО, перерабатываемых в компосты, колеблется в пределах 1-2 % от общего объема образования

ТБО. В последние десятилетия в отдельных странах Европы, (в Дании, ФРГ, Италии, России) продолжают строить и эксплуатировать мусоропе-рерабатывающие заводы с компостными технологиями. В большинстве Европейских стаан на полигонах по захоронению ТБО (свалках ТБО) ояязательными элементами являются участки компостирования. В России получили распространение мусороперерабатывающие заводы с технологическими линиями по изготовлению компостов из ТОО, полевое и индивидуальное компостирование. В СНГ с 1987 года построено восемь компостных заводов в горхдах: Санкт-Петербург, Нижний Новдород, Ташкент, Алма-Ата, Баку, Минск, Тбилиси, Могилев, а в конце 1994 года - девятый заоод в Санкт-Петербурге [71]. На веех этих заводах реализована технология компостирования исходных ТБО без их предварительной сортировки. Некоторым исключением являются заводы Санкт-Петербурга, на которых перед компостированием из ТБО часнично извлекается чеыный металл.

Производство компоста из органических материалов - отходов сельского хозяйства, животноводства, нечистот и кухонных отбросов -блло известно еще в глубокой древности. Из этих отходов формировали компостные ямы (кучи), дополнительно увлажняли в естественных условиях, в результате чгго отходы превращались в гумусоподобное вещество коричневого цвета без неприятного запаха. Полученный компост вносили в почву с целью улучшения ее структуры и повышения плодородия.

В налале XX вкка в России твердые бытовые отходы без предварительного измельчения закладывались в штлбеля (бурты) и в естественных условиях при периодическом увлаинении и ворошении (перекаиывании) преврсщались в компост. В несколько усовершенствованном вдде это метод полевого компостирования сохранился до настоящего времени. В 30-х годах нашего вкка в России был разработан и проверен на практике метод камерного биотермического обезвриживания ТБО с получением компоста

для сельского хозяйства [72]] В основу метода была положена усовеншенствованная технология Беркари [73-75].

Разработка современных промышленных технологий стлла возможна в результате проведения многочисленных научных исследований уееных многих стран. Наычный подход к процессу компостирования отходов был предложен A.Howard в 30-х годах. В его освове усовершенствование процесса Индора - полевого компостирования, традиционно применяемого в Индии, Китае и странах Ближнего Воктока [76]. Процесс Индора предусматривает создание из органических отходов, легко поддающихся разложинию (кухонные отбросы, фекалии, навоз живхтных, листья, ил из канализационных сис)ем), компостных буртов (штабелей) на открытом воздухе высотой около 1,5 м или в ямах. Компостируемая масса за период образования компоста дважды перелопачивается (ворошится).

В эти же годы ряд ученых в Европе и США проводили мносочислеыные разработки механизированных способов получения компоста, Один из первых механизированных процессов был предложен G. Beccагі в 1920 году [74]. Компост заклалывали в биотермическую камеру, где в результате последовательного протекания анаэробной и аэробной стадии компостирования отходов обеспечивалось достаточно эффективно их переработка.

В 1949 году E.Eweson разработал непрерывный и полностью механизированный процесс аэробной переработки отходов в компост, позднее получивший название Эвесона-Фрейзера. Органические отходы предварительно измельчались, помещались в биолоиический барнбан, где непрерывно перемешивались при передвижении от одного уровня к другому в условиях контакта с рециркулирующей через компостируемую массу активизиоованной двуокисью углерода, образующейся в процессе разложения органических материалов, отходов [77].

В Дании блла разранотана новая технология компостирования (процесс Дано), в основу которой положен принцип раздиления ТБО по крупности и дробление в одном реакторе в сочетании с принудительной аэрацией, увлажнением и контролем температуры. Отходы помещались в медленно вращающийся барабан диаметром более 3 м, заполняя его на 2/3. Частичное заполнение обеспечивало всасывание воздуха. Имесщиеся в концевой части барабана калиброванные отверстия позволяли разделять отходы по крупности.

В Калифорнийском униветситете (САА) в 50-е и последующие годы блли проведены исслеиования по разработке технологий и конструкций оборудования для компостирования [60].

Компостирование представляет собой динамический микробный процесс, протекающий благодаря активности сообщества микроорганизмов различных групп.

Изучение популяций бактерий, гробов и актиновицетов, участ
вующих в компостировании, блло проведено рядом исследователей. Чанг
Йунг и Хадсон [79] опубликовали данные об изменениях численности веех
этих микроорганизмов за время протекания процесса компостирования
пшеоичной соломы. Хейес и Лим [80] также приводят экспериментальные
данные об изменениях в популяции микроорганизмов за время получения
из пшеоичной и рисовой соломы компоста для выращивания съедобных
грибов. Они обнаружил, что в налале процесса компостирования преоб
лаюают аэрыбные термофильные бактери, в то время как на последующих
стадиях численность бактерий паеает и увеличивается популяция аКТИНО-
В работах Фермора и By да [81] и Атки и By да [82] тажже прово
дится информация о микробном сообществ, большого
видов мезофильных и термофильных бактери,

щивания съедобных гибов. Де Бердольди с сотрудниками [83] описывает измрнения в микробной популяции, происходящие за время компостирования смиси, состоящей из твердых городских отходов (60 %) и сырого активного ила (40 %), в кучах с принудительной аэрацией. Через 50 деей компостирования он обнаружил возрастание количества целлюлолитиче-ских грибов и актиномицетов с одновременным снижением численности бактерий,

Биохимические изменения, происходящие в хдде процесса компостирования, рассмотрены в работе ЧангЙгнга [84], который изучал компостирование пшеоичной соломы с добавлением нитрата аммония.

Лингин наиболее устийчив к действию ферментов. Разрушать его способна токько небольшая группа высших грибов. Де Бердольди с сотрудниками [83] считают, что биодеирадация лигнина увеличивается в саатической системе, поскольку в ней мииелий не повреждается в отличии от системы с перемешиванием.

Когда органические отходы склаюывают для компостирования, то благодаря изолимующему влиянию субстрата сохраняется теплота, образующаяся вслеиствие биолооической активности, и температура повышаетяя. Прсцесс компостирования удобно разделить на черыре стадии: мезо-фильная (I), термофильная (II), остывание (III), созревание (IV) (рис.4.4)[79].

Высокая температура часто считается необходимым условием успешного компостирования. На самом длле при слишком высокой температуре процесс биодеирадации подавляется из-за ингибирования роста мккроорганизмов, очень немногие вдды сохраняют активность при температуре свыше 70С. Порогом, после которого наступает подавление, служит температура около 60 С,и поэтому высокие темпрратуры в течение диительного периода должны бтть исключены при быотром компостирова-

нии. Однако температура порядка 60С полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микроорганизмами. Помтому необходимо пдддерживать услявия, при которых, с одной стороны, будет гибнуть патогенная микрафлора, а с другой - развиваться микроорганизмы, ответственные за дегридацию биополимеров. Для эоой цлли рекомендуемым оптимумом является температура 55С.

«г ft

Максимум температуры

>"*"^C"V_tp"Opi

J/ \v'

Восеї грибо»

S 70

10»

рпорулирующив бактерии и актиномицсты

ПотраблвУ ^ Потребление

^Н|*Р^всттьГмбвпь ВосетеАЧ ПООММрОв еоримыу _Г0И5о» новлвиив\\

fl «"и грибов

ш..у

Автолиз
и аитибиотико- ^
образование _^* ^
___ Появление"'^ /

Подкмслекие почвенных животных /

Образованна гуминовых кислот

t II til IV

итадик компостировнния

Рис. 1.4 Изменение температуры (— ) и рН (—)в процессе компо

стирования в кчче

Финстейн с сотрудниками [86] показали, что управление температурой может бтть достигнуто с помощью принудительной вентиляции в течение процесса. Оовод теплоты осуществляется с помощью системы испарительного охлаждения. Система работает по тппу обратной свизи, пиичем термодатчики, размещенные в мсссе компоста, связаны с воздуходувками. Такая система способствует удалению влаги в случае ее повышенного содержания.

Процесс компостирования зависит от активности микроорганизмов, которые нуждаются в источнике углерода для получения энергии и вещества для образования новых клеток, а также в источнике азтта для синтеза клеточных белков. В большинстве процессов компостирования эти потребности удовлетворяются за счет исходного состава органических отходов, токько отношение углдрода к азтту (C/N) и изредка уровень форфора могут нуждаться в корректировке [79]. Потери азтта за счет улетучивания аммиака может бтть часнично восполнена, благодаря активности бакте-рий-азотфиксаторов, появляющихся в основном при мезофильных условиях, на поздних стадиях биодеградации. Показано, что биологическая фиксация азтта ингибируется аммиаком и высокими температурами [85], поэтому она происходит на поздних стадиях процесса. Неопределенность велинины потери азтта делает сложным тооное определение требуемого началгного значения C/N, но на практике оно рекомендуется в пределах от 25:1 до 30:1.

Для увеличения скорости компостирования применяются различные химические, растительные и бактериальные добавки.

Носители обычно необходимы для поддержания структуры, обеспечиеающей аэрацию, при компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз. При компостировании сыгого активного ила в аэрируемых кучах в качестве носителя предпонтительна древесная щепа [88, 89].

Хигтинс [89] предложил в качестве альтернативы измельченные автомобильные покрышки. Бидлстон и сотрудники [90] использовали сомому при компостировании навоза, сыгого активного ила и отходов переработки овощей.

Вода необходима в процессе компостирования, так как питательные вещества для микроорганизмов должны растворяться в воде перед тем как

станут доступны для потребления. При влажности менее 30 % от общей массы скорость биологических процессов резко падает. При слишком большой влажности пустоты в структуре компоста заполняются водой, которая огранечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Оптимальная влажность компостируемой массы варьирует и зависит от природы и дссперсности материала. Различные материалы могут иметь разную влажность до тех пор пкка поддерживается соответствующий объем свободного газового пространства. Однако в экспериментальных работах Джериса и Ригана [91] по влиянию влажности в различных компостируемых материалах на свободное газовое простванство и на скорость потребления кислорода показано, что минимальное свободное газовое простванство должно бтть порядка 30 %.

Кислород необходим для метаболизма аэрыбных микроорганизмов, участвующих в компостировании. Аэиация может осуществляться естественной диффузией в компостируемую массу, благодаря перемишиванию компоста вручную, с помощью механизмов или принудительной аэрации. Аэиация имеет и другие фуикции в процессе компостирования. Поток взздуха удаляет диоксид углдрода и воду, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, а также отводит теплоту благодаря испарительному теплопереносу. Вилли и Пирс [92] рекомендуют скорость аэрации 6 - 19 мг О2 /час на грамм летучей фракции в твердом веществе компоста.

Перемешивание повышает скорость диффузии кислорода, диспергирует крупные фракции субстрата, что увеличивает удеуьную поверхность, необходимую для биодеградации. Чрезмерное перемешивание пииводит к охлаждению и высыханию компостируемой массы, к разрывам в мицелии актиномицетов и грибов. Геей [93] рекомендует при использовании установок для компостирования чередовать периоды активного перемешивания с периодами без перемешивания.

Все разноибразие технологий получения компоста из ТБО мнжно классифицировать по теем основным параметрам: способу ведения пооцесса - в буртах (штабелях) или в механических устройствах (реакторах); использованию кислорода - аэрыбные или анаэробные процессы; температурным условиям - мезофильные или термофильные условия [69].

1.4.4. Вермикомпостирование органических отходов.

Проблемой утилизации отходов растительного происхождения с помощью дождевых червей исследователи занимались еще в 18 веке. Ч.Дарвин и А.Брэм [94] описывали возможность переработки червями листьев, веток, коры, опилок, кожи, костей и пр.

Спостбность дождевых червей, основанная на их биолооической особенности заглатывать органические остатки почвы, размельчать их в кишечнике, химически трансформировать и выбрасывать наружу органические отходы, обогащенные микроорганизмами, кальцием и ферментами легла в основу технологии разведения червей, названной вермикомпостирование [95,96].

Метод утилизации органических отходов с помощью червей привлекает тем, что в нем не применяются химические реагенты, соотвенственно нет нужды в дополнительных технологических процессах и переработке побочных продуктов. Кмоме тооо, в процессе переработки отходов дождевмми червями исключено загрязнение окруеающей среды [97-100].

Создав для работы животных благоприятные услявия: регулярный полив, постоянную температуру, достаточное питание и аэрацию, из отходов можно получить два продукта - биомассу, т.е. количество червей, уееличенное в несколько рзз, и гууус - субстрат, прошедший через кишечник животного.

Биогумус - продукт жизнедеятельности чеевей [101, 102], является эффективным природным удобрением. Он богат витаминами, ростовыми ферментами, биостимуляторами, минеральными солями, исключает пии-

МЄНЄНИЄ ПССТИЦИДОВ, ПОВеШаеТ ПрОриСТаНИс С6МЯН и УСТОЙЧИВОСТЬ рлСТс" НИИ. гІСІГОЛЬЗОВ&НИе ОИОГуМуСа Предотвращает рЗЗМЫВ ПОЛЄИ. иДНа ТОННЭ.

этгго вещества заменяет 15 т навоза [97, 100, 103].

Дождевые черви, пожирая отходы, в массе размножаются. Биомасса чеевей представляет интерес, как цеыный источник белкового питания домашней птыцы, прджде всего кур [103, 104]. Кмоме кур дождевых червей поедают охотно поедают свиньи, утки, гуии. Мука из червей превосходит рыбную и соевую.

Проводятся иследования по применению белковых веществ биомассы вермирультуры в детском лечебном питании, как протекторных и антитоксических депрессантов, так как население территорий, находящихся в услявиях экологического страсса, подвергается многофакторным нагрузкам, результатом которых могут являться различные фмрмы неблагоприятных имунно-зависимых, аллергических, соматических проявлений всдедстиие снижения неспецифической резистентности организма [105].

В литературных источниках упомснаются субстраты, которые успешно разлагаются дождевыми червями: сельскохозяйственные отходы, отходы пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, кожевенных фабрик - ботва, солома, плоды, клубни, навоз, пищевые отходы, оиил [106, 107].

Существуют различные технологии утилизации перечисленных отходов с помощью вермикультуры с получением биогумуса и биомассы. В отечественной и зарубежной литературе часто упоминается ящичный метод переработки, при котором используются ящики с дренажными отверстмями [103]. Такие установки удобны в лаборяториях и на мелких предприятиях, так как позволяют непосредственно наблюдать адаптацию и активтость червей, варьировать подбор субстрата и отмечать стенень его деструкции. Небильшие объемы переработки и ручной труд сдерживают применение этгго метода в промышленности [103].

В сельском хозяйстве преимущественно осваювают траныейный метод. Недостатком этого метода является сезонность его применения, так как разложение субстрата происходит только летом [103].

В южных районах возможно применение буртовой технологии врр-микомпостирования. Широкому распространению этгго метода препятствует невозможность поддиржания условий культивирования на оптимальном уровне и короткий летний период в районах с более суровыми климатическими условиями.

Известен метод использования вермикультуры в установках тппа башен различной высоты. Для тгго чтобы деструкция субстрата происходила круглогодично, башни устанавливаются в отапливаемом помищении [103].

Установлено, что не каждый вид червей может эффективно работать в промышленной установке. В связи с этим необходимо проведение селекционной работы по вывидению червей-деструктантов. Промышленные виды червей должны отвечать следующим требованиям: повышенная поо-жорливость, подвижность, лабильность, высокая скорость разложения, устойчивость к заболяваниям и физико-химическим воздействиям, высокая скорость адаптации к перерабатываемым субстратам [ЮЗ, 108, 109].

Американскими учеными выделен вдд, специально предназначенный для утилизации городских и сельскохозяйственных отходов - калифорнийский червь. По своим характеристикам калифорнийский червь мало отличается от известных вивов, теплолюбив, закупки его связаны со значитемьными валютными затратами [103], поэтому перспективной является работа по использованию чеевей следующих видов: малый и большой выползки, навызный червь, леаная дендробена [110].

Применение дождевых чеевей в развитых странах не редкость. Оно направлено преимущественно на разлижение сельскохозяйственных и городских отходов.

Практически эоот метод использовался в Риме, где за 3,5 месяца уаалось переработать в компост твердые быыовые отходы, смешанные с осадком сточных вод. Процесс осуществляли в буртах объемом 7 т, которые заселяли червями по 40 тыс./кз./м³. К концу компостирования объем буртов уменьшился на 40-60 %, а масса червей увеличилась в 2 рзза [111].

В США (штат Техас) успешно используют дождевых червей для переработки в компост оскдка сточных вод без наполяителя. На станции аэрации на дно обвалованного участка уложены опилки, заселенные чррвями. Емкость заполнена жидким осадком по припципу иловых площадок. Для снижения интенсивности испарения участок свхрху накрыт пленкой. Таким образом получается качесовенное удобрение [112,113].

Компостирование с применением червей в большинстве случаев носит черты экстенсивных методов, так как применение интенсивных соособов не приводит к увеличению выхода червей. Процесс ограничен сооростью роста и развития дождевых чеевей [114].

В Италии проведен оыыт использования червей в биореакторах. Переработку быыовых отходов совместно с осамками сточных вод осуществляют в стальной конусообразной башне высотой Юме диаметром вверху 2 м, а внизу 0,5 м. Отходы, заселенные червями загружали в башню. С помьщью шнека их перемешивали и аэрировали. Это создает благоприятные условия для жизнедеятельности чеевей и быотрой непрерывной переработки отходов. В нижнюю часть башни воудух не поступает, там происходит уплотнение компоста, а черви переползают в вшше расположенные аэрированные слои. Выгрузка компоста производится через нижнюю башню. За сутки такая установка перераеатывает онну тонну отходов [114].

Разводят чеевей и на Филиппинах, где вермикультивирование охватило большбе количество сельскохозяйственных производителей. Червей выраюивают в примитивных условиях на разного рдда отходах. Их проте-

ин используют в качестве добавки в пщшу (в мясной фшрш, гастрономичесиие изделия, хлеб) и на кррм скуту. Вокруг этгго производства возникли небольшие фмрмы и объединения [115].

Изучают возможность непосредственного засеиения червями жидкого навоза. В одном из опытов жидкий свиной навоз заливали в чкки и, сптстя некоторое время заселяли червями [116].

По мнению известного итальянского червевода КеФерруции промышленной разведение чеевей должно основываться на использовании открытых, непригодных для землиделия площадок, что до минимума сокращает финансовые расходы [117].

На фмрме «Саз Понтусуэро» (США) проведена селекционная работа, в результате которой, как считают специалисты, выведен новый вид красного калифогнийского червя. В качестве корма, для получения гумуса, использованы отходы бумаги, целлылозы, древесины, листья и стлбли растений. На фмрме разранотана и выпущена в продажу установка по переработке отходов с помощью червей [118]. Накоплен определенный оыыт рззведения червей в Великобритании. Здесь создан научный центр - Ротам-стедтская опытная станция, где ведутся интенсивные исследования в области экологии и физиологии дождевых червей, а также в плане использования их для переработки различных отходов. В частности ведутся работы с активным илом, накапливающимся на очистных соорухениях. При этом вермикомиостирование рассматривается как оиин из способов быотрой переработки оскдка на удобрения [119]. По технологии, разработанной на эоой станции, жидкий навоз подвергают сепарации. Фракцию, содержащую 15-20 % твердых веществ, уклаюывают слоем 15-20 см на стежлажи и заселяют червями. Таким образом, из назоза получают цеоное органичесоое удобрение, а самих червей используют для кормления животных [119].

В Великобритании создана компания, которая поставляет фермам маточную культуру червей, оказывает консультативную пощощь по их разведению, организует сыыт вермикомпоста и корма для червей [120].

Во Франции исследования по переработке отходов методом веими-культивиррования ведутся на опытной станции фауны почвы в Дижоне. Там отходы подвергают предварительному разложению в специальных биореакторах, а заеем заселяют коконами червей. По сравнению с традиционными методами компостирования биорракторы ускоряют созривание компоста [121,122].

Французской комеанией Lrun Frere сконструирована установка для вермикультивирования отходов, представляющая собой цилиндрическую башню, состоящую из 24 пластиковых поддонов диаметром 230 см, поставленных оиин на другой. Их заполняют отходами и заселяют червями. Весь процесс компостирования полностью автоматизирован [123].

В Германии, используя метод вермикультуры, удалось органтзовать безотходное производство на одной из ферм по выращиванию ангорских кроликов: на их навозе выраливали червей, которых заеем использовали в качестве корма для кур-несушек [124],

В Германии создано Объединение по содействию развития веимикультуры, которое работает в теоном контакте с Миниотерством охраны окруеающей среды. Оно оказывает пощощь в проведении научных исследований по вермикультуре, в изуиении пригодности различных отходов для разведения червей, содействует расширению сферы применения врр-микомпостов [125].

В Польше различные сельскохозяйственные предприятия занимаются промышленным разведением калифогнийского гибрида красного червя и получением биогумуса [126]. По данным польских специалистов, овищи,

выращенные за счет внеиения гумуса, не содержат нитоатов и могут использоваться в ДИеТИЧеСКОМ. ПИииШИИ.

Активные исследования по изуиению дождевых червей проводят

ПОЧВеННЫе ЗООЛОГИ раЗНЫХ CiTJuxl: хЛліі и*5 1 vpMdxiHH, ЛхіГісГІЬІСІіі Jv. И-j

колледжа по наукам о среде и лесному хозяйству rСL-иракузы (^L-iiiAj, Ъи->varQS С_^. из оеликооритании, Lee j\.ij** из униветсиїстсі /\делагуЦЫ ^/\всгра^_ лия) [119, 127,128].

Конфяренция, прошедшая в Боьонье (Италия), показала быстрый прогресс в изучении дождевых червей, особенно в областях генетики и биохимии, в разработке эффективных технологий их разведения в искусственных условиях [129].

Дозревание компостов, получаемых при пощощи червей, происходит быстрее, чем обычных компостов. Это объясняется лучшим измельчением отходов червями. В результате увеличивается площадь контакта с микроорганизмами-деструкторами, участвующими в разложении отходов, при этом создаются благоприятные условия для жизнедеятельности организмов, подавляющих развитие патогенных бактерии и сальмонеллы, что соособствует обеззараживанию компоста [130]. В таком компосте больше питательных элементов, доступных растениям [131]. В результате лучшей водопрочной структуры комоостов элетенты минерального питания рсстений в меньшей стенени вымываются осадками, ускоряется процесс минерализации органического азота.

Детоксикационная рлль компостов проявляется в том, что они соособствуют переходу тяжелых металлов в малоподвижные соединения [112].

В нашей стране культивированием червей с 1984 года занимается Владимирский Государственный педагогический униветситет. Проводятся исследования по переработке органических отходов при пощощи дождевых червей в институте биологии Киргизии [132].

На опытной станции Памирского биологического института Таджикистана изучают влияние дождевых червей на процессы разлижения и гумификации назоза в почве [133].

При Ивано-ФранковскоЙ «Облсельхозхимии» организован кооператив «Плодородие», члены которого изучили зарубежный и отечественный опыт вермикультивирования. При коопвративе создана специальная шлола подготовки специалистов по промышленному разведению дождевых чррвей [103].

В настоящее время вопросами вермикультивирования занимаются более 50 областей, краев и республик Российской Федерации, и примерно свыше ста производств в республиках СНГ [134]. В основном это товарищества с ограноченной ответственностью, фермеры, малые предприятия и другие организации с небольшим объемом производства.

Решением Всероссийского научно-технического координационного совещания по теее: «Вермикомпосты», проходившего в 1993 году в Г.Владимире и учредительного собрания по созданию ассоциации «Верми-экология» (г.Книн, 1993 г.) признано считать проблему переработки орга-носодержащих отходов сельского хозяйства, промышленности и городского хозяйства с помощью вермикультури приоритетной в области земледелия и экологии [134].

Практическое использование биогумуса, как правило, основывается на не систематизированных данных зарубежной литературы, без научного обеспечения и, как следствие, без надлежащего агрохимического и санитарно-гигиенического контроля со стороны агрохимической слбжбы и снн-эпиднадзора. Необходимо дальеейшее проведение работы в эоом направлении.

Анализ литературных источников показал, что использование вррмикультури еще не стлло массовым явлением в России, а лшшь начинает

успешно внедряться. Применение дождевых червей в развитых странах не редкость, но оно направлено преимущественно на разложение сельскохозяйственных и городских отходов.

1.4.5. Технологии очистки фильтрационных вод полигонов ТБО Учитывая, что природные мехмнизмы самоочищения не всдгда соособны справиться с загрязнением воды, фильтрующихся в почву со свалки, соор и очистка их необходимы, і акая очистка должна проводиться лббо на самой свалке, лббо на специальных сооружениях [135]. Наиболее удачнмми методами очистки этих вод считается анаэробная переработка и рециркуляция фильтрующихся вод сквозь мсссу твердых отходов. В последнем случае свалки используются как анаэыобный биотильтр [136]. При этом улетучиваются низкомолекулярные органические соединения, происходит окисление с последующим осаждением жезеза [137]. Процесс биодегридации отходов с использованием рециркуляции фильтрующихся вод ускоряется, если сопровождается дополнительным засевом отходов микроорганизмами [138,139]. При рециркуляции фильтрующихся вод мугут осаждаться сульфиды тяжелых металлов; концентрации ионов аммония, хлоридов и ХПК остаются высокими, поэтому возникает необходимость дальеейшей обработки перед их окончательной ликвидацией [140].

Применение физико-химических способов: химическая коагуляция и осаждение, адсорбция активным углем, обратный осмос, адсорбция на полимерах, химическое окисление (включая озонолиз), выпаривание, облучение - оказались не эффективными. С помощью физико-химических процессов не возможно удалить столько органических веществ, сколько их удаляется в результате биологических процессов, их используют в освовном для обработки стабилизированных биологической очисткой фильтрующихся вод [141].

Основным методом аэробной очистки считается применение аэра-ционных прудов, в которых достигается уменьшение БГЖ на 70 % после нескольких месяцев пребывания [142]. Аэрационные пруды эффективно снижают концентрацию ионов аммония в водах, образующихся на свалках [143]. Использование водной растительности ускоряет процесс аэробного бактериального окисления за счет насыщения воды кислородом [1441.

Сущность метода очистки в биологических прудах основана на способности высшей и низшей водной растительности, а также гидробио-нтов поглощать изводы и накапливать различные минеральные элементы. Это поглощение и накопление является активным физиологическим процессом, связанным с жизнедеятельностью всего организма в целом. Большим достоинством этого метода является его экологическая безопасность, а также значительно меньшие экономические затраты, связанные с его пуском и эксплуатацией, по сравнению с техническими методами [145 -147]. При использовании этого метода исключается применение громоздкой аппаратуры, едких, токсичных и дорогостоящих реактивов. Метод прост в использовании, не требует больших затрат труда и квалифицированного персонала.

Структуру методов биологической очистки стоков можно представить в следующем виде:

Применение высших водных растений - макрофитов;

Очистка с помощью микроводорослей;

Использование нитчатых зеленых водррослей;

Альго-бактериальная очистка воды с использованием одноклеточного фитопланктона и ассоциированной бактериальной микрофлоры;

Бактериальная очистка стоков (аэробная, анаэробная, анаэробно-аэробная);

Очистка с помощью гидробиоценоза в целом [148,149].

Очистку вдды высшими водными растениями обнчно проводят на гидроботанических площадках, представляющих собой пруды или каналы, засаженные приорежно-воднои, погруженной и плавающей растительностюю. В завистмости от химического состава сточных вод подосрается оптимыльный комплекс растений, наиболее эффективно участвующий в пооцессе очистки данных стоков [147-149,151].

Широко применяется метод создания искусственных гидроботанических площадок, которые на 40-100 /о засаживаются высшей водной рсстительюостью. Ложе пруда включает, как правило, две зоыы: приорежно-мелководную зону (глуоинои до 1 м), занимающую до цу) /о площади и засаженную прибрежно-воднои растительностью, и глубоководную зоуу, засаженную плавающими формами [151]. Сточные вдды проходят через заросли прибрежно-водных растений, являющихся хорошими фильтратора-ми и седиментаторами. Многочисленные исследования показали, что нии-оолее эффективной очистительной спосооностью ооладают тростник обыкнйвенный, камыш озерный, рогоз узколистный и Лаксмана [145,148,151,152]. Тростник при урожае 44т/га сугого вещества (при плот-ности зарастания 50 экз./м ) может извлечь из вдды за вегетационный пе-риод примерно 67 г/м азота, 27-28 г фосфора, 40-42 г калия, 20 г кальция, 40-41 г хлора и ряд других минеыальных элементов [148]. Широкий спектр поглощаемых из вдды загрязеителей имеет также кашыш, кроме того, он обеззараживает вдду от патогенной микрофлоры [153].

Важно отметить, что воыные макрофиты накапливают много хлора. Это представляет интерес, так как хоор в больших количествах поступает в воеоем не токько в вдде хлоридов, но и хлорорганических токсических соединений с поверхностным и промышленным стоком [146,154].

Для очистки сточных вод, кроме биоценоза и высшей водной расти
тельности могут бтть использованы низшие растения - макро- и микрово
доросли. Участие водорослей в активизации процессов самоочищения во
доемов можно рассматривать в следующих основных направлениях: фото
синтетическая аэрация воды; удаление из вдды биогенных и органических
веществ; выдиление в процессе жизнедеятельности и постлетально органи
ческих соединений, играющих важную рлль в формировании природных
гидробиоценозов и выполняющих функции питательного субстрата для
нефотосиитезирующих микроорганизмов, и веществ-

комплексообразователей, составных частей химических и фотохимических реакций; детоксикация и минерилизация рдда загрязнителей; природная иммобилизация ферментных систем [155].

Массовое развитие альгофлоры в биолоиических прудах способствует быстрому выносу из очищаемой вдды биогенных элементов, что уменьшает эвтрофикацию природных водоемов, а бурно развивающиеся беспозвоночные (дафнии, моины, циклопы и коловратки) в коночной серии прудов способствует быстрому удалению из вдды 80-85 % развивающихся водорослей. Зоопланктон, попадая, в природные водоемы, кдда поступает очищенная вода, увеличивает содержание в них корма для рыб [156].

Качественный и количественный состав бактериальной микрофлоры зависит от химического состава вдды и развивается спонтанно, в соответствии с конкретными условиями в водоеме. В настоящее время ниибольший интерес представляет очистка сточных вод с использованием единого гидробиоценоза, схогного с природным, где загрязиители, переходя с одного трофического уровня на другой, быстро трансформируются в стабильные вещества растительных и животных организмов, чем и завершается процесс очистки. Для различных сточных вод подбирается свой, спецнально подобранный, искусственный биоценоз. Процесс очистки в этом случае протекает с использованием комплекса водорослей и высшей

водной растительности, а также макснмально разнообразных сообществ других организмов - агентов очистки - бактерий, простейших, беспозвоночных, рыб [153-155,157,158].

Имеется оыыт эксплуатации биологических прудов в сходных с Западным Уралом природно-климатических условиях в Скандинавских странхх, Канаде. Ткк, в Финляндии на рдде очистных сооружений и полигонах ТБО используют биопруды для очистки сточных и фильтрационных вдд. На полигонах ТБО г.Ионсу 4 года эксплуатируется система биопрудов для очистки сточных и фильтрационных вод [159],

Имеется положительный оыыт по проектированию, строительству и эксплуатации биологических прудов различных типов в Кировской области. Разработчиками проектной документации являются: институт «Граж-данпроект» г.Коров и проектно-производственный концерн «Вятстецст-рой». К настоящему времени на территории Кировской области и Удмуртии действует порядка 40 биопрудов. Опыт эксплуатации биопрудов в Кировской области докаеывает их эффективность, малые эксплуатационные затраты, возможность автооомной работы практически без обслуживающего персанала, отсутствие необходимости чистки донных отложений [159].

Очистка сточных вод, образующихся на свалках, может производиться с использованием активного ила (капельные биофильтры, аэротен-к)), иногда в смеси со стомными водами. Однако, при проведении этих процессов возникает необходимость использования биогенных добавок. Добавление форфора имеет и положительную особенность, так как способствует осаждению тяжелых металлов в составе фосфорорганических соединений. Такая очистка приводит к удалению 99 % БПК и 95 % ХПК [160]. Главными лимитирующими факторами процесса являются темпера-

тура, низкая концентрация фосфатов (усиливает процесс вспухания ила), накопление металлов в бактериальных флокулах [161].

Анаэробная очистка в прудах позволяет удалить от 80 до 90 % органических веществ по ХПК в течение 40-50 дней при температуре 28 С и только около 50 % при температуре 10 С [162].

Фильтрующиеся в почву воды, образующиеся при ликвидации токсичных и опасных отходов, могут быть переработаны с использованием сочетания физико-химических и биологических методов, однако эти методы дороги [163].

Для стабилизации городских свалок и уменьшения риска загрязнения подземных вод в США, Великобритании и Германии был использован метод рециркуляции фильтрационных вод. Метод позволяет ускорить анаэробные микробиологические процессы, скорость осаждения тяжелых металлов и защищает от загрязнения подземные воды [164].

Для очистки щелочных свалок коммунальных отходов Штутгард-ским университетом совместно с фирмой «WEHRLE WRRKAY» (Германия) был разработан новый метод биологической очистки в комплексе с адсорбцией активированного угля - BIOMEMBRAT. Промышленная установка с использованием метода рассчитана на пропускную способность 400 м /сут. Технология обеспечивает выходные величины БПК < 50 мг Ог/дм . Этот метод в значительной степени решил проблему отработанного воздуха и обработки остаточных продуктов [165].

При гигиенической оценке различных технологических схем очистки фильтрата свалки ТБО г.Киева установлено, что наиболее эффективной является комбинированная биолого-химическая очистка с последующим сбросом очищенного стока в городскую канализацию [166].

Центром «Москва» разработана технологическая схема очистки фильтрационных вод полигонов захоронения ТБО, включающая следую-

щие операции: модифицированную коагуляцию и флокуляцию, высокоэнергетическое воздействие с помощью ультрафиолетовых лммп для предварительного разрушения стабыльных органических и металлооргани-ческих соединений и биоочистку для удаления соединений азтта и фосфора [167].

1.4.6. Утилизация и дезодорация биогаза на полигонах ТБО.

Утилизация и обезвриживание биогаза связаны с необходимостью решения дуух основных задач: снижением экологической нагрузки на окружающую среду при поступлении в нее токсичных и дурнопахнущих веществ; использованием биогаза в качестве источника энергии [168].

Для очистки биогаза от нежелательных компонентов применяются методы абсорбции, адсорбции, мембранной фильтрации, биолоиические методы [168, 169]. При выборе метода очистки биогаза руководствуются следующими критериями: количество и качество биогаза, задачи очистки, возможности использования биогаза в качестве источника энергии, экономическая целесообразность [170,171].

Вопрос об использовании биогаза в качестве источника энергии решается после тщательного изучения процесса метаногенеза на изучаемом полигоне. Обычно максимальное выдиление биогаза с оптимальным для коммерческого использования соотношением метана и углекислого газа, происходит в стабильной анаэробной метановой фазе, продолжающейся от 25 до 40 лет [168,170].

Для использования биогаза в качестве источника энергии необходимо тщательное изучение параметров процесса разложения ТОО: морфологический соатав отходов, гидрологические услявия, температура, а тккже возможности применения в конкретных условиях тгго или иного тппа оборудования для сбора биогаза [172 -174]. Работы многих исследователей посвящены экономическим аспектам сбора и утилизации биогаза [170,175-

177]. На основании исследований в работах показана экономическая целесообразность использования биогаза на территориях, прилегающих к полигону ТБО, транспортировка биогаза в отдаленные местности ухудшает экономические показатели утилизации биогаза.

Опыт использования биогаза для получения тепловой или электрической энергии имеется во многих европейских странах: в Германии, Австрии, Франции [178-183]. Несмотря на имеющийся опыт использования биогаза, на большинстве полигонов захоронения ТБО в Европе и России применяются системы дегазации, позволяющие эффективно рассеять биогаз в атмосферный воздух и не допустить взрывоопасной ситуации.

На рекультивируемых европейских полигонах, где отсутствуют системы сбора газа и его утилизации, т.е., где коммерческое использование газа невозможно, очистку биогаза производят с помощью пассивных систем вентиляции и биофильтров [184]. Опыт использования биофильтров на полигонах ТБО России отсутствует. Загрузочными материалами биофильтров служат чаще всего дешевые природные материалы: торф, опил, компост. Использование биофильтров предотвращает появление запахов, а во многих случаях способствует уменьшению количества метана, основного компонента биогаза, за счет присутствия в субстрате биофильтра ме-танокисляющих бактерий [184,185]. Эффективность очистки таких биофильтров составляет 90 % при нагрузке 400м³/час [185].

Изучение процессов биодеградации в различных биофильтрах показывает, что необходимость дополнительной инокуляции субстратов чистыми культурами микроорганизмов, например метанотрофными бактериями (Methylosinus trichosporum Н6), отсутствует. Лучшие результаты достигаются в случае адаптации сложившегося микробоценоза к удаляемым компонентам биогаза [185,186].

О необходимости разработок в области очистки отходящих газов от различных дурнопахнущих веществ с помощью биофильтров свидетельст-

вюют результаты прошедшего в Нидерландах в 1997 году междугародного симпозиума. На симпозиуме блли представлены работы по биодеирадации толуолов, ксилолов, бутанола [187-189]; многие работы посвящены изучению вопросов применения биофильтров для удаления сероводорода [190,191]. На симпозиуме обсуждены вопросы, касающиеся оптимизации процессов биодеградации, конструкции аппаратов и экономической эффекттвности предлагаемых методов.

В России одна из первых опытно-промышленных установок бооочистки вентиляционных выбросов, прошедшая промышленные испытаняя, разранотана в 1988-1989 г.г. Институтом биохимии для мебыльных производств с использованием монокультуры бактерий. Осоовой боофильтра является непатогенная и нетоксикогенная культура бактерий Pseudomonas fluorescens 101/2, Pseudomonas cariophylli 102/1, Pseudomonas aeruginosa 103/3, Pseudomonas oleovorans 104/2 [192]. Усовершенствование работы биофильтров иеет по направлению использования консорциума бактерий для различного числа компонентов загрязняющих веществ. С помощью биофильтров на Саратовской и Энгельсской мебельных фабриках эффективно очищают вентиляционные выбросы от ацетона, этанола, гкк-сааа, этилацетата, стирола, толуола, бутанола, ксилола с эффективностью от 85 до 100 % [192, 193].

1.5. Мдтоды управления полигоном ТБО для снижения эмиссии загрязняющих веществ

В настоящее время в миоовой практике существует две оснывных концепции, направленных на снижение эмиссии загрязняющих веществ с полигонов ТОО: концепция вечного захоронения [194,195] и концепция полигона ТОО, как биологического реактора [196]. Цель обеих концепций заключается в минимизации воздействия объектов захоронения ТБО на

окрууающую природную среду. Концепция «вечного захорянения» заключается [194,195, 197] в максимальном использовании отдельных фкакций ТБО за счет широкого использования систем раздельного сбора отховов, в местах их образования, или сортировки, и превращении неутили-зируемых фракций ТБО в инертное состояние за счет их термического обезвреживания. Основная иеея концепции заключается в запрещении размищения на полигоне не обработанных термическими методами отходов. Обработанные отходы по своим свойствам должны бтть инертными, напоминающими песок или стлкло и постепенно ассимилироваться с окружающей природной сродой [197, 198].

Сторонники второй концепции [196], считая, что «вечное захоронение» не может бтть достигнуто на современном этапе при существующих технологиях, предлагают компромиссный вартант: управлять полигоном ТБО, как биологическим реактором за сеет регуляции входных и выходных потоков. Поскольку сущность биохимических процессов, проюекающих в любом биологическом реакторе, заключается в разложении органических соединений при различных параметрах среда определенным мкк-робоценозом, то, регулируя качество и количество субстрата на входе в реакрор, можно изменить выход конечного продукта, т.е., эмиссию загрязняищих веществ [196,199, 200].

Так как основной комнонент биоразлагаемого субстрата - органический углерод и в значиоельной стенени от нгго зависит активность рззличных грппп микроорганизмов, то и управление на входе в биореактор заключается в управлении потоком органического углерода. Мдтоды управления предлагаются самые различные, в том числе в соотвитствие с первой концепцией, раздельный сбор, сортировка, а также компостирование ТОО. Разработчики этой концепции определили максимальное содержиние органического углерода в ТОО поступающих на полигон - 5 % [201]. При этом воздействие на окружающую природную среду будет ми-

нимальным. Достижение такого уменьшения содержания органического углерода в ТБО требует значительных финансовых затрат и экономически не целесообразно. По мнению европейских ученых в настоящее время возможно ограничить содержание органического углерода до 7-9 % [201,202].

В России складывается тенденция использования комплекса различных мероприятий для снижения экологической нагрузки полигонов ТБО, при этом задача уменьшения любыми способами потока органических веществ пока не ставится.

Проведенный анализ литературы показал, что в настоящее время в России и за рубежом проводится достаточно много исследований, посвященных изучению проблем, связанных с захоронением ТБО на полигонах. Проблема утилизации ТБО приобретает все большую актуальность в связи с увеличением количества отходов, образующихся в процессе производства и потребления, и усложнением их морфологического состава. Установлено неблагоприятное влияние полигонов ТБО на окружающую природную среду за счет выделения биогаза в атмосферный воздух и образования фильтрационных вод. Образование биогаза и формирование фильтрационных вод два взаимосвязанных процесса, характеризующихся определенными закономерностями.

Состав и количество биогаза непостоянны во времени и зависят от многих факторов, большинство из которых известны: морфологический состав отходов, влажность, наличие соответствующих групп микроорганизмов и условий для их обитания (в частности наличия питательных субстратов), окислительно-восстановительный потенциал и другие факторы. Процесс метаногенеза сопровождается выделением метана, который становится спустя 2-4 года с начала эксплуатации полигона основным компонентом биогаза (до 60 % об.). В составе биогаза содержатся в небольших

количествах органические и неорганические соединения, придающие боогазу неприятный запах: сероводород, аммиак, фенол, толуол, меркаптаны.

Исследованы возможности использования биогаза в качестве источника тепловой или электрической энергии и показана экономическая эффективность такого использования биогаза при условии достаточного количества выделяющегося биогаза (около 200 м^ в год с одной тонны ТБО) на протяжении, как минимум, дватцати лтт. В США рассматриваются проекты утилизации биогаза на полигонах, не дающие значительного экономического эффекта, но способствующие снижению эмиссии метана и углекислого гааа, так называемых гаоов парникового эффекта.

На старых и неперспективных для промышленного использования полигонах применяются системы дегазации, включающие биофильтры различных конструкций.

Эмиссии во внешнюю среду в вдде биогаза происходят на протяжении столетий, джже после проведения рекультивационных работ.

Инфильтрация осадков через толщу отходов приводит к вымыванию органических и неорганических веществ, бактериальных клеток, что способствует формированию чрезвычайно загрязненных вод. Образование фильтрационных вод, их количество и стенень загрязнения - явления закономерные. Количество образующихся фильтрационных вод определяется в основном двумя факторами: колиоеством выпадающих в месте размещиния ТБО и испарением влаги с поверхности (на рекультивируемом полигоне транспирацией растений). Ацидогенная и метаногенная фазы рззложения ТБО сопровождаются соответствующим качеством фильтрационных вод. На ацидогенной фазе формируется кислый или «молодой» фильтрат характеризующийся высоким содержанием органических веществ, о чем свидетельствуют высокие значения ХПК (до 60 000 мг Од/дм ) и БПК (до 40 000 мг 0₂/дм³).

Фаза метаногенеза характеризуется более стабильным составом фильтрационных вод, снижением значений ХПК и БПК, но при этом исследователи обнаруживают накопление в фильтрате биологически трудно разлагаемых веществ, в частности хлороорганических. Содержание тяжелых металлов в фильтрате также определяется стадией деградации отходов; более высокие концентрации обнаруживаются на кислой стадии образования фильтрационных вод, в силу более высокой подвижности металлов. На метановой фазе подвижность металлов снижается, что приводит к снижению концентрации тяжелых металлов в фильтрате.

Отличительной особенностью фильтрационных вод является повышенная его минерализация, особенно на стадии длительного функционирования полигонов ТБО. Для предотвращения загрязнения поверхностных и подземных вод фильтрационными водами полигонов предусматриваются мероприятия технического характера, в частности защитные барьеры в основании полигона, системы сбора и очистки загрязненных вод. В литературе имеются сведения о различных технологиях очистки сточных вод. Наиболее широкое распространение получили биологические методы очистки: аэробная и анаэробная. Многие авторы предлагают дополнять биологические методы физико-химическими (адсорбция, коагуляция и флокуляция, обратный осмос), что повышает эффективность очистки.

Согласно литературным данным, эмиссия с полигонов ТБО связана, прежде всего, с поступлением в окружающую среду трансформированных органических соединений. Исследования зарубежных ученых свидетельствуют о необходимости, в связи с этим, изменения морфологического состава, поступающих на полигон ТБО. Речь идет об уменьшении в составе ТБО органического углерода — потенциального источника эмиссии. Достижение поставленной задачи возможно за счет проведения различных мероприятий. Хороший эффект достигается при сжигании ТБО и складировании на полигонах образующегося при сжигании шлака, что приводит к

снижению экологической нагрузки на окружающую природную среду в местах захоронения, но требует больших затрат на строительство муооросжигательных заводов и еще оолыне на газоочистку ооразующихся при сжигании 1ЬО газов. 1 ермическая обработка всех 1 ъО в олижаишее время не предстсвляется возможной джже в развитых европейских странах и США.

Другое направление по снижению эмиссии от полигонов 1ЬО: извлеиение из обгего покока отдельных фракции. Во-пхрвых, согласно пооведынным исследованиям, возможно выдиление фракций ТОО, представляищих собой вторичные материальные ресурсы: чеыный и цветной металл, макулатура, стекло. Во-вторых, выдиление фракции наиболее богатой соединениями углерода, так называемой биологической фракции, к которой относятся растительные (древесные отходы, укосы с газонов, листовой опад) и пищевые отходы. Выделение описанных фракций возможно при организации первичной или вторичной сортировки ТОО. Организационные механизмы в эоом слачае зависят от специфики страны, степени подготовленности населения. Многие стнаны Европы пошли по птти срртировки ТБО в источнике их образования, т.е. с привлечением к раздельному сбору всего населения. Исследования ученых свидетельствуют о преждевтеменности внедрения системы раздельного сбора ТБО в России и большей перспективности вторичной сортировки ТБО на мусоропе-регрузочных станциях.

Использование вторичных материалов по литературным данным дает хороший экономический эффект, при хорошей организации сбора вторгчного сырья и его переработки.

Биологическая фракция ТБО в основном перерабатывается методами компостирования и вермикомпостирования. Технологические схемы и аппаратурное оформление процессов различны: от простых методов полевгго компостирования на открытых площадках в буртах до полностью ме-

ханизированных процессов в биотуннелях и биобарабанах. Опыт использования технологий компостирования существует и в России. По литературным источникам компост, получаемый из ТОО, характеризуется высоким содержанием балластных, а иногда и токсхчных, веществ невысокой агрохимической ценностью и в большинстве случаев рекомендуется для использования в технических целях.

Использование комплекса перечисленных мероприятий достаточно подробно описанных в литературе, позволяет улутшить экологическую ситуицию в районах размищения полигонов ТБО.

Многоыисленные сведения о полигонах ТОО, имеющиеся в литератуее, носят, тем не менее, отрывочный характер, отсутствует комплексный подход к оценке полигонов ТБО и исследования в основном направлены на решение какой-либо отдельной проблемы. Такой подход приводит к снижению эффективности разрабатываемых и внедряемых на практике мероприятий.

В литературе приводится недостаточно даыных о функционировании полигонов ТБО и их воздействии на окрууающую природную сруду, осоненно на этапах длительной эксплуатации и рекульиивации.

В отечественной практике момент завершения эксплуатации полигона ТБО свазан с его рекультивацией, после чгго техническое обслуживание полигона, в том числе очистных сооружений, прекращается. В соответитвии с литературными даниыми, прекращение эксплуатации полигона не является свидетельством прекращения эмиссии загрязняющих веществ, которые продолжаются в течение столетий. Сведения о работе на эоом этппе жизни полигона ТБО каких-либо надежных систем, уменьшающих поток загрязняющих веществ в окружающую природную сруду, отсттствутт.

В отечественной литературе млло сведений о регулировании покока ТБО, поступающего на полигон; не опренелена техническая возможность и экономическая целесообразность такого регулирования.

В зарубежных источниках опренелено максимальное содеижание органического углерода в ТОО, поступающих на полигон - не более 5 %, но, как покаеывает практика, эта велнчина недостижима пкка джже для развитых европейских стран. Для отечественных полигонов оптимальное содеижание органического углдрода в поступающих ТБО не определено.

При анализе литературы выявлен тот фткт, что рекомендуемые тххнологии сбора и очистки или дегазации полигонов, а также технологии очистки фильтрационных вод применимы для современных, обустроенных в соотвитствие с нормативными требованиями, полигонов и непригодны для практического использования на стырых полигонах или полигонов малых населенных пунктов. Рекомендуемые технологии, как правило, являются дорогостоящими и не дюют требуемого эффекта, так как лишены гибкости и не адекватны сложившимся на полигоне условиям, в сллу закономерных измейений, происходящих при биодеградации ТБО.

По зарубежной литературе эффективное управление полигоном 1ЬО возможно, если рассматривать полигон, как биологический реактор, или группу реакторов периодического действия, хття указывается на недостаточную изученность процессов, протекающих внртри реактора и необходимость проведения исследований в данном направлении.

На основании вшше сказанного, исслеиования по изуиению вззможных направлений снижения эмиссии загрязняющих веществ от полигооов ТОО, разработке концепции управления полигонами различной мощности и на разных этапах жизненного цикла являются актуальными.

Цель работы заключалась в научно-методическом обосновании снижения экологической нагкузки полигонов IЬО на окружающую пииродную среду биотехнологическими методами.

Для достижения постаоленной цлли необходимо блло ретить сеедуищие задачи:

Выявить закономерности биодеградации органических веществ на полигоне ТОО, провести комплексный анализ воздействия полигонов ТБО на окружающую природную среду и оценить существующие тххнологии снижения эмиссии загрязняющих веществ с учетом этопов жизненного цикла ТОО.

Разратотать методы, технилогии и технические средства утилизации биологической фракции ТБО.

Экспериментально обостовать и установить свойства загрузочных матероалов биофильтра и определить механизмы процесса деградации веществ-одорантов.

Разратотать технологию и конструкцию установки для дезодорации отходящих гаоов в процессах аэробной стабииизации и компостирования ТБО.

Экспериментально обостовать использование загрузочных материалов биосорбционного фильтра и определить параметры процесса сорбции органических веществ.

Разратотать комплексную технологию и технические средства очистки фильтрационных вод полигона ТБО.

Разратотать концепцию управления полигоном ТОО, как биологичесиим реактором, и научно-методические припципы вырора оптимального комслекса биотехнологических методов снижения эмиссии загрязняищих веществ на полигонах захоронения ТБО.

Похожие диссертации на Научно-методическое обоснование снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) биотехнологическими методами

Обоснование метода экологической оценки научно-технического прогресса горного производстваЖулковский Дмитрий Викторович

Рациональные способы защиты природной среды при захоронении токсичных отходов на полигоне "Красный Бор"Елдина Екатерина Владимировна

Токсичность отходов хлоруглеводородного производства и оценка экологического состояния полигона захороненияШаяхметова Лена Римовна

Обеспечение геоэкологической безопасности полигонов твердых бытовых отходов методами обработки и локализации образующегося фильтратаПотапов Павел Александрович

Комплексный аналитический метод мониторинга состояния отходов буренияГвоздецкая Мария Викторовна

Оценка экологической опасности тонкодисперсных фракций бурового шлама и разработка методов обращения с отходами бурения при освоении месторождений нефти и газа Дагестанского участка Каспийского моря Светличная Татьяна Вячеславовна

Научные основы методов и средств безопасной утилизации отходов производства изотактического полипропиленаНехорошева Александра Викторовна

Технические методы и средства безопасной утилизации нефтеводяных отходов при ликвидации аварийных разливовЖигульский Владимир Александрович

Ресурсосберегающие экологически щадящие термохимические методы переработки горно-химического сырья и отходов Дербунович Николай Николаевич

Геоэкологическая оценка методов и технологий очистки фильтрата полигонов твердых бытовых отходовКоныгин, Александр Александрович