Фильтрат – это любая жидкость, которая при прохождении через вещество экстрагирует растворимые или взвешенные твердые вещества или любой другой компонент материала, через который она прошла .
Фильтрат — это широко используемый термин в науках об окружающей среде , где он имеет конкретное значение жидкости, которая растворила или увлекла вредные для окружающей среды вещества, которые затем могут попасть в окружающую среду. Чаще всего его используют при захоронении гниющих или промышленных отходов.
Таким образом, в узком экологическом контексте фильтрат представляет собой любой жидкий материал, который стекает с земли или складированного материала и содержит значительно повышенные концентрации нежелательного материала, полученного из материала, через который он прошел.
Состав фильтрата со свалки сильно различается в зависимости от возраста свалки и типа содержащихся на ней отходов . [1] [2] Обычно он содержит как растворенный, так и взвешенный материал. Образование фильтрата вызвано главным образом осадками , просачивающимися через отходы, выбрасываемые на свалку. При контакте с разлагающимися твердыми отходами просачивающаяся вода становится загрязненной, и если она затем вытекает из отходов, ее называют фильтратом. [3] В ходе этого разложения углеродистого материала образуется дополнительный объем фильтрата с образованием широкого спектра других материалов, включая метан , диоксид углерода и сложную смесь органических кислот , альдегидов , спиртов и простых сахаров.
Риски образования фильтрата можно снизить за счет правильно спроектированных и спроектированных полигонов для мусора, например, построенных на геологически непроницаемых материалах или участков, на которых используются непроницаемые покрытия из геомембраны или искусственной глины . Использование футеровки теперь является обязательным в США , Австралии и Европейском Союзе, за исключением тех случаев, когда отходы считаются инертными. Кроме того, большинство токсичных и сложных материалов теперь специально исключены из захоронения. Однако, несмотря на гораздо более строгий законодательный контроль, фильтраты с современных объектов часто содержат ряд загрязняющих веществ, возникающих в результате незаконной деятельности или законно выброшенных бытовых и бытовых продуктов.
По данным исследования, проведенного в штате Нью-Йорк в 2012 году, во всех обследованных ячейках свалки с двойной облицовкой скорость утечки составляла менее 500 литров на гектар в день. Средние скорости утечек были намного ниже, чем на свалках, построенных по старым стандартам до 1992 года. [4]
Когда вода просачивается через отходы, она способствует и способствует процессу разложения бактериями и грибами . Эти процессы, в свою очередь, выделяют побочные продукты разложения и быстро расходуют весь 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 образующемся фильтрате. Сами процессы разложения выделяют больше воды, что увеличивает объем фильтрата. Фильтрат также вступает в реакцию с материалами, которые не склонны к саморазложению, такими как зола, строительные материалы на основе цемента и материалы на основе гипса, изменяя химический состав. На участках с большими объемами строительных отходов, особенно тех, которые содержат гипсовую штукатурку, реакция фильтрата с гипсом может привести к образованию больших объемов сероводорода , который может выделяться в фильтрате, а также может образовывать большой компонент свалочного газа. Внешний вид фильтрата, когда он выходит из типичной свалки, представляет собой мутную жидкость черного, желтого или оранжевого цвета с сильным запахом. Запах кислый и неприятный и может быть очень распространенным из-за органических соединений, богатых водородом, азотом и серой, таких как меркаптаны .
На свалке, куда поступает смесь муниципальных, коммерческих и смешанных промышленных отходов , но исключается значительное количество концентрированных химических отходов, фильтрат свалки можно охарактеризовать как водный раствор четырех групп загрязняющих веществ: растворенные органические вещества (спирты, кислоты, альдегиды, короткоцепочечные сахара 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 ( ПХД , диоксины и т. д.). [5] В фильтратах свалок также был обнаружен ряд сложных органических загрязнителей. В образцах необработанного и очищенного фильтрата свалок обнаружено 58 сложных органических загрязнителей, 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 на тех, где нет мембраны между отходами и подстилающей геологией, фильтрат может свободно покидать отходы и стекать непосредственно в грунтовые воды . В таких случаях высокие концентрации фильтрата часто обнаруживаются в близлежащих источниках и потоках. При первом появлении фильтрата он может быть черного цвета, бескислородным и, возможно, шипучим , с растворенными и увлеченными газами. По мере насыщения кислородом он имеет тенденцию становиться коричневым или желтым из-за присутствия солей железа в растворе и в суспензии. Он также быстро развивает бактериальную флору, часто состоящую из значительных разрастаний Sphaerotilus natans .
В Великобритании в конце 1960-х годов политика центрального правительства заключалась в том, чтобы обеспечить выбор новых свалок с проницаемыми геологическими слоями, чтобы избежать накопления фильтрата. Эта политика получила название «разбавлять и рассеивать». Однако после ряда случаев, когда эта политика оказалась провальной, а также после публикации в The Sunday Times серьезного ущерба окружающей среде, причиненного ненадлежащей утилизацией промышленных отходов, и политика, и закон были изменены. Закон о хранении ядовитых отходов 1972 года [ 7] вместе с Законом о местном самоуправлении 1974 года возложили на местные органы власти ответственность за удаление отходов и за соблюдение экологических стандартов в отношении удаления отходов.
Предлагаемые места свалки также должны были быть обоснованы не только с географической, но и с научной точки зрения. Многие европейские страны решили выбрать полигоны в глинистых геологических условиях без грунтовых вод или потребовать, чтобы на полигоне была предусмотрена инженерная облицовка. Вслед за европейскими достижениями Соединенные Штаты активизировали разработку систем хранения и сбора фильтрата. Это быстро привело к использованию нескольких слоев покрытия на всех свалках (за исключением тех, которые действительно инертны). [8]
Основным критерием проектирования системы очистки сточных вод является то, что весь фильтрат должен собираться и удаляться со свалки со скоростью, достаточной для предотвращения возникновения неприемлемого гидравлического напора в любой точке системы облицовки.
Система сбора состоит из множества компонентов, включая насосы, люки, сливные линии и датчики уровня жидкости. Однако есть четыре основных компонента, которые определяют общую эффективность системы. Этими четырьмя элементами являются вкладыши, фильтры, насосы и отстойники.
Натуральные и синтетические покрытия могут использоваться как в качестве устройства для сбора, так и в качестве средства изоляции фильтрата внутри насыпи для защиты почвы и грунтовых вод ниже. Главной проблемой является способность покрытия сохранять целостность и непроницаемость на протяжении всего срока службы свалки. Мониторинг подземных вод, сбор фильтрата и установка глиняных покрытий обычно включаются в проектирование и строительство полигона для мусора. Чтобы эффективно служить цели сдерживания фильтрата на свалке, система вкладышей должна обладать рядом физических свойств. Вкладыш должен обладать высокой прочностью на разрыв, гибкостью и безразрушающим удлинением. Также важно, чтобы футеровка устойчива к истиранию, проколам и химическому разложению под действием фильтрата. Наконец, лайнер должен выдерживать колебания температуры, должен противостоять ультрафиолетовому излучению (из-за чего большинство лайнеров бывает черным), должен легко устанавливаться и быть экономичным.
Существует несколько типов вкладышей, используемых для контроля и сбора фильтрата. К этим типам относятся геомембраны , геосинтетические глиняные вкладыши, геотекстиль , георешетки , геосетки и геокомпозиты . Каждый тип лайнера имеет свое особое применение и возможности. Геомембраны используются для создания барьера между мобильными загрязняющими веществами, выделяемыми из отходов, и грунтовыми водами. При закрытии свалок геомембраны используются для создания низкопроницаемого покрытия и барьера, предотвращающего проникновение дождевой воды. Геосинтетические глиняные вкладыши (GCL) изготавливаются путем распределения бентонита натрия одинаковой толщины между тканым и нетканым геотекстилем. Бентонит натрия имеет низкую проницаемость, что делает GCL подходящей альтернативой глиняным вкладышам в системе композитных хвостовиков. Геотекстиль используется в качестве разделения между двумя разными типами почв, чтобы предотвратить загрязнение нижнего слоя верхним слоем. Геотекстиль также действует как подушка, защищающая синтетические слои от проколов нижележащими и перекрывающими породами. Георешетки — это конструкционные синтетические материалы, используемые для устойчивости облицовки склонов для создания устойчивости покровных почв над синтетическими слоями или в качестве укрепления почвы на крутых склонах. Геосетки — это синтетические дренажные материалы, которые часто используются вместо песка и гравия. Радз может взять 12 дюймов (30 см) дренажного песка, тем самым увеличивая площадь свалки для мусора. Геокомпозиты представляют собой комбинацию синтетических материалов, которые обычно используются по отдельности. Распространенным типом геокомпозита является геосетка, которая термически соединена с двумя слоями геотекстиля, по одному с каждой стороны. Геокомпозит служит фильтрующей и дренажной средой.
Геосинтетические глиняные вкладыши представляют собой разновидность комбинированных вкладышей. Одним из преимуществ использования облицовки из геосинтетической глины (GCL) является возможность заказа точного количества облицовки. Заказ точных объемов у производителя предотвращает излишки и перерасходы. Еще одним преимуществом GCL является то, что футеровку можно использовать в районах без надлежащего источника глины. С другой стороны, ГКЛ тяжелы и громоздки, а их установка весьма трудоемка. Помимо того, что установка в нормальных условиях трудна и трудна, ее можно отменить во влажных условиях, поскольку бентонит впитывает влагу, что делает работу еще более обременительной и утомительной.
Система дренажа фильтрата отвечает за сбор и транспортировку фильтрата, собранного внутри облицовки. Размеры, тип и расположение труб необходимо планировать с учетом веса и давления отходов, а также транспортных средств. Трубы расположены на полу камеры. Над сетью лежит огромная масса и давление. Для этого 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 землей.
Сеть коллекторных труб системы сбора фильтрата дренирует, собирает и транспортирует фильтрат через дренажный слой в сборник, откуда он удаляется для обработки или утилизации. Трубы также служат дренажами внутри дренажного слоя, чтобы свести к минимуму скопление фильтрата в слое. Эти трубы имеют разрезы, наклоненные под углом 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.
Попадая в ячейку полигона, жидкость 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 планирования отстойника является учет производительности насоса. Зависимость производительности насоса и размера поддона обратная. Если производительность насоса низкая, объем поддона должен быть больше среднего. Крайне важно, чтобы объем отстойника мог хранить ожидаемый фильтрат между циклами откачки. Эти отношения помогают поддерживать здоровую работу. Отстойные насосы могут работать с заданным временем фазы. Если поток непредсказуем, заранее заданный уровень высоты фильтрата может автоматически включить систему.
Другими условиями планирования отстойника являются техническое обслуживание и спад насосов . Сборные трубы обычно транспортируют фильтрат под действием силы тяжести в один или несколько отстойников, в зависимости от размера осушаемой площади. Собранный в отстойнике фильтрат перекачивается в транспортное средство, на склад для последующего вывоза автомобиля или на очистное сооружение на объекте. Размеры отстойника зависят от количества хранимого фильтрата, производительности насоса и минимальной производительности насоса. Объем отстойника должен быть достаточным для удержания максимального количества фильтрата, ожидаемого между циклами работы насоса, а также дополнительного объема, равного минимальному объему слива насоса. Размер отстойника также должен учитывать требования к размерам для проведения работ по техническому обслуживанию и проверке. Отстойные насосы 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 мембрану той или иной формы, отделяющую отходы от окружающей земли, и на таких площадках часто имеется ряд труб для сбора фильтрата, проложенных на мембране для транспортировки фильтрата к месту сбора или обработки. Примером системы очистки с незначительным использованием мембран является свалка Нантмел .
Все мембраны имеют ограниченную пористость, поэтому со временем через мембрану проходят небольшие объемы фильтрата. Мембраны для свалок рассчитаны на настолько малые объемы, что они никогда не должны оказывать заметного негативного воздействия на качество принимающих грунтовых вод. Более существенным риском может быть выход из строя или отказ от системы сбора фильтрата. Такие системы склонны к внутренним отказам, поскольку на свалках происходят большие внутренние перемещения, поскольку отходы разлагаются неравномерно и, таким образом, изгибают и деформируют трубы. Если система сбора фильтрата выходит из строя, уровни фильтрата будут медленно накапливаться на объекте и могут даже выйти за пределы защитной мембраны и вытечь в окружающую среду. Повышение уровня фильтрата может также смачивать массы отходов, которые ранее были сухими, вызывая дальнейшее активное разложение и образование фильтрата. Таким образом, то, что кажется стабилизированным и неактивным участком, может вновь активироваться и возобновить значительную добычу газа, а также привести к значительным изменениям в готовых уровнях земли.
Одним из методов управления фильтратом, который был более распространенным на неизолированных объектах, была рециркуляция фильтрата, при которой фильтрат собирался и повторно впрыскивался в массу отходов. Этот процесс значительно ускорил разложение и, следовательно, выделение газа, а также привел к преобразованию некоторого объема фильтрата в свалочный газ и уменьшению общего объема фильтрата для утилизации. Однако это также имело тенденцию к существенному увеличению концентрации загрязняющих материалов, что затрудняло переработку отходов. [10]
Наиболее распространенным методом обращения с собранным фильтратом является очистка на месте. При очистке фильтрата на месте фильтрат перекачивается из отстойника в очистные резервуары. Фильтрат затем можно смешать с химическими реагентами для изменения pH, коагуляции и осаждения твердых веществ, а также для снижения концентрации опасных веществ. Традиционная обработка включала модифицированную форму активного ила для существенного снижения содержания растворенных органических веществ. Дисбаланс питательных веществ может вызвать трудности в поддержании эффективной стадии биологической очистки. Очищенная жидкость редко имеет достаточное качество, чтобы ее можно было выбросить в окружающую среду, и ее можно направлять в цистерны или по трубопроводу на местные очистные сооружения; решение зависит от возраста свалки и от предела качества воды, которого необходимо достичь после очистки. Фильтрат, обладающий высокой проводимостью, трудно обрабатывать биологической или химической обработкой.
Обработка обратным осмосом также ограничена, что приводит к низкой степени извлечения и загрязнению мембран обратного осмоса. Применимость обратного осмоса ограничена проводимостью, органикой и отложениями неорганических элементов, таких 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 осадке сточных вод, что затрудняет или делает опасным утилизацию осадка без риска для окружающей среды. В Европе за последние десятилетия правила и контроль улучшились, токсичные отходы больше не разрешается выбрасывать на свалки твердых бытовых отходов, а в большинстве развитых стран проблема металлов уменьшилась. Однако, как это ни парадоксально, по мере того, как объемы сброса сточных вод улучшаются по всей Европе и во многих других странах, операторы установок обнаруживают, что фильтраты представляют собой потоки отходов, с трудом поддающиеся очистке. Это связано с тем, что фильтраты содержат очень высокие концентрации аммиачного азота , обычно очень кислые, часто бескислородны и, если их поступают в больших объемах по сравнению с входящим потоком сточных вод, им не хватает фосфора, необходимого для предотвращения питательного голодания биологических сообществ, выполняющих очистку сточных вод. процессы. В результате фильтраты представляют собой поток отходов, который трудно перерабатывать. [ нужна цитата ]
Однако на стареющих свалках твердых бытовых отходов это может не быть проблемой, поскольку pH возвращается близко к нейтральному после начальной стадии ацидогенного разложения фильтрата. Многие предприятия, занимающиеся канализационными работами, ограничивают максимальную концентрацию аммиачного азота [12] в своих канализационных коллекторах до 250 мг/л, чтобы защитить работников, обслуживающих канализацию, поскольку максимальный предел безопасности труда , установленный ВОЗ , будет превышен при pH выше 9–10, что часто является самым высоким уровнем pH, разрешенным в канализационные сбросы.
Многие старые потоки фильтрата также содержали множество синтетических органических веществ и продуктов их разложения, некоторые из которых потенциально могли нанести серьезный ущерб окружающей среде.
Риски, связанные с фильтратом отходов, обусловлены высокой концентрацией органических загрязнителей и высокой концентрацией аммиака . Патогенные микроорганизмы , которые могут в нем присутствовать, часто называют наиболее важными, но количество патогенных организмов со временем на свалке быстро снижается, поэтому это относится только к самым свежим фильтратам. Однако токсичные вещества могут присутствовать в различных концентрациях, и их присутствие связано с природой выбрасываемых отходов.
Большинство свалок, содержащих органический материал, производят метан , часть которого растворяется в фильтрате. Теоретически он может выделяться в плохо вентилируемых помещениях очистных сооружений. Все заводы в Европе теперь должны пройти оценку в соответствии с директивой ЕС ATEX и зонироваться там, где выявляются риски взрыва, чтобы предотвратить несчастные случаи в будущем. Наиболее важным требованием является предотвращение сброса растворенного метана из неочищенных фильтратов в общественную канализацию, и большинство органов по очистке сточных вод ограничивают допустимую концентрацию растворенного метана в сбросах до 0,14 мг/л, или 1/10 нижнего предела взрываемости. Это влечет за собой удаление метана из фильтрата.
Наибольшие экологические риски возникают в результате сбросов со старых объектов, построенных до того, как современные инженерные стандарты стали обязательными, а также с объектов в развивающихся странах, где современные стандарты не применялись. Существуют также значительные риски, связанные с незаконными площадками и специальными площадками, используемыми незаконными организациями для утилизации отходов. Потоки фильтрата, попадающие 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. Присутствие токсичных металлов и органических веществ может привести к хроническому накоплению токсинов как у местного, так и у отдаленного населения. Реки, подвергшиеся воздействию фильтрата, часто имеют желтый цвет и часто являются источником сильного разрастания канализационных грибков .
Современные исследования в области методов оценки и технологий устранения экологических проблем, возникающих из фильтрата свалок, были рассмотрены в статье, опубликованной в журнале Critical Reviews in Environmental Science and Technology. [13]
Сообщается также о возможной экологической угрозе для водной среды из-за присутствия органических микрозагрязнителей в сырых и очищенных свалочных фильтратах. [6] [14]
Системы сбора фильтрата могут испытывать множество проблем, включая засорение грязью или илом. Биологическое засорение может усугубляться ростом микроорганизмов в трубопроводе. Условия в системах сбора фильтрата идеальны для размножения микроорганизмов. Химические реакции в фильтрате также могут вызвать засорение из-за образования твердых остатков. Химический состав фильтрата может ослабить стенки труб, которые затем могут выйти из строя.
Фильтрат также может производиться на землях, загрязненных химикатами или токсичными материалами, используемыми в промышленной деятельности, например, на фабриках , шахтах или складах. Компостные площадки в районах с большим количеством осадков также производят фильтрат. [ нужны разъяснения ]
Фильтрат связан со складированным углем и отходами добычи металлических руд и других процессов добычи породы, особенно тех, в которых сульфидсодержащие материалы подвергаются воздействию воздуха с образованием серной кислоты , часто с повышенными концентрациями металлов.
В контексте гражданского строительства (более конкретно, проектирования железобетона) фильтратом называют сточные воды от смыва дорожного покрытия (которые могут включать тающий снег и лед с солью), которые проникают через цементное тесто на поверхность стальной арматуры, тем самым катализируя его окисление и разложение . Фильтраты могут быть генотоксичными по своей природе. [15]
В недавних исследованиях также сообщалось о возможном риске для водной среды из-за присутствия органических микрозагрязнителей в сырых или очищенных фильтратах свалок. [ нужна цитата ]