Способ очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов
METHOD FOR PURIFYING FILTRATION WATERS OF SOLID DOMESTIC WASTE DISPOSAL SITES

Изобретение относится к технологии очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов и может быть использовано как в коммунальном хозяйстве, так и в различных отраслях промышленности.
Особенностями фильтрационных вод (ФВ) полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) являются сложный химический состав, представленный органическими и неорганическими примесями, высокое содержание токсичных компонентов и биорезистентных примесей, а также присутствие в воде различных групп микроорганизмов. Все это существенным образом отличает фильтрационные воды полигонов захоронения ТБО от промышленных и муниципальных сточных вод и требует использование комплексных технологий, сочетающих механические, биохимические и физико-химические методы - коагуляцию, флокуляцию, сорбцию на активных углях (АУ), микро- и ультрафильтрацию, обратный осмос, озонирование, электрохимическое окисление, ультрафиолетовое излучение. Кроме этого, технология должна обладать маневренностью в управлении процессом очистки при изменении состава фильтрата.
2
Известен способ очистки дренажных вод полигонов твердых бытовых отходов, включающий предподготовку, состоящую из электрохимической очистки дренажных вод от загрязняющих примесей с переводом аммонийного азота в нитратную форму и одновременным обеззараживанием воды образующимся активным хлором (при содержании хлорид-ионов 0,8-4,5 г/л и анодной плотности тока 10-15 А/дм), последующей двухступенчатой механической фильтрациию, и обратноосмотическое разделение. Полученный пермеат доочищают на сорбенте, концентрат в количестве до 35 мас. % возвращают в тело полигона, а оставшуюся часть, в количестве не менее 65 мас. %, при помощи струйного насоса, использующего энергию концентрата, подают в испаритель и накопительную емкость - кристаллизатор, откуда кристаллическую соль отводят на утилизацию (Патент RU 2207987, МПК C02F 9/10, C02F 1/04, C02F 1/28, C02F 1/44, C02F 1/46, 20.12.1997).
Недостатком данного способа является необходимость возврата третьей части очищаемых вод в тело полигона. При этом осуществляется возврат концентрированных вод, что усугубляет ситуацию на полигонах, за счет повышения уровня их загрязнений.
Известен реализуемый на поточной линии способ глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод путем их последовательной физико-химической очистки, состоящей из корректировки рН, фильтрования, отгонки аммиака, электрокоагуляции, электрофлотации, повторной корректировки рН, совмещенной с фильтрованием через загрузку, взаимодействующую с раствором и повышающую его рН до 6 7, и ультрафиолетовую обработку с регулируемой интенсивностью облучения (сплошной спектр излучения в диапазоне длин волн 200-2000 нм и пиковая мощность в ультрафиолетовом диапазоне 150-250 кВт), и биологической очистки (Патент RU2099294, МПК C02F 9/00, C02F 1/32, 20.12.1997).
Однако способ обеспечивает очистку стока от полигона только до параметров, соответствующих требованиям при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.
2
2
Наиболее близким является способ очистки фильтрационных вод полигонов ТБО, включающий их механическую фильтрацию, отстаивание и ультрафильтрацию, дальнейшее анаэробное сбраживание в анаэробном биореакторе содержащихся в ФВ органических соединений, электрохимическое окисление в проточном электрофлотодеструкторе с нанокомпозиционным анодом Ti/MnO-SnO, отстаивание фильтрата в присутствии коагулянтов и флокулянтов, ультрафильтрационную очистку с половолоконными мембранными элементами, мембранное обратноосмотическое обессоливание и сорбционную доочистку нермеата (Очистка фильтрационных вод полигонов твердых бытовых отходов /А.А. Поваров, Н.В. Селиванова, Т.А. Трифонова, В.Ф. Павлова, О.Г. Селиванов, М.Е. Ильина, Л.А. Ширкин, В.Б. Торшин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2014. - Т. 16. - №1(3). - С. 661-664). Концентраты после ультрафильтрации, первой ступени обратного осмоса вместе с осадками из отстойника собираются в колодец для жидких отходов и далее возвращается в тело полигона.
Недостатком способа является использование процесса анаэробной очистки ФВ, эффективность которой сильно зависит от состава стоков и очень часто дает сбой в процессе обработки, и при этом анаэробная очистка требует большие площади для осуществления процесса. Кроме этого в результате применения обратного осмоса образуется большое количество концентрата, который необходимо подвергать дополнительной обработке и утилизировать.
Задачей технического решения является разработка эффективного способа очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, обеспечивающего высокую степень очистки фильтрационных вод до необходимых нормативов, сброс в канализацию или доочистка до состояния нормативов сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.
Достигаемый технический результат заключается повышение качества очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов.
Технический результат достигается в способе очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, включающем их механическую фильтрацию, реагентную коагуляцию и флокуляцию, отстаивание, фильтрацию, электрохимическую обработку, обработку УФО, сорбционную очистку и обессоливание фильтрата, при этом механическую фильтрацию осуществляют через систему самоочищающихся фильтров, установленных последовательно с уменьшением размера пор от 10 до 1 мкм, перед реагентной коагуляцией и флокуляцией осуществляют корректировку предельной концентрации загрязнителей в фильтрате, в качестве электрохимической обработки осуществляют электрокоагуляцию и электрофлотацию, а перед электрокоагуляцией и электрофлотацией выполняют электромагнитную активацию фильтрата в проточном гидродинамическом реакторе, при этом фильтрат после электрокоагуляции и электрофлотации подвергают эффективному озонированию кислородно-озоновой смесью, с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему, обработку УФО совмещают с озонированием кислородно-озоновой смесью, а обессоливание осуществляют посредством электродиализа фильтрата.
Способ очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов характеризуется тем, что выполнение стадий электромагнитной активации фильтрата, его электрокоагуляции и электрофлотации повторяется.
Способ очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов характеризуется тем, что выполнение стадии эффективного озонирования кислородно-озоновой смесью, с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему повторяется.
Способ очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов характеризуется тем, что количество повторений отдельных стадий очистки определяется индивидуально с учетом состава и концентраций загрязнителей в фильтрационных водах полигонов захоронения твердых бытовых отходов.
Сущность способа заключается в регулируемой системе определенных последовательных операций по очистке фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, которые можно разделить на следующие этапы:
- подготовительный этап - этап механической очистки, заключающейся в пропускании ФВ через систему самоочищающихся фильтров, установленных последовательно с уменьшением размера пор (от К) до 1 микрон), после чего ФВ накапливаются в усреднителе, обеспечивающем равномерное порционное дозирование объема ФВ, поступающей на этап основной очистки, а также контроль и корректировку предельной концентрации загрязнителей в ФВ;
- этап основной очистки - включает последовательные процессы реагентной коагуляции и флокуляции, отстаивания, отделения жидкой фракции и ее фильтрации, электромагнитную активацию фильтрата в проточном гидродинамическом реакторе, электрокоагуляцию и электрофлотацию с последующим эффективным озонированием кислородно-озоновой смесью, фильтрованием через песчано-угольную систему, совмещенную с гидролизом обработку УФО и сорбционным фильтрованием;
- этап доочистки - финишная обработка фильтрата, заключающаяся в электродиализе фильтрата.
Подготовительный этап очистки начинается с пропускания фильтрационных вод через решетки и крупнопористые сетки, избавляющие от крупных загрязнений органического и минерального происхождения. Далее фильтрационные воды (ФВ) проходят последовательную градиентную фильтрацию через систему самоочищающихся фильтров. Фильтры установлены с уменьшением размера пор от 10 до 1 микрон, что обеспечивает максимально эффективную механическую очистку фильтрационных вод.
После механической очистки ФВ накапливаются в усреднителе, где осуществляется контроль концентрации загрязнителей в ФВ и их корректировка посредством разбавления, например, ранее очищенной водой. Допустимая концентрация загрязнителей на выходе из усреднителя определяется заданными условиями процесса очистки. Усредни гель обеспечивает как выравнивание концентрации загрязняющих веществ, так и подачу фильтрационных вод на следующий этап очистки. В усреднителе осуществляется непрерывный контроль верхнего и нижнего уровня воды с помощью уровнемера.
Контроль концентрации загрязнителей, их корректировка и порционные объемы подачи фильтрационных вод на следующий этап очистки осуществляются в автоматическом режиме под контролем ЭВМ.
Из усреднителя фильтрационные воды подаются в емкость для реагентной коагуляции и флокуляции. В эту же емкость поступают предварительно рассчитанное, с учетом известной концентрации загрязнителей, количество реагентов - коагулянтов и/или флокулянтов. В качестве коагулянтов и флокулянтов используются традиционно применяемые для очистки сточных вод химические реагенты - соли алюминия и железа, например, сульфаты, хлориды или их основные соли (гидроксохлориды, гидроксосульфаты), неионогенные, анионные, катионные полиэлектролиты. Оптимальное количество и тип флокулянта подбирается в зависимости от состава и концентрации загрязнителей в ФВ. После воздействия реагентов фильтрационные воды отстаиваются, жидкая фракция отделяется и фильтруется на пресс-фильтре.
Полученный фильтрат через проточный гидродинамический реактор поступает на электрохимическую обработку. В проточном гидродинамическом реакторе осуществляется электромагнитная активация фильтрата.
Электромагнитная активация фильтрата осуществляется под воздействием вращающегося электромагнитного поля с высокой удельной концентрацией в единице объема рабочей зоны. При этом происходит очень быстрое и тщательное перемешивание фильтрата и его активация: ускоряются физико-химические и механо-физические реакции, и, соответственно, производные процессы. Это приводит к увеличению производительности способа.
Кроме этого, в рабочей зоне гидродинамического реактора размещаются ферромагнитные частицы (нескольких сотен частиц, чаще в форме иголок), которые под воздействием вращающегося электромагнитного поля одновременно вращаются вокруг своей наименьшей оси со скоростью, близкой к скорости вращения магнитного поля, и перемещаются по рабочей зоне. Таким образом, каждая ферромагнитная частица совершает вращение с большой, но переменной угловой скоростью, что приводит к быстрому перемешиванию и диспергированию компонентов.
Кроме перечисленных воздействий на фильтрат, электромагнитная активация в гидродинамическом реакторе инициирует ряд сопутствующих процессов, существенно влияющих на эффективность способа: вращение иголок в жидкой фазе вызывают акустические явления и кавитацию.
2
В результате возникающих кавитационных процессов, кинетическая энергия содержащихся частиц вызывает в момент схлопывания пузырьков гидравлические микроудары, сопровождающиеся местным повышением давления до 104 кг/см и локальным повышением температуры выше 1000°С.
Таким образом, кавитация кроме механического воздействия оказывает на бактериальную флору и микростерилизационное воздействие в условиях ультравысокотемпературного режима в области схлопывания кавитационного пузырька, а также увеличивает скорость окисления и расщепления растворенных фильтрате молекул.
В результате электромагнитной активации фильтрата происходит совмещение в одном рабочем пространстве всех рассмотренных факторов, многократно повышающих эффективность процесса очистки - увеличение степени очистки. При этом удаляются нефтепродукты и другие органические вещества (падает ХПК - химическое потребление кислорода), происходит снижение основных количеств аммонийного азота.
Фильтрат, прошедший электромагнитную активацию, поступает на электрохимическую обработку (ЭХО), которая включает электрокоагуляцию и электрофлотацию ФВ.
Электрокоагуляция ФВ обеспечивает окисление и удаление трудно коагулируемых органических веществ, тяжелых металлов, способствует осветлению очищаемого фильтрата. Процесс электрокоагуляции переходит в процесс электрофлотации. Образующиеся на поверхности нерастворимых электродов при пропускании через фильтрат постоянного электрическою тока мелкодисперсные пузырьки водорода и кислорода, формируют с флокулами загрязнений (гидроксиды тяжелых металлов, нефтепродукты, масла, поверхностно-активные вещества и т.д) устойчивые агрегаты, которые всплывают на поверхность и образуют флотошлам. Образующийся флотошлам удаляется скребковым механизмом в направлении против течения ФВ в шламоприемный карман.
3
Интенсификация процесса электрофлотации может осуществляться путем дозирования в очищаемый раствор флокулянта (например, Флокулянт Flopam 12,5 грамм на 1 м ФВ). Применение электрофлотатора камерного типа позволяет улучшить гидравлические и физико-химические условия формирования флотокомплексов и увеличить эффективность очистки.
На данной стадии осуществляется текущий контроль концентраций загрязнителей в ФВ, по результатам которого выполнение стадий электромагнитной активации фильтрата, его электрокоагуляции и электрофлотации может повторяться. Количество повторений данных стадий очистки определяется индивидуально с учетом состава и концентраций загрязнителей в ФВ. При достижении оптимального значения текущих концентраций загрязнителей, ФВ подвергаются эффективному озонированию кислородно-озоновой смесью.
В процессе данной стадии очистки осуществляют эффективное смешивание фильтрата с кислородно-озоновой смесью, выдерживают раствор в течение 15-20 минут и фильтруют через песчано-угольную фильтровальную систему.
Эффективное смешивание фильтрата с кислородно-озоновой смесью (кислородно-озоновая смесь образуется при получении озона с использованием газовой смеси, содержащей 90-95 об. % кислорода, в этом случае концентрация озона в кислородно-озоновой смеси составит 10 и более вес. %) обеспечивается следующим образом: в рабочей камере эжектора создается зона разряжения, в газовый вход эжектора из озонатора непрерывно подсасывается кислородно-озоновая смесь и смешивается с поступающими под давлением не менее 4-х атмосфер ФВ.
Под действием озона при нормальной температуре разрушаются многие органические вещества и примеси, окисляются растворенные в воде соли металлов, органические соединения, происходит дезинфекция воды (уничтожаются бактерии и вирусы). Озонирование можно осуществлять и озоно-воздушной смесью (озоно-воздушная смесь образуется при получении озона с использованием атмосферного воздуха, в котором кислорода 21 об. %, в этом случае концентрация озона в озоно-воздушной смеси составит не более 2 вес. %).
Песчано-угольные фильтры посредством напорной фильтрации ФВ через слой зернистого материала обеспечивают механическую очистку фильтрата и адсорбируют остаточные органические вещества.
На данной стадии осуществляется текущий контроль концентраций загрязнителей в ФВ, по результатам которого выполнение стадий эффективного озонирования кислородно-озоновой смесью, с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему может повторяться. Количество повторений данных стадий очистки определяется индивидуально с учетом состава и концентраций загрязнителей в ФВ.
На следующей стадии осуществляют озонирование кислородно-озоновой смесью, активированное ультрафиолетовым облучением (УФО).
Одновременная обработка ФВ в проточном реакторе кислородно-озоновой смесью и УФО увеличивает скорость окисления растворенных органических молекул в 100-10000 раз, при этом наблюдается взаимное усиление действия озона и УФО. Эффективному разложению подвергаются различные органические загрязнители воды: галогенуглеводороды (винилхлорид, дихлорэтан, трихлорэтилен, перхлорэтилен, хлорбензол, хлорфенолы, полихлорированные бифенилы), ароматические (бензол, толуол, ксилол, этилбензол) и полициклические (нафталин, антрацен, пирен, бензпирен) углеводороды, гербициды (атразин, пропазин, бромазил), другие вредные соединения (фенолы, спирты, альдегиды, масла, жиры, карбоновые кислоты и т.д.). Реакции идут до полной минерализации органических соединений, наблюдается также детоксикация ряда неорганических соединений (нитриты, цианиды, гидразин и т.д). Происходит обеззараживание (снижение концентрации микробиологических загрязнений), полное удаление высокотоксичных хлорорганических веществ и дальнейшее снижение показателя ХПК (химическое потребление кислорода).
Пройдя проточный реактор, ФВ поступают на сорбционное фильтрование, где активированный уголь адсорбирует остаточные органические вещества и обеспечивает окончательную очистку фильтрата.
На заключительном этапе осуществляется доочистка - финишная обработка фильтрата, заключающаяся в его обессоливании посредством электродиализа, который позволяет избавиться от остаточных количеств растворимых минеральных солей.
Все этапы и стадии способа осуществляются и корректируются в автоматическом режиме (с помощью прикладного программного обеспечения, которое позволяет программировать работу очистных сооружений) в соответствии показателями датчиков контроля состава и концентрации загрязнителей и рН ФВ. На всех стадиях очистки оборудование снабжено контрольно-измерительными приборами для контроля параметров ФВ на входе и на выходе с установкой системы обратной связи для возможности регулирования процесса.
Собранный в процессе очистки ФВ шлам обезвоживается и утилизируется.
Качество очищенных заявленным способом фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов оценивалось по результатам лабораторных испытаний проб исходного и очищенного фильтрата полигона ТБО.
Лабораторные исследования проводились на пробах исходного концентрата фильтрата полигона ТБО (проба 1); пробах очищенного концентрата фильтрата, при условии однократного выполнения стадий электромагнитной активации фильтрата, его электрокоагуляции, электрофлотации, эффективного озонирования кислородно-озоновой смесью, с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему (проба 2); пробах очищенного концентрата фильтрата, при условии двукратною выполнения стадий электромагнитной активации фильтрата, его электрокоагуляции, электрофлотации, эффективного озонирования кислородно-озоновой смесью, с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему (проба 3).
Лабораторные исследования химического состава ФВ проводились в испытательной лаборатории ООО «ЭкООнис - экологически чистые технологии».
Результаты количественного химического анализа и физические параметры проб приведены в таблице 1.
Лабораторные испытания на предмет микробиологических исследований проводились в Испытательном лабораторном центре ФМНЛ ФГБУЗ Головного центра гигиены и эпидемиологии на промаркированных образцах в соответствии с требованиями МУ 2.1.5.800-99 - Организация Госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод. Методические указания.
Результаты микробиологических исследований приведены в таблице 2.
Таким образом, способ очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов, включающий их механическую фильтрацию через систему самоочищающихся фильтров, установленных последовательно с уменьшением размера пор от 10 до 1 мкм, корректировку предельной концентрации загрязнителей в фильтрате, рсагснтную коагуляцию и флокуляцию, отстаивание, фильтрацию, электромагнитную активацию фильтрата в проточном гидродинамическом реакторе, электрокоагуляцию и электрофлотацию, эффективное озонирование кислородно-озоновой смесью с последующим фильтрованием через песчано-угольную систему, обработку УФО, совмещенную с озонированием кислородно-озоновой смесью, сорбционную очистку и обессоливание посредством электродиализа фильтрата, при котором количество повторений отдельных стадий очистки определяется индивидуально с учетом состава и концентраций загрязнителей в фильтрационных водах полигонов захоронения твердых бытовых отходов, обеспечивает повышение качества очистки фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов.