Введение

Жидкость, извлекающая растворимые или взвешенные твердые вещества.

Полигонный фильтрат – это любая жидкость, которая в процессе прохождения через вещество извлекает растворимые или взвешенные твердые вещества, или любой другой компонент материала, через который она прошла. Фильтрат – широко используемый термин в экологических науках, где он имеет конкретное значение жидкости, растворившей или увлекшей с собой вредные для окружающей среды вещества, которые затем могут попасть в окружающую среду. Чаще всего он используется в контексте захоронения органических или промышленных отходов. В узком экологическом контексте фильтрат – это любой жидкий материал, стекающий с земли или складированных материалов и содержащий значительно повышенные концентрации нежелательных веществ, образовавшихся в результате прохождения через исходный материал.

Сброс на свалке

Состав фильтрата полигона сильно варьируется в зависимости от возраста полигона и типа содержащихся в нем отходов. Обычно он содержит как растворенные, так и взвешенные вещества. Образование фильтрата главным образом вызвано просачиванием атмосферных осадков через отложенные на полигоне отходы. Попадая в контакт с разлагающимися твердыми отходами, вода загрязняется, и если она затем вытекает из отходов, она называется фильтратом. Дополнительный объем фильтрата образуется в процессе разложения органических материалов, в результате чего выделяется широкий спектр других веществ, включая метан, углекислый газ и сложную смесь органических кислот, альдегидов, спиртов и простых сахаров. Риски образования фильтрата можно снизить за счет правильного проектирования и строительства полигонов, например, на геологически непроницаемых грунтах или с использованием непроницаемых экранов из геомембран или инженерной глины. Использование экранов теперь является обязательным в Соединенных Штатах, Австралии и Европейском Союзе, за исключением случаев, когда отходы признаются инертными. Кроме того, большинство токсичных и трудноутилизируемых материалов теперь исключены из захоронения на полигонах. Однако, несмотря на значительно более строгий государственный контроль, в фильтратах современных полигонов часто обнаруживают различные загрязнители, происходящие в результате незаконной деятельности или законной утилизации бытовых и хозяйственных продуктов. В исследовании, проведенном в 2012 году в штате Нью-Йорк, во всех обследованных двухслойных секциях полигона уровень утечки составлял менее 500 литров на гектар в день. Средние показатели утечки были значительно ниже, чем для полигонов, построенных по более старым стандартам до 1992 года.

Состав полигонового лишайника

Когда вода просачивается через отходы, она способствует и усиливает процесс разложения бактериями и грибками. Эти процессы, в свою очередь, высвобождают продукты разложения и быстро потребляют доступный кислород, создавая аноксичную среду. При активном разложении отходов температура повышается, а pH быстро падает, в результате чего многие ионы металлов, относительно нерастворимые при нейтральном pH, переходят в раствор в формирующемся фильтрате. Процессы разложения сами по себе высвобождают дополнительное количество воды, что увеличивает объем фильтрата. Фильтрат также реагирует с материалами, не подверженными разложению, такими как зола, строительные материалы на основе цемента и материалы на основе гипса, изменяя их химический состав. На участках с большим объемом строительных отходов, особенно содержащих гипсовую штукатурку, реакция фильтрата с гипсом может приводить к образованию значительных объемов сероводорода, который может выделяться с фильтратом и также составлять существенную часть свалочного газа. Физически фильтрат, выходящий из типичного полигона, представляет собой мутную жидкость с сильным запахом черного, желтого или оранжевого цвета. Запах кислый и неприятный, и может быть очень стойким из-за наличия богатых водородом, азотом и серой органических соединений, таких как меркаптаны. На полигоне, принимающем смесь бытовых, коммерческих и смешанных промышленных отходов, но исключающем значительное количество концентрированных химических отходов, фильтрат может быть охарактеризован как водный раствор, содержащий четыре группы загрязнителей: растворенное органическое вещество (спирты, кислоты, альдегиды, короткоцепочечные сахара и т.д.), неорганические макрокомпоненты (обычные катионы и анионы, включая сульфаты, хлориды, железо, алюминий, цинк и аммиак), тяжелые металлы (Pb, Ni, Cu, Hg) и ксенобиотические органические соединения, такие как галогенорганические соединения (ПХБ, диоксины и т.д.). В фильтратах полигонов также обнаружен ряд сложных органических загрязнителей. Анализ образцов сырого и очищенного фильтрата выявил 58 сложных органических загрязнителей, включая 2-гидроксибензотиазол в 84% образцов и перфтороктановую кислоту в 68%. Бисфенол А, вальсартан и 2-гидроксибензотиазол имели самые высокие средние концентрации в сыром фильтрате, после биологической очистки и после обратного осмоса соответственно.

Управление выщелачиванием

На старых полигонах и на тех, где отсутствует мембрана между отходами и геологическим основанием, фильтрат может свободно выходить из отходов и напрямую попадать в грунтовые воды. В таких случаях высокие концентрации фильтрата часто обнаруживаются в близлежащих родниках и выходах подземных вод. При первом появлении фильтрат может быть черного цвета, бескислородным и, возможно, с выделением газа, содержащим растворенные и взвешенные газы. По мере насыщения кислородом он обычно приобретает коричневый или желтый оттенок из-за присутствия солей железа в растворе и в виде взвеси. Также быстро развивается бактериальная флора, часто включающая обильные разрастания Sphaerotilus natans.

История сбора сливных стоков на свалках

В Великобритании в конце 1960-х годов центральная государственная политика заключалась в том, чтобы обеспечивать выбор новых полигонов твердых бытовых отходов с проницаемыми геологическими слоями, чтобы избежать накопления фильтрата. Эта политика получила название "разбавление и рассеивание". Однако, после ряда случаев, когда эта политика оказалась неэффективной, и публикации в The Sunday Times о серьезном ущербе окружающей среде, вызванном неправильной утилизацией промышленных отходов, как политика, так и законодательство были изменены. Закон о захоронении ядовитых отходов 1972 года, вместе с Законом о местном самоуправлении 1974 года, возложили на органы местного самоуправления ответственность за утилизацию отходов и обеспечение соблюдения экологических стандартов в этой области. Обоснование выбора предлагаемых мест для полигонов должно было основываться не только на географических, но и на научных данных. Многие европейские страны стали выбирать места для полигонов в геологических условиях, не содержащих подземных вод, или требовать обустройства искусственной гидроизоляции на площадке. Под влиянием европейского опыта, Соединенные Штаты активизировали разработку систем удержания и сбора фильтрата. Это быстро привело к переходу от принципа использования гидроизоляции к применению многослойной гидроизоляции на всех полигонах (за исключением полигонов для действительно инертных отходов).

Цели систем сбора сливных вод

Основным критерием проектирования системы сбора фильтрата является обеспечение сбора и удаления всего фильтрата с полигона с такой скоростью, которая предотвращает возникновение недопустимого гидравлического напора в любой точке системы гидроизоляции.

Компоненты систем сбора сливных вод

В системе сбора содержится множество компонентов, включая насосы, люки, напорные трубопроводы и датчики уровня жидкости. Однако, четыре основных компонента определяют общую эффективность системы. Эти четыре элемента – облицовки, фильтры, насосы и приемные ямы.

Лайнерные

Природные и синтетические геомембраны могут использоваться как для сбора фильтрата, так и для его изоляции внутри тела свалки, чтобы защитить почву и грунтовые воды. Основной проблемой является способность геомембраны сохранять целостность и водонепроницаемость на протяжении всего срока эксплуатации полигона. Мониторинг подземных вод, сбор фильтрата и глиняные экраны обычно включаются в проект и строительство полигона твердых бытовых отходов. Для эффективного удержания фильтрата на полигоне, система геомембран должна обладать рядом физических свойств. Геомембрана должна иметь высокую прочность на разрыв, гибкость и относительное удлинение без разрушения. Важно также, чтобы геомембрана была устойчива к истиранию, проколам и химическому воздействию фильтрата. Наконец, геомембрана должна выдерживать перепады температур, быть устойчивой к ультрафиолетовому излучению (поэтому большинство геомембран черного цвета), быть простой в установке и экономически выгодной. Существует несколько типов геомембран, используемых для контроля и сбора фильтрата. К ним относятся геомембраны, геосинтетические глиняные экраны (ГГЭ), геотекстиль, геосетки, геосети и геокомпозиты. Каждый тип геомембраны имеет свои специфические области применения и характеристики. Геомембраны используются для создания барьера между подвижными загрязняющими веществами, выделяемыми отходами, и грунтовыми водами. При закрытии полигонов геомембраны используются для создания малопроницаемого защитного слоя, предотвращающего проникновение дождевой воды. Геосинтетические глиняные экраны (ГГЭ) изготавливаются путем равномерного распределения бентонита натрия между ткаными и неткаными геотекстилями. Геотекстиль используется для разделения двух различных типов грунтов, чтобы предотвратить загрязнение нижнего слоя верхним. Геотекстиль также служит амортизирующим слоем для защиты синтетических слоев от проколов камнями и другими острыми включениями в грунте. Геосетки – это конструкционные синтетические материалы, используемые для стабилизации откосов, создания устойчивости покровных грунтов над геомембранами или для армирования грунта на крутых склонах. Геосети – это синтетические дренажные материалы, которые часто используются вместо песка и гравия. Они могут заменить дренажный песок, тем самым увеличивая полезный объем полигона для отходов. Геокомпозиты – это комбинация синтетических материалов, которые обычно используются по отдельности. Распространенным типом геокомпозита является геосеть, соединенная горячим способом с двумя слоями геотекстиля, по одному с каждой стороны. Геокомпозит выполняет функции фильтра и дренажной среды. Геосинтетические глиняные экраны являются типом комбинированного геомембранного экрана. Одним из преимуществ использования геосинтетического глиняного экрана (ГГЭ) является возможность заказа точного количества материала. Заказ точного количества у производителя позволяет избежать излишков и перерасхода средств. Другим преимуществом ГГЭ является возможность их использования в районах, где нет достаточных запасов глины. С другой стороны, ГГЭ тяжелые и неудобные в обращении, а их установка требует больших трудозатрат. Помимо сложности работ в нормальных условиях, установка может быть отменена во влажную погоду, так как бентонит поглощает влагу, что делает работу еще более трудоемкой и утомительной.

Система дренажа выщелачивания

Система дренажа фильтрата отвечает за сбор и транспортировку фильтрата, собранного внутри геомембраны. Размеры труб, их тип и схема прокладки должны быть тщательно спланированы с учетом веса и давления отходов и транспортных средств. Трубы располагаются на дне камеры. Над сетью труб оказываются значительное давление и вес. Для выдерживания этих нагрузок трубы могут быть как гибкими, так и жесткими, однако соединения труб обеспечивают лучшие результаты, если они гибкие. Альтернативой размещению системы сбора под слоем отходов является прокладка трубопроводов в траншеях или над уровнем земли. Сеть трубопроводов системы сбора фильтрата осуществляет дренирование, сбор и транспортировку фильтрата через дренажный слой в сборный резервуар, откуда он отводится на очистку или утилизацию. Трубы также выполняют функцию дренажа в дренажном слое, предотвращая скопление фильтрата. Эти трубы имеют прорези, расположенные под углом 120 градусов, что препятствует попаданию твердых частиц.

Фильтры

Фильтрующий слой располагается над дренажным слоем в системе сбора фильтрата. В инженерной практике обычно используются два типа фильтров: зернистые и геосинтетические. Зернистые фильтры состоят из одного или нескольких слоев грунта, либо из нескольких слоев с постепенно увеличивающимся размером частиц в направлении фильтрации по сравнению с защищаемым грунтом.

Опускается или выщелачивается хорошо

Когда жидкость поступает в полигонную ячейку, она движется вниз по фильтру, проходит через сеть труб и собирается в приемник. При планировании систем сбора фильтрата количество, расположение и размер приемников имеют решающее значение для эффективной работы. При проектировании приемников первостепенное значение имеет ожидаемый объем фильтрата и жидкости. В районах с более высоким, чем в среднем, уровнем осадков обычно устанавливают более крупные приемники. Дополнительным критерием для планирования приемников является учет производительности насоса. Существует обратная зависимость между производительностью насоса и размером приемника: если производительность насоса низкая, объем приемника должен быть больше среднего. Критически важно, чтобы объем приемника был достаточным для хранения ожидаемого объема фильтрата между циклами откачки. Эта взаимосвязь способствует поддержанию эффективной работы. Насосы для приемников могут работать с заданными временными интервалами. Если поток непредсказуем, предварительно установленный уровень фильтрата может автоматически включать систему. Другими условиями планирования приемников являются техническое обслуживание и минимальный уровень откачки насосом. Трубы сбора обычно транспортируют фильтрат самотеком в один или несколько приемников, в зависимости от площади дренажа. Фильтрат, собранный в приемнике, удаляется путем перекачки в транспортное средство, на накопительную площадку для последующего вывоза или на очистные сооружения на месте. Размеры приемника определяются объемом фильтрата, который необходимо хранить, производительностью насоса и минимальным уровнем откачки насосом. Объем приемника должен быть достаточным для хранения максимального ожидаемого объема фильтрата между циклами откачки, плюс дополнительный объем, равный минимальному объему откачки насосом. Размер приемника также должен учитывать пространственные требования для проведения технического обслуживания и инспекций. Насосы приемников могут работать с заданными циклами или, если поток фильтрата менее предсказуем, насос может автоматически включаться при достижении фильтратом предварительно установленного уровня.

Мембрана и сбор для обработки

Более современные полигоны в развитых странах имеют ту или иную мембрану, отделяющую отходы от окружающей почвы, и на таких участках часто устанавливается сеть труб для сбора фильтрата, проложенная на мембране для отвода фильтрата в место сбора или очистки. Примером системы очистки с минимальным использованием мембран является полигон Нантмель. Все мембраны в определенной степени пористы, поэтому со временем небольшие объемы фильтрата проникают сквозь мембрану. Конструкция мембран полигонов рассчитана на такие малые объемы, что они не должны оказывать измеримого негативного воздействия на качество принимающих грунтовых вод. Более серьезную опасность представляет собой отказ или заброшенность системы сбора фильтрата. Такие системы подвержены внутренним поломкам, поскольку на полигонах происходят значительные деформации из-за неравномерного разложения отходов, что приводит к прогибам и деформации труб. В случае отказа системы сбора фильтрата уровень фильтрата будет медленно повышаться на участке и может даже перелиться через удерживающую мембрану, вытекая в окружающую среду. Повышение уровня фильтрата также может увлажнить массы отходов, которые ранее были сухими, что спровоцирует дальнейшее активное разложение и образование фильтрата. Таким образом, участок, кажущийся стабилизированным и неактивным, может быть реактивирован, возобновить значительную выработку газа и продемонстрировать существенные изменения в отметках поверхности.

Повторное введение на свалку

Одним из методов обращения с фильтратом, который был более распространен на полигонах без ограждения, была рециркуляция фильтрата, при которой фильтрат собирался и повторно вводился в тело отходов. Этот процесс значительно ускорял разложение и, следовательно, образование газа, а также приводил к преобразованию части объема фильтрата в полигонный газ и уменьшению общего объема фильтрата, подлежащего утилизации. Однако, он также, как правило, существенно повышал концентрацию загрязняющих веществ, что затрудняло его обработку.

Лечение

Наиболее распространенным методом обращения с собранным фильтратом является очистка на месте. При очистке фильтрата на месте, фильтрат перекачивается из накопителя в очистные резервуары. Затем фильтрат может смешиваться с химическими реагентами для корректировки pH, коагуляции и осаждения твердых частиц, а также для снижения концентрации опасных веществ. Традиционная очистка включала модифицированную форму активного ила для существенного снижения содержания растворенного органического вещества. Дисбаланс питательных веществ может создавать трудности в поддержании эффективной стадии биологической очистки. Очищенная жидкость редко достигает достаточного качества для сброса в окружающую среду и может отвозиться автотранспортом или по трубопроводу на местную станцию очистки сточных вод; решение зависит от возраста полигона и требуемых пределов качества воды после очистки. Фильтрат с высокой электропроводностью сложно очищать биологическими или химическими методами. Очистка обратным осмосом также ограничена, что приводит к низкому выходу очищенной воды и загрязнению мембран обратного осмоса. Применимость обратного осмоса ограничена электропроводностью, содержанием органических веществ и масштабообразующими неорганическими элементами, такими как CaSO4, Si и Ba.

Вывоз в канализацию

На некоторых старых полигонах фильтрат направлялся в канализацию, но это может вызвать ряд проблем. Токсичные металлы из фильтрата, проходящего через очистные сооружения, концентрируются в осадке сточных вод, что затрудняет или делает опасным его утилизацию без риска для окружающей среды. В Европе в последние десятилетия нормативное регулирование и контроль улучшились, и теперь токсичные отходы больше не допускаются к захоронению на полигонах твердых бытовых отходов, а в большинстве развитых стран проблема с металлами уменьшилась. Однако, парадоксальным образом, по мере улучшения очистки сточных вод в Европе и многих других странах операторы очистных сооружений обнаруживают, что фильтрат представляет собой сложный поток отходов для обработки. Это связано с тем, что фильтрат содержит очень высокую концентрацию аммонийного азота, обычно сильно кислый, часто бескислородный и, при поступлении в больших объемах по сравнению с потоком поступающих сточных вод, испытывает недостаток в фосфоре, необходимом для предотвращения дефицита питательных веществ для биологических сообществ, осуществляющих процессы очистки сточных вод. В результате фильтрат является сложным для обработки потоком отходов. Однако на старых полигонах твердых бытовых отходов это может не представлять проблемы, поскольку pH возвращается к нейтральному после начальной стадии кислотного разложения фильтрата. Многие организации, обслуживающие канализационные сети, ограничивают максимальную концентрацию аммонийного азота в канализации до 250 мг/л для защиты работников, обслуживающих канализационные сети, поскольку максимальный допустимый предел профессиональной безопасности ВОЗ будет превышен при pH выше 9–10, что часто является максимально допустимым pH в сбросах в канализацию. Многие старые потоки фильтрата также содержали различные синтетические органические соединения и продукты их разложения, некоторые из которых могли нанести серьезный ущерб окружающей среде.

Влияние на окружающую среду

Риски, связанные с фильтратом отходов, обусловлены его высокой концентрацией органических загрязнителей и высокой концентрацией аммиака. Патогенные микроорганизмы, которые могут в нем присутствовать, часто называют наиболее важными, однако количество патогенных организмов быстро снижается с течением времени на полигоне, поэтому это применимо только к самому свежему фильтрату. Токсичные вещества могут присутствовать в переменных концентрациях, и их наличие связано с составом захороненных отходов. Большинство полигонов, содержащих органические материалы, производят метан, часть которого растворяется в фильтрате. Теоретически, он может выделяться в плохо вентилируемых помещениях очистных сооружений. Все предприятия в Европе теперь должны оцениваться в соответствии с директивой ЕС ATEX и зонироваться там, где выявлены риски взрыва, для предотвращения будущих аварий. Наиболее важным требованием является предотвращение сброса растворенного метана из необработанного фильтрата в общественную канализацию, и большинство организаций, занимающихся очисткой сточных вод, ограничивают допустимую концентрацию сброса растворенного метана до 0,14 мг/л, или 1/10 нижнего предела взрывоопасности. Это требует удаления метана из фильтрата. Наибольшие экологические риски возникают при сбросах со старых полигонов, построенных до того, как современные инженерные стандарты стали обязательными, а также с полигонов в развивающихся странах, где современные стандарты не применяются. Существенные риски также связаны с нелегальными полигонами и временными полигонами, используемыми организациями, действующих вне закона, для утилизации отходов. Потоки фильтрата, поступающие непосредственно в водную среду, оказывают острое и хроническое воздействие на окружающую среду, которое может быть очень серьезным и может значительно снизить биоразнообразие и резко сократить популяции чувствительных видов. При наличии токсичных металлов и органических веществ это может привести к хроническому накоплению токсинов как в местных, так и в отдаленных популяциях. Реки, подвергшиеся воздействию фильтрата, часто имеют желтоватый оттенок и часто поддерживают чрезмерный рост бактериальных пленок. Современные исследования в области методов оценки и технологий восстановления экологических проблем, возникающих в результате фильтрата с полигонов, были рассмотрены в статье, опубликованной в журнале Critical Reviews in Environmental Science and Technology. Также сообщалось о возможной экологической угрозе для водных экосистем из-за наличия органических микрозагрязнителей в исходном и очищенном фильтрате с полигонов.

Проблемы и сбои с системами сбора

Системы сбора фильтрата могут испытывать множество проблем, включая засорение грязью или илом. Биозагрязнение может усугубляться ростом микроорганизмов в трубопроводе. Условия в системах сбора фильтрата идеально подходят для размножения микроорганизмов. Химические реакции в фильтрате также могут вызывать засорение через образование твердых отложений. Химический состав фильтрата может ослабить стенки труб, что может привести к их разрушению.

Другие виды выщелачивания

Выщелачивающиеся воды могут образовываться также на территориях, загрязненных химическими веществами или токсичными материалами, используемыми в промышленной деятельности, такой как заводы, шахты или хранилища. Выщелачивающиеся воды образуются и на площадках компостирования в районах с высоким уровнем осадков. Выщелачивающиеся воды связаны с хранением угля и отходами от добычи металлической руды и других процессов извлечения горных пород, особенно тех, в которых содержащие сульфиды материалы подвергаются воздействию воздуха, образуя серную кислоту, часто с повышенным содержанием металлов. В контексте гражданского строительства (в частности, при проектировании железобетонных конструкций) под выщелачивающимися водами понимается сток с покрытий (который может включать тающий снег и лед с солью), проникающий через цементную матрицу на поверхность стальной арматуры, тем самым катализируя ее окисление и разрушение. Выщелачивающиеся воды могут обладать генотоксичными свойствами. В недавних исследованиях также сообщалось о потенциальном риске для водной среды из-за присутствия органических микрозагрязнителей в сырых или очищенных выщелачивающихся водах с полигонов.