Главная страница
08.12.2017 16:06
ХИМИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ТЕЛЕ ПОЛИГОНА
Основные виды химических реакций, происходящих в теле полигона: окислительно-восстановительные и рН-зависимые реакции. Еще один вид реакций является следствием присутствия органических кислот и двуокиси углерода (СО2), образующихся или синтезирующихся в ходе биологических процессов и растворенных в воде. К рН-зависимым относятся реакции, воздействующие на характеристики микроскопической поверхности, такие как абсорбция, а также реакции, влияющие на растворимость химических соединений. Масштаб окислительно-восстановительных реакций зависит от количества кислорода в теле полигона. Реакции с участием органических кислот и растворенного СО2 являются типичными реакциями взаимодействия кислот и металлов. Продукты этих реакций - это, главным образом, ионы металлов и солей в фильтрате, образующемся в теле полигона. Присутствие органических кислот приводит к растворению и мобилизации значительного количества отходов на полигоне и, как следствие, создает потенциальный источник загрязнения окружающей среды. Растворение в воде СО2 снижает рН, делая многие металлы растворимыми, особенно кальций и магний. Как правило, в фильтрате содержатся карбонаты и ионы металлов. Количество воды в полигоне играет важную роль для происходящих в нем реакций. Вода является средой для растворения растворимых веществ и переноса материалов, не вступающих в реакцию. Эти материалы состоят из живых и неживых микрочастиц. Размер микрочастиц варьирует от коллоидального до нескольких миллиметров. Растворимость многих химических соединений в большой мере зависит от кислотности(рН). Различные размеры частиц и отходов, имеющихся на полигоне, создают благоприятные условия для адсорбции. Из всех физических явлений, происходящих на полигоне, адсорбция играет важную роль, так как приводит к иммобилизации множества живых и неживых веществ, потенциально способных вызвать загрязнение окружающей среды при выносе с полигона. Адсорбция - это прилипание молекул к поверхности. Адсорбция может играть важную роль в контроле вирусов, патогенов и некоторых химических веществ. Однако абсорбция имеет ряд ограничений. Одно из них - это отсутствие долговечности. Ряд факторов может изменить долговечность участков адсорбции. Так, свойства участка могут меняться под воздействием биохимического разложения. Химические реакции, а также химические характеристики некоторых материалов на полигоне могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Побочные продукты реакций можно обнаружить в наблюдательных колодцах. Ряд важных соединений, которые могут быть использованы в качестве индикаторов потенциальной миграции загрязнителей на полигоне: нитраты (NOз), летучие жирные кислоты (VFА) и ионы аммония (NН4+). Последние два являются наиболее надежными и предпочтительными для мониторинга нитратов. Уровень ионов аммония относительно высок при разложении органических материалов. Ионы аммония вызывают наибольшие трудности из-за высокой мобильности во влажной подземной среде. Использование NH4 в качестве индикатора потенциального загрязнения может быть оправдано, если на соседних участках отсутствуют другие возможные источники ионов аммония. Другими индикаторами миграции химических веществ за пределы полигона являются повышенные уровни Са, Мg, Сl, удельная проводимость, общий органический кислород, БПК и ХПК в колодцах и поверхностных водах. Биологические реакции, происходящие на полигоне, важны по двум причинам. Во-первых, содержащиеся на полигоне материалы, подверженные биологическому разложению, становятся биологически стабильными и более не являются потенциальным источником загрязнения окружающей среды. Основные типы биоразлогаемых органических твердых отходов включают остатки пищи и овощей, бумагу и бумажные продукты, а также "естественные волокна" (волокнистые материалы растительного и животного происхождения). Во-вторых, важное значение имеет преобразование, содержащих углерод и белок, твердых отходов в газ, тем самым значительно снижающие массу и, в итоге, объем биоразлогаемых твердых органических отходов. Лишь незначительная доля питательных элементов, содержащихся в отходах, преобразуется в микробную протоплазму. В конечном итоге, после гибели популяций микробов эта протоплазма подвергается разложению, тем самым, создавая резервный материал разложения в будущем. В целом, биологическое разложение может происходить в аэробных или анаэробных условиях. Поскольку отходы складируются и находятся на полигоне продолжительное время, экологическая система полигона является динамичной. На конкретном участке в теле полигона (т.е. в исходном объеме с конкретной массой отходов) аэробные реакции предшествуют анаэробным. Хотя обе фазы важны, анаэробное разложение оказывает более сильное и длительное воздействие с точки зрения характеристик полигона. Основная форма разложения отходов непосредственно после их складирования - «аэробная фаза». Аэробное разложение продолжается до тех пор, пока не истощен весь кислород (02), находящийся в теле полигона, и не использован растворенный кислород в просачивающихся осадках. Побочные продукты аэробной реакции - это тепло, С02, Н2О и неорганический материал при наличии достаточного количества кислорода для завершения реакции. На практике, длительность аэробной фазы относительно короткая и зависит от проектного решения и условий эксплуатации полигона, включая степень уплотнения отходов и содержание влаги (влага замещает воздух из пространства между частицами отходов). Микробы, активные во время этой фазы, в основном, облигатные и факультативные - аэробные. Во время аэробной фазы температура внутри полигона может достигать 45-55 °С. Отрицательные воздействия на окружающую среду во время аэробной фазы минимальны, так как конечные основные продукты биологического разложения - инертные неорганические твердые вещества, СО2 и Н20. Хотя во время аэробной фазы могут выделяться промежуточные продукты разложения, их количество и относительный вклад в загрязнение окружающей среды незначительны. Количество кислорода, попадающего на полигон вместе с отходами, расходуется относительно быстро. Как следствие этого, большая часть биоразлагаемого органического вещества на полигоне, в конечном итоге, подвергается анаэробным биологическим процессам. Микроорганизмы, ответственные за анаэробное разложение, включают как факультативные, так и облигатные анаэробы. Среди прочих свойств, основное различие между аэробной и анаэробной фазами заключается в отсутствии заметного образования тепла последней фазой. Таким образом, в течение анаэробной фазы температура отходов на полигоне постепенно падает с высоких значений, характерных для аэробной фазы, практически до температуры окружающей среды. Побочные продукты анаэробного разложения могут оказывать значительное негативное воздействие на окружающую среду при отсутствии надлежащего контроля. Можно выделить две группы побочных продуктов: 1) летучие органические кислоты; 2)газы. Большая часть органических кислот - это жирные кислоты с короткой цепочкой с характерным неприятным запахом. Они составляют часть промежуточных продуктов (помимо Н2 и СО2), образующихся во время первой фазы (обычно называемой «кислотообразующая фаза»). Примеры органических кислот - муравьиная, уксусная, пропионовая и изовалериановая. Из-за присутствия кислот рН местной окружающей среды низкая (кислотная), и жидкость (фильтрат) химически агрессивна. В результате концентрация фильтрата высока, с точки зрения концентрации ионов и органики. Кроме участия в химических реакциях с другими компонентами, кислоты играют роль субстрата для метанообразующих микроорганизмов. Для второй фазы (метаногенной) анаэробного процесса характерно преобразование жирных кислот и Н2, образующихся во время кислотообразующей фазы, в СО2 и СН4. Состояние окружающей среды в этой фазе характеризуется нейтральным рН и фильтратом, менее агрессивным по сравнению с кислотообразующей фазой. Два основных газа, образующихся во время анаэробных процессов - метан (СН4)и диоксид углерода (СО2). Сероводород (Н2S), водород (Н2) и азот (N2) обычно присутствуют в следовых концентрациях. Экологические факторы, влияющие на все виды биологической деятельности, существенно воздействуют на процессы, скорость и масштаб биологического разложения на полигоне. Процессы биологического разложения определяют характер разложения продуктов. Одним из важных показателей разложения отходов на полигоне является скорость и величина оседания (т.е. снижение уровня поверхности полигона). Оседание, как правило, является основным сдерживающим фактором при использовании полигона. Оседание продолжается вплоть до завершения процесса биологического разложения отходов. Естественно, любое повышение скорости разложения сделает площадку пригодной для использования быстрее. Основные факторы, влияющие на биологическое разложение отходов на современном полигоне - это влажность, питательная среда для микробов и степень сопротивления отходов воздействию микробов. Из вышеперечисленных факторов, учитывая экологическое состояние большинства полигонов и условия их эксплуатации, влажность является важнейшей переменной относительно скорости и степени разложения отходов на полигоне. В анаэробных условиях, чем выше содержание влаги в отходах, тем активнее проходят биологические процессы. При содержании влаги в биоразлагаемых отходах менее 20 %, активность анаэробных процессов значительно снижается. Таким образом, можно ожидать, что анаэробное разложение будет происходить очень медленно на современных полигонах (попадание воды, в которые, существенно затруднено), где отходы относительно сухие, либо на полигонах, расположенных в засушливых районах, куда поступают отходы с низким содержанием влаги (например, твердые биологические материалы, отходы от приготовления пищи и отходы зеленой растительности). Активность микробов повышается с увеличением температуры до 40 °С, при отсутствии ограничений со стороны других факторов. Для некоторых видов микробов верхний предел температуры, тормозящий их активность, составляет от 55 до 65 °С. Этот вид микроорганизмов называется «термофилы», а другой вид - «мезофиллы». Некоторые мезофиллы устойчивы к высокой температуре (факультативные мезофиллы), а некоторые термофилы устойчивы к температурам мезофильного диапазона (факультативные термофилы). Питательные вещества играют важную роль в процессе разложения. Отходы с высоким содержанием легкоорганического вещества, подверженного гниению, являются почти деальным источником питательных веществ, необходимых для оптимизации процессов разложения субстрата. Таким образом,органические вещества, находящиеся в составе ТБО, вывозимых на полигоны, являются главной причиной экологической опасности этих объектов, так как представляют собой источник выделения миграций (биогаза и фильтрата) в окружающую природную среду. Органические вещества ТБО являются средой обитания болезнетворных микроорганизмов, яиц гельминтов, личинок насекомых и поэтому является источником санитарно-гигиенической опасности. Санитарно-гигиеническая и экологическая опасность полигона уменьшается по мере биологической стабилизации и распада органических компонентов ТБО. Органические вещества в составе ТБО составляют 30-50% их массы и занимают больше половины объема. Однако анаэробный процесс распада органических веществ, происходящий на полигонах ТБО при существующей технологии их захоронения, очень длительный и протекает десятки лет. Гораздо быстрее (в 10 раз) протекает аэробный процесс распада органического вещества, однако для его реализации ТБО нужно укладывать слоем до 1 м, но для этого необходимы в десятки раз большие площади складирования, чем при нынешних технологиях складирования на полигонах, где толщина укладки ТБО составляет десятки метров. Применение энзимов класса оксигеназ способствует интенсивному проникновению кислорода воздуха в более глубокие слои ТБО на полигоне и расширяет сферу аэробных процессов распада органических веществ, чем значительно ускоряет эти процесы,как катализаторы биологических реакций, обеспечивают более полный распад органических веществ. Таким образом, внесение в полигон ТБО композитных препаратов, в производственных условия полигона, позволит ускорить и углубить процесс распада органических веществ, что беспечит уменьшение объема складируемого ТБО и улучшит экологическое санитарно-гигиеническое состояние полигона. Экологическое воздействие на окружающую среду полигон оказывает посредством выделения биогаза и фильтрата. Санитарно-гигиеническое состояние полигона и его окрестностей определяется составом и количеством химических и бактериологических загрязнений ТБО, почвы, воздуха. При анализе проб ТБО и почвы определяются их химическое, бактериологическое и гельминтологическое загрязнения. Наиболее типичными для полигонов химическими загрязнениями являются азотосодержащие вещества (аммиак, нитраты), а также соли тяжелых металлов. Бактериальное и гельминтологическое загрязнения определяются наличием патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. Фильтратные воды полигона ТБО содержат широкий спектр органических и минеральных макро- и микроэлементов, который существенно расширился в последнее время с попаданиемна полигон синтетической органики с разнообразными наполнителями. Наиболее типичными и опасными веществами, присутствующими в фильтратных водах полигона, являются нитраты, нитриты, аммоний, ортофосфаты, хлор, железо, кадмий, марганец, бром, барий, литий, свинец, никель, цинк, кобальт, титан, ртуть, фенол и др. По загрязнению воздуха на полигоне контролю подлежат: сероводород, диоксид азота, сернистый ангидрид, оксид углерода, диоксид углерода, аммиак, метан, фенол, бензапирен, формальдегид, уксусная кислота, ацетон, углеводороды предельные, метил-метиловые соединения и др.