УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ФИЛЬТРАТА ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
FILTER TREATMENT PLANT FOR SOLID COMMUNAL WASTE LAND

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к установкам для очистки дренажных вод, сформированных в результате фильтрации через «тело» полигона твердых коммунальных отходов, и может быть использовано для очистки сточных вод сложного состава - высококонцентрированных и высокотоксичных.
Для целей настоящего изобретения следующие термины означают:
«твердые коммунальные отходы» (ТКО) - смесь многочисленных фракций бытовых отходов, представляющая собой основную часть мусора современной среды обитания человека;
«полигон» - территория, отведенная под захоронение ТКО;
«фильтрат» - дренажные воды - сточная жидкость, образующаяся в результате окисления органики ТКО в сочетании с атмосферными осадками и прошедшая сквозь «тело» полигона.
В настоящее время все более актуальными становятся проблемы охраны окружающей среды, в том числе, связанные с обработкой и утилизацией все возрастающего объема ТКО. Полигонное захоронение компонентов ТКО, которые не могут быть повторно использованы или утилизированы иными способами, является одним из наиболее распространенных методов обращения с ТКО, что приводит к необходимости отчуждения значительных территорий и загрязнению окружающей среды. Под полигоны ежегодно отводятся земли в непосредственной близости от городов и населенных пунктов. С одной стороны, стоимость захоронения ТКО достаточно низка, что является явным преимуществом перед другими способами обращения с ТКО, а с другой стороны - полигоны представляют собой опасность для окружающей среды, в частности, из-за образования фильтрата.
В «теле» отечественных полигонов помимо коммунальных могут быть обнаружены медицинские, промышленные, биологические и другие виды отходов. Под воздействием атмосферных осадков, а также в результате анаэробного разложения органических компонентов отходов, при прохождении сквозь «тело» полигона формируется высококонцентрированная сточная жидкость с высокотоксичными свойствами. Высокая токсичность фильтрата не позволяет использовать такой традиционный способ очистки сточных вод, как биологическая очистка с использованием активного ила.
Известна установка для глубокой очистки высококонцентрированных сточных вод, в частности, фильтратов, вытекающих из полигонов твердых бытовых отходов, представляющая собой поточную линию, снабженную узлом физико-химической очистки, включающим соединенные последовательно аппараты для отгонки аммиака и корректировки рН, электрокоагулятор, электрофлотатор, фильтр с минеральной загрузкой, обеспечивающей наряду с фильтрованием повышение рН раствора, установку обеззараживания фильтрата ультрафиолетом и узел биологической очистки. (Патент RU 2099294, C02F 9/00, 1997 г.).
Недостатками этой установки являются высокие энергозатраты за счет использования электрокоагулятора и электрофлотатора.
Известна установка для очистки фильтрата полигонов твердых бытовых отходов, содержащая блок предподготовки, который в свою очередь содержит последовательно расположенные узел электрохимической обработки с электролизером, фильтр-пресс, узел двухступенчатой механической фильтрации с напорным песчаным фильтром на первой ступени и патронным фильтром на второй, блок двухступенчатой обработки мембранами обратного осмоса и блок адсорбции. (Патент RU 2207987, C02F 9/10, C02F 1/04, 2003 г.).
Недостатком известной установки являются высокие энергозатраты узла электрохимической обработки при содержании в фильтрате высокой концентрации трудноокисляемой органики и токсичных соединений, что приводит к высоким эксплуатационным затратам на замену сорбента блока адсорбции.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату к предложенной установке является установка для обработки фильтрата полигонов твердых бытовых отходов, содержащая приемную емкость, блоки двухступенчатой электрохимической очистки, реагентной обработки с узлами подачи коагулянта, щелочи и флокулянта, блок отстаивания, содержащий отстойник с тонкослойными модулями, блок двухступенчатой фильтрации, в котором в качестве первой ступени используют самопромывной фильтр механической очистки, а в качестве второй - половолоконный ультрафильтрационный модуль с обратноточными пульсирующими промывками, блок двухступенчатого обратного осмоса, блок обезвоживания осадка, содержащий коллектор сбора осадков, накопительную емкость осадков и устройство механического обезвоживания, блок ионообменных фильтров и блок обеззараживания, содержащий ультрафиолетовый стерилизатор. (Патент RU 2589139, C02F 9/08, C02F 1/42, 2016 г.).
Недостатками этой установки являются повышенные энергозатраты из-за использования двухступенчатой электрохимической очистки и высокие эксплуатационные затраты из-за многоэтапного использования реагентов, а также ионообменных смол.
Проблемой, решение которой обеспечивается осуществлением изобретения, является снижение рисков нанесения вреда окружающей среде за счет повышения степени очистки фильтрата полигонов ТКО.
Технический результат от использования предложенной установки заключается в снижении энерго- и эксплуатационных затрат при одновременном повышении степени очистки фильтрата.
Проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что в установке для обработки фильтрата полигонов твердых коммунальных отходов, содержащей приемную емкость фильтрата, блок реагентной обработки с узлами подачи коагулянта и флокулянта, блок отстаивания, содержащий отстойник с тонкослойными модулями, двухступенчатый блок фильтрации, блок обратного осмоса, блок обезвоживания осадка, содержащий накопительную емкость и устройство механического обезвоживания, коллектор сбора осадков, узел обеззараживания и трубопровод отвода очищенного фильтрата, блок реагентной обработки снабжен узлом подачи кислоты, двумя параллельно установленными реакторами нейтрализации фильтрата и реактором с низкоскоростной мешалкой, двухступенчатый блок фильтрации содержит на первой ступени накопительную емкость первой ступени и контактный осветлитель, на второй - накопительную емкость второй ступени и дисковый микрофильтр, блок обратного осмоса снабжен накопителем концентрата и выполнен, по меньшей мере, четырехступенчатым, причем на первой ступени блока обратного осмоса используют нанофильтрационную мембрану, а на второй и последующих - низконапорные мембраны обратного осмоса, каждая ступень блока обратного осмоса снабжена баком-гидроаккумулятором и насосом, выход пермеата предыдущей ступени блока обратного осмоса соединен со входом последующей ступени, при этом выход пермеата последней ступени соединен с трубопроводом очищенного фильтрата, выход концентрата первой и второй ступеней блока обратного осмоса соединены со входом накопителя концентрата, выход концентрата всех последующих ступеней, соединен со входом предыдущей ступени, а выход накопителя концентрата соединен с коллектором сбора осадков.
Предпочтительно, что узел подачи коагулянта снабжен трубкой Вентури или реактором с высокоскоростной мешалкой.
Предпочтительно, что узел подачи флокулянта снабжен трубкой Вентури.
В частном случае в качестве устройства механического обезвоживания осадка используют шнековый обезвоживатель.
Предпочтительно, что блоки установки размещены в контейнерах.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже схематически изображена установка для обработки фильтрата полигона твердых коммунальных отходов, содержащая четырехступенчатый блок обратного осмоса (ООС). Для большей наглядности соотношение между отдельными элементами установки изменены.
Установка для обработки фильтрата полигона ТКО основана на реагентно-мембранной схеме обработки и содержит приемную емкость фильтрата 1, усреднитель расхода 2, реактор нейтрализации фильтрата 3, узел подачи кислоты 4, узел подачи коагулянта 5, узел подачи флокулянта 6, реактор с низкоскоростной мешалкой 7, отстойник с тонкослойными модулями 8, накопительную емкость первой ступени фильтрации 9, контактный осветлитель 10, накопительную емкость второй ступени фильтрации 11, дисковый микрофильтр 12, бак-гидроаккумулятор первой ступени ООС 13, насос первой ступени ООС 14, нанофильтрационную мембрану 15, накопитель концентрата 16, коллектор сбора осадков 17, насос перекачки осадков 18, накопительную емкость осадков 19, устройство механического обезвоживания осадков 20, бак-гидроаккумулятор второй ступени обратного осмоса 21, насос второй ступени обратного осмоса 22, низконапорную мембрану ООС второй ступени 23, бак-гидроаккумулятор третьей ступени ООС 24, насос третьей ступени ООС 25, низконапорную мембрану ООС третьей ступени 26, бак-гидроаккумулятор четвертой ступени ООС 27, насос четвертой ступени ООС 28, низконапорную мембрану ООС четвертой ступени 29, трубопровод отвода очищенного фильтрата 30, узел обеззараживания 31.
В установке использованы два параллельно установленных реактора нейтрализации фильтрата 4 (второй реактор нейтрализации на чертеже не показан). В предпочтительных вариантах установки узел подачи коагулянта 5 снабжен соплом Вентури или реактором с высокоскоростной мешалкой (на чертеже не показаны), узел подачи флокулянта 6 снабжен соплом Вентури (на чертеже не показано).
Установка работает следующим образом.
Фильтрат из дренажной системы сбора с карт полигона ТКО поступает в приемную емкость 1, откуда направляется в усреднитель расхода 2 для обеспечения равномерного поступления фильтрата на дальнейшую обработку. Показатель рН фильтрата, поступающего на обработку, составляет 7,6-8,6. Из усреднителя расхода 2 фильтрат подают в реактор нейтрализации 3, в который из узла подачи кислоты 4 дозируют соляную кислоту. В реакторе 3 происходит нейтрализация фильтрата до рН 7,0, преимущественно за счет наличия гидрокарбоната натрия, в результате реакции которого с соляной кислотой происходит пенообразование, вызванное выделением углекислоты.
3
2
2
NaHCO+HCl → NaCl+HO+CO↑
Объем образующейся пены, направляют в систему пеногашения (на чертеже не показана), откуда образовавшийся осадок поступает в накопительную емкость осадков 19.
Для обеспечения непрерывной работы технологического потока устанавливают параллельно два реактора нейтрализации 3, в одном из которых ведут корректировку рН и удаление пены, а из второго фильтрат, уже прошедший эту операцию, последовательно подвергают обработке коагулянтом и флокулянтом (например, полиакриламидом) путем их дозирования, соответственно, из узла подачи коагулянта 5 и из узла подачи флокулянта 6.
Одним из существенных качественных показателей фильтрата ТКО является химическое потребление кислорода - ХПК, основной вклад в который дают гуминоподобные вещества, образовавшиеся в результате химических превращений органических веществ в теле полигона ТКО. По своим химическим свойствам они аналогичны гуминовым кислотам, т.е. образуют нерастворимые соли с тяжелыми металлами (свинец, цинк, кадмий и др.) и d-элементами (железо, кобальт, никель и др.). Значительная часть гуминовых кислот имеет высокую молекулярную массу и поэтому легко удаляется коагуляцией с гидроокисями металлов, образующимися в результате гидролиза их солей.
В качестве коагулянта используют хлорид железа, который гидролизуется с образованием гидроокиси железа
2
3
3
3HO+FeCl → Fe(OH)↓+3HCl
Гидроокись железа в свою очередь нейтрализует заряд коллоидного гумата и осаждает его. Кроме того, происходит и прямое взаимодействие соли железа с карбоксильными группами гумата, при этом соли тяжелых металлов переходят в нерастворимую форму в соединении с гуматами:
3
(HUM)×(OHCOONa)y+yFeCl → (HUM)×(OCOOFe)y↓+2yNaCl
Для проведения эффективной коагуляции необходимо быстрое и равномерное смешение обрабатываемого фильтрата с реагентом. Поэтому подачу коагулянта предпочтительно осуществлять либо через трубку Вентури, встроенную в систему подачи фильтрата, либо через отдельную емкость с высокоскоростной мешалкой (на чертеже не показаны).
После того как коагулянт смешается с потоком фильтрата и произойдет гидролиз, в поток, предпочтительно через трубку Вентури, для повышения эффективности процесса флокуляции подают флокулянт (анионный или катионный). Флокулянт ускоряет процесс образования крупных флоккул и их осаждение.
Обработанный коагулянтом и флокулянтом фильтрат поступает в реактор с низкоскоростной мешалкой 7 (не более 5-10 оборотов в минуту, чтобы не разрушить образовавшиеся флоккулы). Время пребывания обработанного реагентами фильтрата в реакторе 7 составляет порядка 10-15 минут, за это время часть образовавшегося в реакторе 7 осадка опускается на его дно, откуда поступает в коллектор сбора осадков 17. Значение рН фильтрата после гидролиза коагулянта составляет 5,7-6,0.
Частично осветленный фильтрат из реактора 7 подают в отстойник с тонкослойными модулями 8, интенсифицирующими дальнейший процесс осаждения осадка, который также из отстойника 8 поступает в коллектор сбора осадков 17.
Осветленный фильтрат после отстойника 8 подают в накопительную емкость первой ступени фильтрации 9, а затем в контактный осветлитель (зернистый фильтр) 10, накопительную емкость второй ступени фильтрации 11 и на дисковый микрофильтр 12. Образующийся осадок с обеих ступеней фильтрации отводят в коллектор сбора осадков 17. Промывку контактного осветлителя 10 ведут противотоком фильтратом после накопительной емкости второй ступени фильтрации 11, а осадок, образующийся в результате промывки, направляют в реактор с низкоскоростной мешалкой 7.
Для доочистки фильтрата ТКО после применения реагентного осаждения используют мембранную установку, содержащую четыре ступени обратного осмоса. Осветленный фильтрат после микрофильтра 12 через бак-гидроаккумулятор первой ступени ООС 13 насосом первой ступени ООС 14 подают на нанофильтрационную мембрану 15, после разделения на которой концентрат подают в накопитель концентрата 16, откуда концентрат отводят в коллектор сбора осадков 17, а пермеат первой ступени ООС через бак-гидроаккумулятор второй ступени ООС 21 насосом второй ступени ООС 22 подают на низконапорную мембрану ООС второй ступени 23, после разделения на которой концентрат отводят в накопитель концентрата 16, а пермеат второй ступени ООС через бак-гидроаккумулятор третьей ступени ООС 24 насосом третьей ступени ООС 25 подают на низконапорную мембрану ООС третьей ступени 26, после разделения на которой концентрат третьей ступени ООС рециркулируют на вход мембраны второй ступени ООС 23, а пермеат третьей ступени через бак-гидроаккумулятор четвертой ступени ООС 27 насосом четвертой ступени ООС 28 подают на низконапорную мембрану ООС четвертой ступени 29, после разделения на которой концентрат четвертой ступени ООС рециркулируют на вход низконапорной мембраны третьей ступени ООС 26, а пермеат четвертой ступени ООС подают в трубопровод отвода очищенного фильтрата 30. Очищенный фильтрат подвергают обработке в узле обеззараживания 31, например, ультрафиолетом.
Образовавшийся в процессе многостадийной обработки фильтрата осадок по коллектору сбора осадков 17 насосом перекачки осадков 18 подают в накопительную емкость осадков 19, а затем на устройство механического обезвоживания осадков 20, в качестве которого может быть использован шнековый обезвоживатель, откуда обезвоженный осадок влажностью 70-80% направляют на утилизацию, а отделенную жидкую фазу направляют в отстойник с тонкослойными модулями 8 для дальнейшей повторной обработки.
Блок ООС предложенной установки выполнен по каскадному принципу и содержит четыре и более ступени мембранной обработки, что позволяет провести высококачественную доочистку фильтрата ТКО после применения реагентного осаждения.
Количество ступеней ООС зависит в основном от величины общего солесодержания, ХПК и концентрации аммония в исходном фильтрате ТКО.
Наличие бака-аккумулятора на каждой ступени ООС позволяет поддерживать давление в блоке ООС из избавить мембраны от гидроударов.
Наибольшую проблему при очистке фильтрата ТКО представляет наличие большой концентрации ионов аммония, концентрация которого в очищенной воде должна отвечать требованиям сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения 0,2 мг/л. При высокой концентрации аммония в исходном фильтрате ТКО в процессе его обработки может потребоваться снижение аммония в 2000 раз и более. Применение современных низконапорных мембран ООС позволяет снизить количество одновалентных ионов, содержащихся в обрабатываемой среде (натрия, аммония, хлорид-ионов и пр.) только в 100 раз.
Таким образом, чтобы получить требуемый уровень снижения аммония, нужно применить каскад, состоящий как минимум из трех ступеней низконапорных мембран ООС.
Однако фильтрат ТКО имеет высокое солесодержание и высокое значение ХПК. Поэтому достичь величины выхода фильтрата с применением низконапорных мембран для фильтратов ТКО с величиной солесодержания выше 3000 мг/л и ХПК на уровне 3000 не представляется возможным: при увеличении выхода фильтрата наблюдается резкое падение производительности низконапорных мембран.
В предложенной установке в качестве первой ступени блока ООС предложено использовать нанофильтрационные мембраны, Используют нанофильтрационные мембраны с селективностью по солям 60 и 70 процентов, позволяющие увеличить величину выхода фильтрата и сократить расходы электроэнергии. Нанофильтрационные мембраны лучше задерживают органические вещества, чем одновалентные ионы. Так, селективность первой ступени ООС по ХПК составляет 80%. Поскольку пермеат первой ступени является недостаточно очищенным от солей, эту проблему решают последующие ступени ООС, в которых используют низконапорные мембраны ООС.
После первой ступени ООС пермеат представляет собой смесь хлоридов и карбонатов натрия и аммония и направляется на вторую ступень ООС и далее последовательно на третью и четвертую ступени ООС. Из четвертой ступени ООС пермеат (очищенный фильтрат) поступает в трубопровод очищенного фильтрата 30 и после обеззараживания, например, ультрафиолетом, может быть использован для различных технических нужд.
Что касается концентрата, то его движение направлено в обратную сторону: концентрат из четвертой ступени ООС направляется на вход третьей ступени, где смешивается с пермеатом, поступающим на третью ступень ООС, концентрат третьей ступени ООС направляется на вход второй ступени ООС, где смешивается с пермеатом, поступающим на вторую ступень ООС. Концентрат второй ступени направляется в накопитель концентрата 16.
На каждой ступени величина отношения расхода пермеата к общему расходу подаваемой воды составляет значение равное 0,9. Таким образом, общее солесодержание концентрата на каждой ступени в 10 раз превышает солесодержание исходной жидкости, поступающей на каждую ступень.
Эксперименты показали, что прошедший реагентную обработку фильтрат ТКО может быть сконцентрирован более, чем в 50 раз.
Технологические показатели реагентно-мембранной схемы обработки фильтрата полигона ТКО г. Александрова приведены в Таблице.
Таким образом, предложенная установка обработки фильтрата полигона твердых коммунальных отходов позволяет снизить энерго- и эксплуатационные затраты при одновременном повышении степени очистки фильтрата и снижает риски загрязнения окружающей среды.