Фильтрат — это любая жидкость, которая при прохождении через вещество извлекает из него растворимые или взвешенные твердые частицы или любые другие компоненты материала, через который она прошла.
Выщелачивание — широко используемый термин в науках об окружающей среде , где он имеет конкретное значение жидкости, которая растворила или увлекла за собой экологически вредные вещества, которые затем могут попасть в окружающую среду. Чаще всего он используется в контексте захоронения гниющих или промышленных отходов.
Таким образом, в узком экологическом контексте фильтрат — это любой жидкий материал, который стекает с земли или складированного материала и содержит значительно повышенные концентрации нежелательных материалов, полученных из материала, через который он прошел.
Фильтрат со свалки сильно различается по составу в зависимости от возраста свалки и типа отходов , которые она содержит. [1] [2] Обычно он содержит как растворенные, так и взвешенные вещества. Образование фильтрата вызвано главным образом просачиванием осадков через отходы, размещенные на свалке. При контакте с разлагающимися твердыми отходами просачивающаяся вода становится загрязненной, и если она затем вытекает из отходов, ее называют фильтратом. [3] Дополнительный объем фильтрата образуется во время этого разложения углеродистого материала, производя широкий спектр других материалов, включая метан , диоксид углерода и сложную смесь органических кислот , альдегидов , спиртов и простых сахаров.
Риски образования фильтрата можно смягчить с помощью правильно спроектированных и спроектированных полигонов захоронения отходов, например, тех, которые построены на геологически непроницаемых материалах или полигонах, которые используют непроницаемые подкладки из геомембран или инженерной глины . Использование подкладок теперь является обязательным в Соединенных Штатах , Австралии и Европейском союзе, за исключением случаев, когда отходы считаются инертными. Кроме того, большинство токсичных и сложных материалов теперь специально исключены из захоронения. Однако, несмотря на гораздо более строгий установленный законом контроль, фильтраты с современных полигонов часто содержат ряд загрязняющих веществ, возникающих в результате незаконной деятельности или законно выброшенных бытовых и хозяйственных товаров.
В исследовании 2012 года, проведенном в штате Нью-Йорк, все обследованные двухрядные ячейки свалок имели показатели утечки менее 500 литров на гектар в день. Средние показатели утечки были намного ниже, чем для свалок, построенных в соответствии со старыми стандартами до 1992 года. [4]
Когда вода просачивается через отходы, она способствует и помогает процессу разложения бактериями и грибками . Эти процессы, в свою очередь, выделяют побочные продукты разложения и быстро используют любой доступный кислород, создавая бескислородную среду. При активном разложении отходов температура повышается, а pH быстро падает, в результате чего многие ионы металлов, которые относительно нерастворимы при нейтральном pH, растворяются в развивающемся фильтрате. Сами процессы разложения выделяют больше воды, что увеличивает объем фильтрата. Фильтрат также реагирует с материалами, которые сами по себе не склонны к разложению, такими как зола от сжигания, строительные материалы на основе цемента и материалы на основе гипса, изменяя химический состав. На участках с большими объемами строительных отходов, особенно содержащих гипсовую штукатурку, реакция фильтрата с гипсом может генерировать большие объемы сероводорода , который может выделяться в фильтрате и также может образовывать большой компонент свалочного газа. Физический вид фильтрата, когда он выходит из типичного места захоронения отходов, представляет собой сильно пахнущую мутную жидкость черного, желтого или оранжевого цвета. Запах кислый и неприятный, и может быть очень всепроникающим из-за органических соединений, богатых водородом, азотом и серой, таких как меркаптаны .
На полигоне, куда попадают смесь муниципальных, коммерческих и смешанных промышленных отходов , но исключаются значительные объемы концентрированных химических отходов, фильтрат полигона можно охарактеризовать как водный раствор четырех групп загрязняющих веществ: растворенные органические вещества (спирты, кислоты, альдегиды, сахара с короткой цепью и т. д.), неорганические макрокомпоненты (общие катионы и анионы, включая сульфат, хлорид, железо, алюминий, цинк и аммиак), тяжелые металлы (Pb, Ni, Cu, Hg) и ксенобиотические органические соединения, такие как галогенированные органические вещества ( ПХБ , диоксины и т. д.). [5] В фильтратах полигона также был обнаружен ряд сложных органических загрязняющих веществ. Образцы из сырого и обработанного фильтрата полигона дали 58 сложных органических загрязняющих веществ, включая 2-ОН-бензотиазол в 84% образцов и перфтороктановую кислоту в 68%. Бисфенол А, валсартан и 2-ОН-бензотиазол имели самые высокие средние концентрации в сырых фильтратах после биологической очистки и после обратного осмоса соответственно. [6]
На старых свалках и тех, где нет мембраны между отходами и подстилающей геологией, фильтрат может свободно покидать отходы и попадать непосредственно в грунтовые воды . В таких случаях высокие концентрации фильтрата часто обнаруживаются в близлежащих источниках и смывах. Когда фильтрат впервые появляется, он может быть черного цвета, бескислородным и, возможно, шипучим , с растворенными и вовлеченными газами. По мере насыщения кислородом он имеет тенденцию становиться коричневым или желтым из-за присутствия солей железа в растворе и во взвеси. Он также быстро развивает бактериальную флору, часто включающую значительные разрастания Sphaerotilus natans .
В Великобритании в конце 1960-х годов политика центрального правительства заключалась в том, чтобы гарантировать, что новые места для свалок выбираются с проницаемыми подстилающими геологическими слоями, чтобы избежать накопления фильтрата. Эта политика получила название «разбавлять и рассеивать». Однако после ряда случаев, когда эта политика оказалась неэффективной, и разоблачения в The Sunday Times серьезного ущерба окружающей среде, нанесенного ненадлежащей утилизацией промышленных отходов, и политика, и закон были изменены. Закон о захоронении ядовитых отходов 1972 года [7] вместе с Законом о местном самоуправлении 1974 года возложили на местные органы власти ответственность за утилизацию отходов и за обеспечение соблюдения экологических стандартов в отношении утилизации отходов.
Предложенные места размещения свалок также должны были быть обоснованы не только географически, но и научно. Многие европейские страны решили выбирать места для свалок в глинистых геологических условиях без грунтовых вод или требовать, чтобы на участке была инженерная облицовка. Вслед за европейскими достижениями Соединенные Штаты увеличили разработку систем удержания и сбора фильтрата. Это быстро привело от облицовки в принципе к использованию нескольких слоев облицовки на всех свалках (за исключением тех, которые действительно инертны). [8]
Основным критерием при проектировании системы фильтрации является то, что весь фильтрат должен собираться и удаляться с полигона со скоростью, достаточной для предотвращения возникновения неприемлемого гидравлического напора в любой точке системы футеровки.
В системе сбора есть много компонентов, включая насосы, люки, линии сброса и мониторы уровня жидкости. Однако есть четыре основных компонента, которые управляют общей эффективностью системы. Этими четырьмя элементами являются футеровки, фильтры, насосы и отстойники.
Натуральные и синтетические подкладки могут использоваться как в качестве устройства для сбора, так и в качестве средства изоляции фильтрата внутри засыпки для защиты почвы и грунтовых вод под ней. Главной заботой является способность подкладки сохранять целостность и непроницаемость в течение всего срока службы свалки. Мониторинг подземных вод, сбор фильтрата и глиняные подкладки обычно включаются в проектирование и строительство свалки отходов. Чтобы эффективно служить цели удержания фильтрата на свалке, система подкладки должна обладать рядом физических свойств. Подкладка должна иметь высокую прочность на разрыв, гибкость и удлинение без отказа. Также важно, чтобы подкладка была устойчива к истиранию, проколам и химическому разрушению под действием фильтрата. Наконец, подкладка должна выдерживать перепады температур, должна противостоять ультрафиолетовому излучению (из-за чего большинство подкладок становятся черными), должна легко устанавливаться и должна быть экономичной.
Существует несколько типов подкладок, используемых для контроля и сбора фильтрата. К этим типам относятся геомембраны , геосинтетические глиняные подкладки, геотекстиль , георешетки , геосетки и геокомпозиты . Каждый тип подкладки имеет определенные применения и возможности. Геомембраны используются для создания барьера между мобильными загрязняющими веществами, выделяемыми отходами, и грунтовыми водами. При закрытии свалок геомембраны используются для создания барьера с низкой проницаемостью для предотвращения проникновения дождевой воды. Геосинтетические глиняные подкладки (GCL) изготавливаются путем распределения натриевого бентонита равномерной толщины между тканым и нетканым геотекстилем. Натриевый бентонит имеет низкую проницаемость, что делает GCL подходящей альтернативой глиняным подкладкам в системе композитной подкладки. Геотекстиль используется в качестве разделения между двумя различными типами почв для предотвращения загрязнения нижнего слоя верхним слоем. Геотекстиль также действует как подушка для защиты синтетических слоев от проколов подстилающими и налегающими породами. Георешетки — это структурные синтетические материалы, используемые для устойчивости откосов, чтобы создать устойчивость покровных почв поверх синтетических подкладок или в качестве армирования грунта на крутых склонах. Геосетки — это синтетические дренажные материалы, которые часто используются вместо песка и гравия. Radz может принять 12 дюймов (30 см) дренажного песка, тем самым увеличивая пространство на свалке для отходов. Геокомпозиты — это комбинация синтетических материалов, которые обычно используются по отдельности. Распространенным типом геокомпозита является геосетка, которая термоскреплена с двумя слоями геотекстиля, по одному с каждой стороны. Геокомпозит служит фильтрующей и дренажной средой.
Геосинтетические глиняные облицовки являются типом комбинированной облицовки. Одним из преимуществ использования геосинтетической глиняной облицовки (GCL) является возможность заказа точного количества облицовки. Заказ точного количества у производителя предотвращает излишки и перерасход средств. Еще одним преимуществом GCL является то, что облицовку можно использовать в районах, где нет достаточного источника глины. С другой стороны, GCL тяжелые и громоздкие, а их установка очень трудоемка. Помимо того, что это тяжело и сложно в обычных условиях, установка может быть отменена во влажных условиях, поскольку бентонит впитает влагу, что сделает работу еще более обременительной и утомительной.
Система дренажа фильтрата отвечает за сбор и транспортировку фильтрата, собранного внутри подкладки. Размеры, тип и расположение труб должны быть спланированы с учетом веса и давления отходов, а также транспортных средств. Трубы расположены на полу ячейки. Над сетью находится огромное количество веса и давления. Чтобы выдержать это, трубы могут быть гибкими или жесткими, но соединения труб дают лучшие результаты, если соединения гибкие. Альтернативой размещению системы сбора под отходами является размещение трубопроводов в траншеях или над уровнем земли.
Сеть коллекторных труб системы сбора фильтрата дренирует, собирает и транспортирует фильтрат через дренажный слой в сборный отстойник, откуда он удаляется для обработки или утилизации. Трубы также служат в качестве дренажей в дренажном слое, чтобы минимизировать накопление фильтрата в слое. Эти трубы спроектированы с разрезами, наклоненными на 120 градусов, что предотвращает попадание твердых частиц. [9]
Фильтрующий слой используется над дренажным слоем при сборе фильтрата. В инженерной практике обычно используются два типа фильтров: гранулированные и геотекстильные. Гранулированные фильтры состоят из одного или нескольких слоев почвы или нескольких слоев, имеющих более грубую градацию в направлении просачивания, чем защищаемая почва.
Когда жидкость попадает в ячейку полигона, она движется вниз по фильтру, проходит через сеть трубопроводов и остается в отстойнике. При планировании систем сбора количество, расположение и размер отстойников имеют решающее значение для эффективной работы. При проектировании отстойников первостепенное значение имеет ожидаемое количество фильтрата и жидкости. Районы, в которых количество осадков выше среднего, обычно имеют более крупные отстойники. Еще одним критерием для планирования отстойника является учет производительности насоса. Соотношение производительности насоса и размера отстойника обратное. Если производительность насоса низкая, объем отстойника должен быть больше среднего. Для объема отстойника критически важно иметь возможность хранить ожидаемый фильтрат между циклами откачки. Это соотношение помогает поддерживать здоровую работу. Насосы отстойника могут работать с заданным временем фазы. Если поток непредсказуем, заданный уровень высоты фильтрата может автоматически включить систему.
Другими условиями для планирования отстойника являются техническое обслуживание и понижение уровня насоса . Сборные трубы обычно транспортируют фильтрат самотеком в один или несколько отстойников в зависимости от размера осушаемой площади. Фильтрат, собранный в отстойнике, удаляется путем перекачки в транспортное средство, в хранилище для последующего вывоза транспортным средством или на очистное сооружение на месте. Размеры отстойника определяются количеством хранимого фильтрата, производительностью насоса и минимальным понижением уровня насоса. Объем отстойника должен быть достаточным для удержания максимального количества фильтрата, ожидаемого между циклами насоса, плюс дополнительный объем, равный минимальному объему понижения уровня насоса. Размер отстойника также должен учитывать требования к размерам для проведения технического обслуживания и осмотра. Насосы для отстойника могут работать с заданным временем цикла или, если поток фильтрата менее предсказуем, насос может автоматически включаться, когда фильтрат достигает заданного уровня.
Более современные свалки в развитых странах имеют некоторую форму мембраны, отделяющей отходы от окружающей почвы, и на таких участках часто есть ряд труб для сбора фильтрата, проложенных на мембране, чтобы транспортировать фильтрат к месту сбора или обработки. Примером системы обработки с незначительным использованием мембраны является свалка Nantmel Landfill Site .
Все мембраны пористые в ограниченной степени, так что со временем небольшие объемы фильтрата будут пересекать мембрану. Конструкция мембран полигонов рассчитана на такие низкие объемы, что они никогда не должны оказывать измеримого неблагоприятного воздействия на качество принимающих грунтовых вод. Более существенным риском может быть отказ или отказ от системы сбора фильтрата. Такие системы склонны к внутренним отказам, поскольку полигоны испытывают большие внутренние перемещения, поскольку отходы разлагаются неравномерно и, таким образом, изгибаются и деформируют трубы. Если система сбора фильтрата выходит из строя, уровни фильтрата будут медленно накапливаться на участке и могут даже перекрыть удерживающую мембрану и вытечь в окружающую среду. Повышение уровней фильтрата также может смочить массы отходов, которые ранее были сухими, вызывая дальнейшее активное разложение и образование фильтрата. Таким образом, то, что кажется стабилизированным и неактивным участком, может снова активироваться и возобновить значительное производство газа и продемонстрировать значительные изменения в готовых уровнях земли.
Одним из методов управления фильтратом, который был более распространен на неконтролируемых участках, была рециркуляция фильтрата, при которой фильтрат собирался и повторно вводился в массу отходов. Этот процесс значительно ускорял разложение и, следовательно, производство газа, а также имел эффект преобразования некоторого объема фильтрата в свалочный газ и сокращения общего объема фильтрата для утилизации. Однако он также имел тенденцию к существенному увеличению концентрации загрязняющих материалов, что делало его более сложными отходами для обработки. [10]
Наиболее распространенным методом обработки собранного фильтрата является очистка на месте. При очистке фильтрата на месте фильтрат перекачивается из отстойника в очистные резервуары. Затем фильтрат может быть смешан с химическими реагентами для изменения pH, коагуляции и осаждения твердых веществ и снижения концентрации опасных веществ. Традиционная очистка включала модифицированную форму активированного ила для существенного снижения содержания растворенных органических веществ. Дисбаланс питательных веществ может вызвать трудности в поддержании эффективной стадии биологической очистки. Очищенная жидкость редко бывает достаточного качества для сброса в окружающую среду и может быть перевезена в цистернах или по трубопроводу на местное очистное сооружение; решение зависит от возраста полигона и от предельного качества воды, которое должно быть достигнуто после очистки. Из-за высокой проводимости фильтрат трудно поддается биологической очистке или химической очистке.
Обработка обратным осмосом также ограничена, что приводит к низкому восстановлению и загрязнению мембран обратного осмоса. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органикой и неорганическими элементами, образующими накипь, такими как CaSO 4 , Si и Ba.
На некоторых старых свалках фильтрат направлялся в канализацию , но это может вызвать ряд проблем. Токсичные металлы из фильтрата, проходящего через очистные сооружения, концентрируются в канализационном иле, что затрудняет или делает опасным утилизацию ила без риска для окружающей среды. В Европе правила и контроль улучшились за последние десятилетия, и токсичные отходы теперь больше не разрешается утилизировать на свалках твердых бытовых отходов, а в большинстве развитых стран проблема металлов уменьшилась. Парадоксально, однако, что по мере улучшения сбросов с очистных сооружений по всей Европе и во многих других странах операторы установок обнаруживают, что фильтраты представляют собой трудно поддающиеся очистке потоки отходов. Это связано с тем, что фильтраты содержат очень высокие концентрации аммиачного азота , обычно очень кислые, часто бескислородные и, если они поступают в больших объемах по сравнению с входящим потоком сточных вод, не содержат фосфора, необходимого для предотвращения недостатка питательных веществ в биологических сообществах, которые выполняют процессы очистки сточных вод. В результате фильтраты представляют собой трудно поддающийся очистке поток отходов. [ необходима цитата ]
Однако в стареющих муниципальных свалках твердых отходов это может не быть проблемой, поскольку pH возвращается к нейтральному значению после начальной стадии разложения кислотогенного фильтрата. Многие владельцы канализации ограничивают максимальную концентрацию аммиачного азота [12] в своих канализациях до 250 мг/л, чтобы защитить рабочих, обслуживающих канализацию, поскольку максимальный предел безопасности труда ВОЗ будет превышен при pH выше 9–10, что часто является самым высоким pH, разрешенным в канализационных сбросах.
Многие старые потоки фильтрата также содержали различные синтетические органические вещества и продукты их разложения, некоторые из которых могли нанести серьезный вред окружающей среде.
Риски от фильтрата отходов обусловлены его высокой концентрацией органических загрязняющих веществ и высокой концентрацией аммиака . Патогенные микроорганизмы , которые могут присутствовать в нем, часто упоминаются как наиболее важные, но количество патогенных организмов быстро уменьшается со временем на свалке, поэтому это применимо только к самому свежему фильтрату. Токсичные вещества, однако, могут присутствовать в различных концентрациях, и их присутствие связано с природой размещаемых отходов.
Большинство свалок, содержащих органические материалы, будут производить метан , часть которого растворяется в фильтрате. Теоретически он может выделяться в плохо проветриваемых зонах на очистных сооружениях. Все заводы в Европе теперь должны оцениваться в соответствии с Директивой ЕС ATEX и зонироваться , где определяются риски взрыва, чтобы предотвратить будущие аварии. Самым важным требованием является предотвращение сброса растворенного метана из неочищенного фильтрата в общественную канализацию, и большинство органов по очистке сточных вод ограничивают допустимую концентрацию сброса растворенного метана до 0,14 мг/л, или 1/10 от нижнего предела взрываемости. Это влечет за собой удаление метана из фильтрата.
Наибольшие экологические риски возникают в сбросах со старых участков, построенных до того, как современные инженерные стандарты стали обязательными, а также с участков в развивающихся странах, где современные стандарты не применялись. Существуют также значительные риски от незаконных участков и специальных участков, используемых организациями вне закона для утилизации отходов. Потоки фильтрата, впадающие непосредственно в водную среду, оказывают как острое, так и хроническое воздействие на окружающую среду, которое может быть очень серьезным и может серьезно сократить биоразнообразие и значительно сократить популяции чувствительных видов. Там, где присутствуют токсичные металлы и органика, это может привести к хроническому накоплению токсинов как у местных, так и у отдаленных популяций. Реки, затронутые фильтратом, часто имеют желтый цвет и часто поддерживают сильные разрастания грибка сточных вод .
Современные исследования в области методов оценки и технологий устранения экологических проблем, возникающих из-за фильтрата свалок, были рассмотрены в статье, опубликованной в журнале Critical Reviews in Environmental Science and Technology. [13]
Также сообщалось о возможной экологической угрозе для водной среды из-за наличия органических микрозагрязнителей в сырых и обработанных фильтратах свалок. [6] [14]
Системы сбора фильтрата могут испытывать множество проблем, включая засорение грязью или илом. Биозасорение может усугубляться ростом микроорганизмов в трубопроводе. Условия в системах сбора фильтрата идеальны для размножения микроорганизмов. Химические реакции в фильтрате также могут вызывать засорение за счет образования твердых остатков. Химический состав фильтрата может ослабить стенки труб, которые затем могут выйти из строя.
Фильтрат также может быть получен из земли, которая была загрязнена химикатами или токсичными материалами, используемыми в промышленной деятельности, такой как фабрики , шахты или хранилища. Места компостирования в районах с большим количеством осадков также производят фильтрат. [ необходимо уточнение ]
Фильтрат связан с хранящимся углем и отходами от добычи металлических руд и других процессов извлечения горных пород, особенно тех, в которых сульфидсодержащие материалы подвергаются воздействию воздуха, в результате чего образуется серная кислота , часто с повышенными концентрациями металлов.
В контексте гражданского строительства (более конкретно проектирования железобетона) фильтрат относится к стокам смыва дорожного покрытия (которые могут включать тающий снег и лед с солью), которые проникают через цементное тесто на поверхность стальной арматуры, тем самым катализируя ее окисление и деградацию . Фильтраты могут быть генотоксичными по своей природе. [15]
В недавних исследованиях также сообщалось о возможном риске для водной среды из-за наличия органических микрозагрязнителей в сырых или обработанных фильтратах свалок. [ необходима ссылка ]