Комбинированная Технология очистки фильтратов полигонов ТКО для сброса в ЦСВ

Ю. В. Буханцов, Е. А. Соколова, Т. И. Кочанова, компания «Новые трубные технологии» (ООО «НТТ»)
М. Е. Белолипецкий, И. А. Нечаев, компания «ОРИОН»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАТА ПОЛИГОНОВ ТКО

Высокий экологический риск загрязнения окружающей среды фильтратом полигонов ТКО обусловлен как значительными объемами генерации фильтрата, так и его сложным, многокомпонентным составом, формирующимся в результате синергии физико-химических и биологических процессов разложения гетерогенной массы отходов, выпадения атмосферных осадков и инфильтрации грунтовых вод, а также отсутствием на данный момент работоспособной технологической схемы очистки фильтрата.

Фильтрат полигонов ТКО представляет собой одну из наиболее сложных для очистки разновидностей сточных вод, что обусловлено исключительной сложностью и нестабильностью его компонентного состава:

• высококонцентрированные органические соединения (оцениваемые по показателям химического потребления кислорода (ХПК) и биохимического потребления кислорода (БПК)), которые могут достигать десятков тысяч мг/л и представлены как легко разлагаемыми, так и трудноокисляемыми веществами (гуминовыми и фульвокислотами);
• азотсодержащие соединения преимущественно в форме аммонийного азота (NH₄⁺), концентрации которого чрезвычайно велики. Азот аммонийный является токсичным для гидробионтов и приводит к эвтрофикации водоемов;
• тяжелые металлы (свинец, кадмий, ртуть, хром, цинк, никель и др.), обладающие кумулятивными, канцерогенными и мутагенными свойствами;
• высокое солесодержание (общая минерализация): хлориды, сульфаты.

Такой гетерогенный состав делает невозможным применение какого-либо единого, универсального метода очистки. В связи с этим технологии очистки фильтрата должны представлять собой многоступенчатые комбинированные системы, где на каждом этапе решается задача удаления конкретной группы загрязнений. В настоящее время в схемах очистки фильтрата полигонов ТКО мембранный метод обратного осмоса (ОО) позиционируется как одна из наиболее эффективных и зачастую завершающих стадий технологической цепочки, обеспечивающая глубокое обессоливание и удаление широкого спектра загрязняющих веществ. Действительно, установки ОО способны достигать высоких степеней очистки, обеспечивая качество пермеата, соответствующее жестким нормативам сброса в водные объекты. Однако рассмотрение данного метода в качестве универсального решения приводит к образованию системных проблем, ставящих под сомнение его экологическую и экономическую устойчивость.

Прежде всего, необходимо акцентировать внимание на фундаментальном принципе работы ОО: он не является методом деструкции или обезвреживания загрязнений, а представляет собой процесс разделения исходного фильтрата на два потока: очищенную воду (пермеат) и концентрированный раствор (концентрат). Именно в концентрате аккумулируются все задержанные мембраной вещества. Таким образом, проблема высокотоксичного фильтрата не решается, а трансформируется в проблему существенно меньшего по объему (15–30 % от исходного потока), но гораздо более опасного по составу концентрата, характеризующегося предельными значениями солесодержания, содержания органики и тяжелых металлов. Дальнейшая утилизация данного концентрата представляет собой самостоятельную сложнейшую задачу: его возврат в тело полигона интенсифицирует процессы коррозии и биодеградации, сброс в канализацию невозможен из-за сверхнормативных показателей, а выпаривание или кристаллизация требуют колоссальных энергозатрат. Следовательно, применение ОО без продуманной стратегии обращения с концентратом лишь усугубляет экологический риск.

Второй ключевой проблемой является технологическая уязвимость метода при включении ОО в технологическую схему без предварительной глубокой очистки. Подача на мембранные установки исходного или недостаточно подготовленного фильтрата, содержащего высокие концентрации органических компонентов, в особенности гуминовых кислот, коллоидных частиц и взвешенных веществ, приводит к их быстрому осаждению на поверхности мембраны. Это явление, известное как фоулинг, вызывает необратимое снижение производи тельности установки, рост рабочего давления и, как следствие, резкое сокращение срока службы дорогостоящих мембранных элементов. Таким образом, игнорирование необходимости предварительного удаления ос новной массы органических загрязнений с помощью высокоэффективных физико-химических или биологических методов не только нерационально с технологической точки зрения, но и катастрофически увеличивает эксплуатационные расходы, подрывая экономическую целесообразность всего проекта.

В свете изложенного очевидно, что рассмотрение ОО как самостоятельного или основного метода очистки фильтрата является ошибочным. Его эффективное и устойчивое применение возможно исключительно в рамках комплексной технологической схемы, где он выполняет роль ступени глубокой доочистки, а ключевой задачей становится разработка и оптимизация высокоэффективных, экономически целесообразных технологических схем очистки фильтрата полигонов ТКО, адаптированных к его специфическому и изменчивому составу.

Ключом к созданию устойчивой и экономически эффективной системы очистки фильтрата является корректное определение роли каждого технологического этапа. Перспективным и экологически обоснованным направлением является применение высоконагруженных биологических методов в качестве основной, первой ступени обработки. Теоретическое обоснование возможности и эффективности биологической очистки фильтрата базируется на анализе его компонентного состава. Несмотря на наличие ингибирующих веществ, фильтрат характеризуется высоким удельным показателем БПК, что свидетельствует о значительной доле биодеградируемых органических веществ, доступных для метаболизма микроорганизмов. Кроме того, в его составе присутствуют в избытке биогенные элементы (азот, фосфор), необходимые для роста активного ила и поддержания стабильной работы биореакторов. Таким образом, состав фильтрата при его грамотной подготовке и оптимизации режимов не только не препятствует, но и потенциально благоприятствует проведению биологической очистки.

Мировой опыт, в частности масштабная практика, накопленная в Китае, где проблема обработки ТКО стоит особенно остро, демонстрирует эффективность такого подхода. Многочисленные исследования и обзоры технологий подтверждают, что в подавляющем большинстве современных китайских проектов по обращению с фильтратом биологическая очистка утвердилась в качестве базового технологического решения [1, 2]. Ее перво степенной задачей является удаление основной массы органических загрязнений (по показателям БПК и ХПК), а также проведение процессов нитрификации и денитрификации для удаления аммонийного азота. В результате биологического этапа происходит значительное снижение общей органической и азотной нагрузки и мутности фильтрата [3]. Это не только решает основную экологическую задачу по обезвреживанию фильтрата, но и выполняет критически важную функцию подготовки его для последующей стадии глубокой доочистки. Качественно подготовленный биологическим путем фильтрат с низким потенциалом к органическому загрязнению существенно продлевает ресурс мембран, снижает эксплуатационные затраты и минимизирует объем образующегося концентрата, решая тем самым две основные проблемы, присущие прямому осмосу [4, 5].

Таким образом, комбинированная схема, где биологическая очистка служит для удаления основной массы за грязнений, физико-химическая – для удаления труднокисляемых органических загрязнений, а ОО – для финишного обессоливания и доочистки, представляет собой наиболее рацио нальный и технологически обоснован ный путь решения проблемы очистки фильтрата полигонов ТКО [6].

Еще одним из возможных направлений решения проблемы является рациональное совмещение предварительной очистки фильтрата на локальных очистных сооружениях с последующей обработкой на централизованных. Такой подход позволяет создать единую систему очистки сточных вод по аналогии со схемой санитарной очистки территории.

Ключевым обоснованием данного подхода является кардинальное различие в сложности и, как следствие, стоимости технологического процесса. Очистка сточных вод до нормативов для сброса в централизованную систему водоотведения (ЦСВ), регламентируемых преимущественно пока зателями ХПК, БПК, взвешенных ве ществ и азота аммонийного, является принципиально более простой зада чей по сравнению с глубоким обессоливанием и удалением всех спе цифических загрязнений до жестких нормативов для рыбохозяйственных водоемов.

Предлагаемая схема включает следующие ключевые стадии:

1. Биологическая очистка как основа комплексной технологии: применение высоконагруженных аэробных (мембранный биореактор, МБР, био фильтр) методов для удаления основной массы органических загрязнений и биогенных элементов. Данный этап обеспечивает стабильное снижение ХПК и БПК до значений, допустимых для сброса в канализацию.

2. Предварительная физико-химическая подготовка: коагуляция и флокуляция для удаления коллоид ных частиц, органических соединений и цветности.

ОТКАЗ ОТ СТАДИИ ОО В ПОЛЬЗУ СБРОСА В ЦСВ ПОЗВОЛЯЕТ ПОЛНОСТЬЮ ИСКЛЮЧИТЬ ПРОБЛЕМУ УТИЛИЗАЦИИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННОГО КОНЦЕНТРАТА.

Отказ от стадии ОО в пользу сброса в ЦСВ позволяет полностью исключить проблему утилизации высокоминерализованного концентрата. Дальнейшая доочистка сточных вод осуществляется на мощных централизованных сооружениях, технологический цикл которых изначально рассчитан на доочистку до высших нормативов и реализуется штатом высококвалифицированных специалистов. Таким образом, предлагаемое решение позволяет локализовать проблему фильтрата на территории полигона, используя надежные и относительно простые биологические методы, и передать наиболее сложную задачу финишной очистки на специализированный объект го родской инфраструктуры. Это в совокупности обеспечивает значительное снижение капитальных и эксплуатационных затрат при гарантированном соблюдении экологических требований, а также обеспечивает контроль за сбросами.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА ОПЫТНО ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

Изложенные теоретические пред посылки и анализ литературных дан ных выявляют необходимость экспериментального подтверждения эффективности предлагаемой техно логической схемы. Состав фильтрата полигонов ТКО обладает значительной вариабельностью, зависящей от климатических условий, морфологии отходов и возраста полигона, что делает прямое заимствование техно логических параметров из других про ектов некорректным. В связи с этим целью настоящей работы являлась организация и проведение опыт но-промышленных испытаний ком бинированной физико-химической и биологической очистки фильтрата ТКО с последующим сбросом очищенной воды в ЦСВ.

Испытания были проведены на базе опытно-промышленной установки ООО "НТТ", которая была отлажена под условия конкретного состава фильтрата ТКО. Результаты данных испытаний позволят не только верифицировать теоретическую модель, но и получить уникальные эксплуатационные данные, необходимые для проектирования полномасштабных очистных со оружений конкретного полигона ТКО.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оптимизация последовательности технологических стадий очистки фильтрата ТКО

Перед проведением опытно-промышленных испытаний был выполнен сравнительный анализ кинетики биологического окисления фильтрата полигона ТКО. Исследование проводилось в лабораторных условиях с использованием активного ила, адаптированного к составу фильтрата. Сравнивались два варианта под готовки сточных вод:

• прямая биологическая очистка;
• предварительная физико-химическая очистка (ФХО) с последующей биологической доочисткой.

Результаты эксперимента пока зали преимущество первого варианта: скорость биологического окисле ния органических загрязнений была в 2,6–3 раза выше при отсутствии предварительной физико-химической обработки. Анализ полученных данных позволил установить, что предварительная коагуляция приводит к удалению легкогидролизуемой фракции органических веществ, являющихся оптимальным субстратом для микро организмов активного ила. На основании этих результатов была определена технологическая схема: принято решение о последовательности «биологическая очистка ‣ физико-химическая доочистка».

Подбор реагентов для физико-химической доочистки

Для определения оптимальных параметров финишной стадии очистки проведены серии лабораторных экспериментов методом контактного тестирования. Исследовалась эффективность следующих реагентов:

• полиоксихлорида алюминия (Al2 O3 );
• сульфата железа (Fe2 (SO4 )3 );
• гашеной извести (Ca(OH)2 );
• гипохлорита натрия (NaOCl).

Критериями эффективности служили:

• снижение ХПК (%);
• снижение БПК (%);
• скорость седиментации образующегося осадка.

Наибольшую эффективность продемонстрировал сульфат железа (III) при дозе 200 мг/л по катиону Fe3+, обеспечивающий:

• снижение ХПК на 56 %;
• снижение БПК на 49 %.

Гипохлорит натрия проявил низкую эффективность в сравнении с другими реагентами. Полиоксихлорид алюминия и гашеная известь также продемонстрировали более низкие результаты по совокупному эффекту очистки, чем сульфат железа. Для интенсификации процесса хлопьеобразования подобран анионный флокулянт марки ChemiKate SS 5110 с оптимальной дозой 5 мг/л, обеспечивающий образование крупных, быстроосаждающихся хлопьев. Полученные параметры были приняты в качестве базовых для после дующих опытно-промышленных испытаний.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ БЛОКОВ ОПЫТНО ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ ООО «НТТ»

Для проведения исследований была использована опытно-промышленная установка ООО «НТТ».

Состав установки:

• модуль усреднения (резервуар усреднитель);
• модуль биологической очистки (МБР, биофильтр);
• модуль физико-химической очистки;
• вспомогательное и контрольно-измерительное оборудование (дозирующие насосы, контрольно-измерительные приборы;

Данная конфигурация опытно-промышленной установки (рис. 1 ‣ стр. 00) позволяет гибко изменять режимы работы, дозировки реагентов и нагрузки на активный ил, моделируя реальные условия эксплуатации и определяя оптимальные технологические параметры для проектирования полноценных очистных сооружений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

В ходе опытно-промышленных испытаний была подтверждена высокая эффективность биологической ступени, выступающей в качестве основной в технологической схеме (табл. 1 ‣ стр. 00). Биофильтр и МБР продемонстрировал стабильную работу и выдающиеся результаты по удалению органических и азотных загрязнений на протяжении всего периода исследований. Обрабатываемый фильтрат характеризовался высокими исходными концентрациями загрязняющих веществ, однако биологическая ступень обеспечила их значительное снижение.

Анализ полученных результатов:

1. Удаление органических загрязнений: высокая эффективность удаления ХПК и БПК (71 %) свидетельствует об успешной адаптации активногоила к сложному составу фильтрата и способности биоценоза окислять как легко-, так и трудноокисляемые органические соединения. Соотношение БПК/ ХПК на выходе из МБР существенно снизилось, что указывает на преобладание трудноокисляемых органических соединений, для удаления которых и предназначена последующая физико-химическая ступень.

2. Нитрификация: эффективность удаления аммонийного азота на уровне 76% подтверждает наличие в системе устойчивой и активной популяции нитрифицирующих бактерий несмотря на потенциально ингибирующее влияние высоких концентраций органики и азота. Это стало возможным благо даря поддержанию высокого возраста ила и оптимальной концентрации растворенного кислорода.

3. Разделение иловой смеси: использование ультрафильтрационных мембран обеспечило полное задержание активного ила в системе и выдающееся качество очистки по взвешенным веществам, что является критически важным для защиты и бесперебойной работы последующей ступени ФХО. Кроме того, наличие ультрафильтрационных мембран обеспечивает удержание биомассы в системе в случае различных нештатных ситуаций. Таким образом, биологическая очистка на основе МБР доказала свою состоятельность как высоко эффективный и надежный метод удаления основной массы органических загрязнений и аммонийного азота из фильтрата полигонов ТКО, выполняя ключевую роль в предложенной технологической схеме.

ВЕРИФИКАЦИЯ РЕАГЕНТНОГО РЕЖИМА НА ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКЕ

Подобранный в лабораторных условиях реагентный режим (сульфат же леза (III) в дозе 200 мг/л по Fe3+ с анионным флокулянтом ChemiKate SS 5110 в дозе 5 мг/л) был опробован в составе опытно-промышленной установки, работающей по схеме «биологическая очистка ‣ физико-химическая доочистка».

Эксплуатация установки в длительном режиме подтвердила высокую эффективность выбранной реагентной схемы для доочистки биологически обработанного фильтрата (табл. 2 ‣ стр. 00). Статистическая обработка данных за период испытаний показала следующие результаты по снижению загрязнений на стадии ФХО:

• снижение ХПК: в диапазоне 49–70 % при среднем значении 59 %.
• снижение БПК: в диапазоне 49–69 % при среднем значении 60 %.

Полученные на опытно-промышленной установке (рис. 2 ‣ стр. 00) данные хорошо согласуются с результатами лабораторных контактных тестов, что свидетельствует о корректном переносе лабораторно установленных параметров в реальные технологические условия. Несколько более широкий разброс значений и незначительное снижение средней эффективности по сравнению с лабораторными пробами объясняется естественной вариабельностью исходного состава биологически очищенных сточных вод и гидродинамическими особенностями работы опытно-промышленной установки.

Применение финишной физико-химической доочистки с использованием сульфата железа и анионного флокулянта после биологической стадии является технологически обоснованным, стабильным и высокоэффективным решением, обеспечивающим гарантированное достижение требуемых нормативов.

Проведенные опытно-промышленные испытания на установке ООО «НТТ» подтвердили высокую технологическую и экономическую эффективность предложенной двухступенчатой схемы очистки фильтрата полигонов ТКО, включающей биологическую очистку в биофильтре и МБР с последующей финишной физико-химической доочисткой.

В ходе работы была успешно опробована и оптимизирована комплексная технологическая схема. Ключевым достижением стало экспериментальное обоснование решения о физико-химической очистке после биологической, что позволило использовать высокую скорость естественного биологического окисления легкоокисляемой органики и направить реагентную обработку целена правленно на удаление остаточной трудноокисляемой органики. В результате была достигнута стабиль ность работы системы в целом.

Подтверждена высочайшая эффективность биологической ступени: МБР обеспечил снижение ХПК и БПК на 71 %, концентрации аммонийного азота – на 76 %. Для финишной доочистки подобран и верифицирован на опытно-промышленной установке оптимальный реагентный режим на основе сульфата железа (III) (200 мг/л по Fe3+) и флокулянта ChemiKate SS 5110 (5 мг/л), продемонстрировав ший среднюю эффективность снижения ХПК и БПК на 59–60 %.

Перспектива применения данной комплексной технологии видится в ее масштабировании для создания компактных, энергоэффективных и рентабельных очистных сооружений поли гонов ТКО, ориентированных на сброс очищенной воды в централизованную систему канализации.

Такой подход позволяет:

• кардинально решить проблему утилизации концентрата, характерную для схем с ОО;
• снизить капитальные и эксплуатационные затраты за счет отказа от дорогостоящих мембранных систем глубокого обессоливания и сложных методов утилизации концентрата;
• гарантировать соблюдение установленных нормативов за счет синергии надежных биологических и реагентных методов.

Таким образом, апробированная технология представляет собой готовое, научно и экспериментально обоснованное решение для обеспечения экологической безопасности объектов захоронения отходов, соответствующее принципам наилучших доступных технологий и критериям экономической целесообразности.

Важным результатом проведенных исследований является расчет ориентировочной эксплуатационной себестоимости очистки 1 м3 фильтрата по апробированной технологии, которая на дату проведения испытаний составила 531 руб. Данная величина включает в себя затраты на электроэнергию, реагенты (сульфат железа, флокулянт, реагенты для промывки оборудования), обслуживание МБР, утилизацию образующихся осадков, расходные материалы и фонд оплаты труда. Полученная себестоимость является конкурентной на фоне альтернативных технологий, особенно тех, которые предусматривают стадию ОО с дорогостоящей утилизацией концентрата.

На основании результатов проведенной научно-исследовательской работы разработан базовый технический проект очистных сооружений фильтрата полигона ТКО, а также разработан «Технологический регламент процессов очистки фильтрата», содержащий требования к проектированию, режимным параметрам (дозам реагентов, нагрузкам на активный ил, времени пребывания), методам контроля и управления технологическим процессом. Регламент может быть использован в качестве основы для проектирования полномасштабных очистных сооруже ний фильтрата с гарантированным достижением нормативов сброса в централизованную систему канализации.

Литература

Гогина Е. С. и др. Особенности эксплуатации биореактора в режиме затопленного биофильтра // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2023. – № 9 (777). – С. 58–67.

Гогина Е. С. и др. Оценка работы очистных сооружений малой и не большой производительности в условиях их периодического использования // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2023. – № 10 (778). – С. 60–67.

Спасибо Е. В., Гогина Е. С., Гульшин И. А. Комбинированный метод удаления фосфора из сточных вод: влияние на технологические параметры биореактора // Новые идеи в науках о Земле. Материалы XVII Международной научно-практической конференции: тезисы докладов. – М.: Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, 2025. – С. 9–12.

Фам Т. И. Н., Гогина Е. С. Очистка сточных вод полигонов твердых бытовых отходов в условиях Вьетнама // Молодые – наукам о Земле. Материалы XI Международной научной конференции. – М.: Россий ский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, 2024. – С. 197–201.

Ермаченко П. А., Гогина Е. С., Соколова Е. А. Эксплуатация установки комплексной биомембранной технологии очистки фильтратов твердых коммунальных отходов // Технологии очистки воды «ТЕХ НОВОД-2021». Материалы XIII Международной научно-практической конференции. – Новочеркасск, 2021. – С. 258–262.

Ермаченко П. А., Буханцов Ю. В. и др. Комплексная биомембранная технология очистки фильтратов твердых коммунальных отходов // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведе ния. – 2021. – № 3.

Статья опубликована в издании "ДЕКАБРЬ 2025 / ТВЕРДЫЕ БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ"