Проектирование полигона

ПС- - поверхностный  сток с полигона, мм/год;

ЕТ - испарение  с поверхности не покрытой растительностью,

        мм/год;

ЭТ - эвапотранспирация (суммарное испарение воды

        растительностью), мм/год;

ΔП - вода, содержащаяся в почвенном слое, мм/год;

КП - конденсация  паров воды в почвенном слое, мм/год;

ИВП - вода, инфильтрующаяся  из подземных водоносных

горизонтов  в рабочее тело полигона, мм/год;

Ф_и - фильтрат, инфильтрующийся из тела полигона в подземные

        (грунтовые) водоносные горизонты, мм/год;

ИВГ - вода, инфильтрующаяся  из грунтовых водоносных

           горизонтов в рабочее тело полигона, мм/год.

Расход фильтрата (РФ), содержащегося в рабочем теле полигона, рассчитывается по формуле [1, с. 31]:

РФ = (ПВ ± АО ±АШ ± ВР - Ф_и - ФД) • А,                                              (4)

где АО - вода, содержащаяся в отходах, мм/год;

      АШ - вода, содержащаяся в илах, шламах, задепонированных

                на полигоне, мм/год; ВР - вода, образующаяся или

                потребляемая в процессе разложения отходов, мм/год;

       ФД - фильтрат, отводимый из дренажной системы, мм/год;

        А - площадь рабочего тела полигона, м².

Зная сумму  годовых осадков, испаряемости, объем  поверхностного стока и поглощения воды отходами можно ориентировочно определить количество фильтрата, который может образоваться в рабочем теле полигона [1, с. 32]:

 

Q_ф = (АО - Е - ПС^- - О_п - Ф_п) • А • 10^-3,                                      (5)

 

где Q_ф - расход фильтрата, м /год;

       Е - испаряемость, мм/год;

      Оп - поглощение воды отходами, мм/год;

      Ф_п - утечка через защитный экран, мм/год.

В составе фильтрата, согласно [1, c.33], содержатся загрязняющие компоненты в виде растворенных органических и неорганических веществ, взвешенных веществ, микроорганизмов антибиотиков, фагов (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Данные о предельных концентрациях загрязняющих веществ

Наименование  компонента	Содержание  ионов, мг/л
Железо	200 - 1700
Цинк	1 - 135
Фосфор	5 - 130
Сера	25 - 500
Хлор	10 - 2400
Натрий	100 - 3800
Азот	20 - 500
Жесткость (по CaCO3)	200 - 5250
Никель	0,01 - 0,8
Медь	0,1 - 9

 

Для отвода из тела полигона фильтрата устраивается специальная дренажная система водоотвода (рисунок 6).

 

 

1 - гидроизолирующий  экран; 2 - дренажная перфорированная труба; 3 - дренажная не перфорировании труба; 4 - закрытая дрена-коллектор; 5 - выпуск из коллектора в резервуар-накопитель или на перекачку;6 - нагорная канава; 7 - щебень фракции 2 - 40 мм; 8 - щебень фракции 5 - 20 мм; 9 - песчаная засыпка; 10 - тело полигона.

Рисунок 6 - Система сбора фильтрата высоконагружаемых полигонов

 

Водонепроницаемое основание рабочего тела полигона выполняется с уклоном так, чтобы поток фильтрата стекал к дренажной траншее откуда самотеком поступал в приемный колодец насосной станции. Из насосной станции фильтрат передается либо на очистку, либо на полив рабочего тела полигона в периоды, когда требуется его увлажнение.

Конструкция дренажной  трубы для сбора фильтрата  показана на рисунке 7.

 

 

1 - дрена d=200 мм, 2/3 с отверстиями; 2 - фильтрующий материал; 3 - фильтрующий  слой крупностью 32 мм; 4 - ТБО; 5 - экран  из глины (мергеля) толщиной 1 м; 6 - слой дробленных строительных  отходов; 7 - песчаная подушка

Рисунок 7 - Дрена для сбора фильтрата на полигоне ТБО

 

Соединение  дренажных коллекторов и дрен для сбора фильтрата на полигоне ТБО показано на рисунке 8.

 

1 - дренажный  коллектор d = 200 мм; 2 - дрена d = 100 мм; 3 - угол примыкания дрены к  коллектору 60°С; 4 - перфорированный  участок коллектора; 5 - сборный колодец, d = 1200 мм.

Рисунок 8 - Соединение дренажных коллекторов и дрен для сбора фильтрата на полигоне ТБО

 

Для исключения заиливания дренажных труб и их повреждения при просадках рабочего тела полигона предусмотрены обсыпка труб фильтрующим материалом большой грязеемкости, подушки из песка, гравия, нетканых синтетических материалов.

Фильтраты разных полигонов существенно отличаются по расходам, набору и концентрациям загрязняющих веществ. В связи с этим методы очистки и обезвреживания фильтрата для каждого полигона имеют свои особенности.

Очистка фильтрата будет осуществляться методами механической и биологической очистки [1]. Из механических методов будет использоваться отстаивание с коагуляцией и фильтрацией.

Методы биологической  очистки (как аэробные, так и анаэробные) будут осуществляться после механических. При аэробной обработке фильтрата необходимо подавать большое количество кислорода в очищаемые стоки, что приводит к большим затратам электроэнергии на аэрацию, образуется большое количество ила, содержащего соли тяжелых металлов, который трудно утилизировать; требуется значительное количество добавок для питания микрофлоры, чтобы обеспечить соотношение БПК₅:N:Р = 100:3,2:1,1; органическое вещество фильтрата переходит в СО₂ и Н₂О, которые не утилизируются; фильтрат не освобождается от патогенной микрофлоры; не устраняются неприятные запахи; требуются флокулянты для лучшего осаждения осадка.

Этих недостатков  почти лишены анаэробные методы очистки. Большая часть органики фильтрата  переходит в биогаз, который можно  утилизировать. При термофильных процессах погибает патогенная микрофлора, в меньших объемах образуются осадки. Анаэробные методы эффективны при температурах выше 30 ^оС, что обусловливает необходимость поддержания этих температур. Недостатками анаэробных методов являются более низкая по сравнению с аэробными методами эффективность освобождения фильтрата от солей тяжелых металлов, а также необходимость строгого контроля условий процесса.

 

1.6.3 Система  сбора биогаза

 

Биогаз, образующийся в рабочем теле полигона, может оказать неблагоприятное воздействие на окружающую среду и представляет опасность для населения. Основные направления негативного воздействия биогаза следующие: метан (один из основных компонентов биогаза) относится к числу газов, создающих парниковый эффект; способствует разрушению озонового слоя; содержащиеся в биогазе загрязняющие компоненты высокотоксичны и представляют опасность для здоровья населения; биогаз с воздухом создает взрывоопасные смеси, способствует возникновению пожаров и взрывов на полигонах; биогаз является ингибитором для растений, растущих на полигонах или вблизи их. Однако биогаз можно использовать как высококалорийное топливо. Все это свидетельствует об актуальности дегазации полигонов.

Выделяющийся  из рабочего тела полигона биогаз в  первые годы эксплуатации полигона не собирается и не утилизируется. Наиболее сильное выделение биогаза наблюдается только через 7…10 лет и после его закрытия и рекультивации. На проектируемом полигоне предусматривается пассивная система дегазации.

Динамика процессов, происходящих в «теле» полигона представлена на рисунке 9.

 

 

1 - углекислый  газ; 2 - азот; 3 - водород; 4 - метан

Рисунок 9 - Динамика выделения газов при анаэробном разложении ТБО в рабочем теле полигона

 

Важные свойства биогаза:

- состав биогаза, образующегося на полигонах ТБО (в %), согласно [1]:

СН₄ = 50 - 55; СО₂ = 43 - 48; N₂ = 1,9; O₂ = 0,06; H₂S=62,3 10^-4 и др.;

- метан легко проникает через рыхлые пористые породы, мало уплотненные ТБО и взрывается при атмосферном давлении в смеси с воздухом при концентрации от 5 до 15 об. %;

- может распространяться под землей на большие расстояния (1800 м и более) от рабочего тела полигона и вызывать там взрывы;

- теплотворная способность биогаза составляет величину порядка 3500…6000 ккал/м³ (18...25 МДж/м³).

Для оценки газоносного  потенциала полигона ТБО используется следующее уравнение:

 

G_t = G_e∙(1 - exp(k(t-t₀))),                                                                                     (6)

 

где G_t - количество   образующегося   газа  по   годам, м³;

      G_e - общее количество образующегося газа, м³;

      k - константа разложения;

      t - возраст отходов, лет;

      t₀ - начало захоронения отходов, год.

G_e определим следующим образом:

 

G_e=200∙М_т,                                                                                                       (7)

 

где М_т – масса отходов, складируемых на полигон за весь период

                эксплуатации, т;

       200 –.количество образующегося биогаза с 1 т ТБО, м³/год.

 

М_т=0,2∙Е_т,                                                                                                           (8)

 

где 0,2 – средняя  плотность поступающих на полигон  отходов, т/м³;

       Е_т – вместимость полигона, м³.

 

М_т=0,2∙3420210=684042 т.

 

G_e=200∙6840421=136808400 м³.

 

Необходимое количество скважин рассчитывается исходя из того, что на 0,1 га должна приходиться одна скважина. Тогда на полигоне должно быть оборудовано скважин:

 

N_скв=0,1∙S_{ус. факт},                                                                                                  (9)

 

где S_{ус. факт} – фактическая площадь полигона, га (см. 2.3).

 

N_скв=0,1∙51,84=5,184.

 

Принимаем необходимое  число скважин N_скв=6.

Конструкция скважины должна обеспечивать предотвращение подсоса  воздуха в систему сбора биогаза  и создания взрывоопасной ситуации, а также исключение проникновения внутрь скважины поверхностных вод. На рисунке 10 изображена схема скважины.

Скважина состоит  из:

1. бурового колодца диаметром 700 мм. Глубина колодца должна составлять 75% высоты полигона. Высота Центральной свалки составляет 45 м. Значит, глубина колодца (Н_к) составит: Н_к = 45 ^. 0,75 ≈ 34 м.
2. перфорированной трубы диаметром 200 мм из поливинилхлорида. Перфорационные отверстия диаметром 1,25 см распределяются по всей поверхности через каждые 15 см по длине трубы; по диаметру трубы отверстия располагаются в шахматном порядке;
3. запорной арматуры;
4. клапана для отбора проб.

Рисунок 10 – Конструкция скважины для извлечения биогаза

 

Инженерное  обустройство скважины включает несколько  этапов. В пробуренную скважину опускается обсадная труба для укрепления стенок и изоляции скважины. Нижняя часть скважины засыпается щебнем фракции от 40 до 70 мм на глубину 0,5 м. Затем в скважину помещается перфорированная полимерная труба диаметром 100 мм, заглушенная снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Перфорация производится сверлом 18 мм по окружности через каждые 60^о, отверстия располагаются в шахматном порядке на расстоянии 100 мм друг от друга (рисунок 11). Верхняя часть трубы перфорации не имеет. Для оснащения газовых скважин и транспортирования биогаза, как правило, применяют трубы из полиэтилена низкого давления с маркировкой «газ» типа «С». Соединение труб выполняют сваркой. Трубы должны быть испытаны гидравлическим давлением не ниже 0,6 МПа

 

Рисунок 11 – Схема перфорированной трубы

 

В межтрубное пространство засыпается пористый материал (например, гравий или щебень, фракция от 20 до 40 мм) с послойным уплотнением до отметки минус 3 м от устья скважины, затем – суглинок до отметки минус 2,7 м, затем – уплотнение из бентонита до отметки минус 2,1м, затем - суглинок до отметки минус 0,5 м. На последнем этапе сооружается глиняный замок мощностью 0,5 м для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха. На поверхность выводится неперфорированная часть трубы, высотой 1,25 м. Площадь вокруг скважины на расстоянии от 1,5 до 2 м изолируют глиной толщиной от 0,3 до 0,4 м для обеспечения крепления скважины, исключения подсоса воздуха и проникновения внутрь скважины поверхностных вод.

На поверхности  полигона на расстоянии 1,25 м над минеральным уплотнением монтируется оголовок скважины, который представляет собой металлический цилиндр, снабженный газозапорной арматурой для регулировки дебита скважины и контроля состава биогаза, а также патрубком для присоединения скважины к газопроводу (коллектору). При использовании запорной арматуры необходимо предусмотреть условия эксплуатации по давлению и температуре, а так же наличие агрессивной среды. Вентили, краны, заслонки должны соответствовать стандартам по работе в газовой среде.

После установки  скважины прокладывают газопровод представляющий собой трубу из ПВХ диаметром 100 мм, проложенную в траншее на глубине от 1 до 1,5 м для предотвращения промерзания труб в зимнее время. Трубу газопровода необходимо укладывать на металлические либо железобетонные подкладки длиной от 40 до 50 см и с шагом от 2,5 до 3 м. При прокладке газопровода необходимо учитывать, что в результате резкого снижения температуры биогаза в трубе газопровода и его высокой влажности образуется конденсат, для отвода которого труба газопровода укладывается под уклоном не менее 5% в сторону пункта сбора газа. Свалка может оседать на 5-20% ее глубины, поэтому скважины для извлечения свалочного газа соединены с коллектором при помощи гибкого соединения. Газопровод подводит газ к аппарату очистки и осушки газа (адсорбер), который располагается на территории, непосредственно прилегающей к свалке.