На сегодняшний день моделей, описывающих процессы формирования, транспорта и накопления загрязнённого фильтрата и позволяющих прогнозировать состав фильтрационных вод и биодеградацию органического вещества в условиях анаэробного реактора полигона ТБО, не существует. Одна из причин – это непостоянство его состава, который определяется морфологическим составом ТБО, временем нахождения в теле полигона, а также степенью разбавления атмосферными осадками [5, 7].
Современный полигон ТБО рассматривается как анаэробный биореактор, что требует создания его современной математической модели [1]. Для этого необходимо учитывать сложные физические, физико-химические и биологические процессы, протекающие в толще отходов [6]. Расходы по утилизации концентрата еще в недалеком прошлом оценивались как довольно дорогие. В настоящее время в качестве наиболее перспективного способа обращения с концентратами рассматривается их контролируемая утилизация в теле самого полигона, которая является не только самым дешевым способом утилизации концентрата, но, как предполагается, улучшает биохимические процессы в органических остатках и ускоряет процессы иммобилизации и деструктуризации органических соединений [2, 5].
Целью исследования явилась оценка устойчивости природно-технической системы полигона ТБО посредством разработки имитационной модели анаэробного биореактора полигона ТБО и численного моделирования процессов формирования, транспорта и накопления загрязнённого фильтрата при инфильтрации рассолов жидких отходов в целях геоэкологического обоснования безопасного захоронения «хвостов» (неутилизируемых высококонцентрированных жидких отходов) на полигоне.
Материалы и методы исследования
Объектом моделирования является тело полигона твердых бытовых отходов. Апробация модели проводилась на примере Марьинского полигона ТБО (Владимирская область) (рис. 1).
В качестве предмета моделирования и исследования рассматриваются процессы формирования и перемещения загрязнённого фильтрата при инфильтрации концентрата в толще полигона ТБО от поверхностных слоев к дренажной системе. Так как фильтрат представляет собой минерализованный раствор с общим солесодержанием до 14–17 г/дм3, а концентрат, вводимый в тело полигона, характеризуется значительно большей минерализацией при незначительном содержании растворенных органических соединений, то в качестве выходных параметров разрабатываемой модели выступают показатели общей минерализации в фильтрате.
Анализ процессов в теле полигона, изложенный в ряде публикаций, позволил составить кинетическую схему биодеструкции отходов и формирования фильтрата в теле полигона [3]. Процесс формирования минерализации фильтрата в теле полигона можно представить в виде блок-схемы (рис. 2). Для целей математического моделирования биодеструкцию отходов в теле полигона упрощенно можно представить как процесс, протекающий в две стадии:
1) растворение, гидролиз органических соединений, ацидогенез;
2) метаногенез [1, 4].
Рис. 1. Слой отходов на полигоне ТБО «Марьинский»
Рис. 2. Упрощенная кинетическая модель биодеструкции отходов и формирования фильтрата в теле полигона: C – растворенные вещества в жидкой фазе фильтрата, содержащиеся в ионной и коллоидной форме; S – растворенные вещества в сорбированном состоянии в твердой фазе отходов; W – органическое вещество, доступное для биологической деструкции и содержащееся в твердой фазе отходов; P – продукты метаногенеза
Важной биохимической особенностью биодеструкции отходов является поступление в фильтрат на всех стадиях биодеструкции карбоновых кислот и их солей, в первую очередь уксусной кислоты, которые в значительной степени определяют физико-химические свойства фильтрата [1, 3, 6].
Процесс формирования минерализации фильтрата в теле полигона можно описать системой дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных, каждое уравнение которой описывает свой процесс:
1) процессы формирования минерализации фильтрата или суммарной концентрации растворенных веществ;
2) кинетика процессов механической, физико-химической и биологической сорбции/десорбции в отношении растворенных компонентов фильтрата и их перераспределение между жидкой и твердой фазами в теле полигона;
3) кинетика изменения содержания в твердой фазе отходов органического вещества, доступного для биологической деструкции.
Рис. 3. Динамика минерализации фильтрата в дренажной системе без введения концентрата в тело полигона
Результаты исследования и их обсуждение
Фоновая минерализация фильтрата, т.е. концентрация солей до введения концентрата в тело полигона, определяется как экспериментально (7800 мг/л), так и по результатам моделирования.
Предельно допустимая минерализация CПДС концентрата, вводимого в тело полигона ТБО, согласно расчетам, не должна превышать 122500 мг/л. Превышение этого уровня неизбежно приведет к прекращению биодеградации отходов в теле полигона, т.е. к ингибированию процессов метаногенеза, гидролиза и ацидогенеза.
Задачей 1-го этапа исследований явилась проверка адекватности прогнозных оценок общей минерализации фильтрата в отсутствии введения концентрата в тело полигона. Результаты численного эксперимента показали, что для Марьинского полигона ТБО:
1) характерна нелинейная динамика минерализации фильтрата, асимметричные куполообразные кривые и поверхности (рис. 3);
2) ожидаемое среднее время пребывания солей вводимого концентрата в массиве отходов составляет не менее 84 сут;
3) ожидаемые максимальные значения минерализации фильтрата оцениваются величиной 13000 мг/л;
4) на второй год эксплуатации полигона ТБО расчетная минерализация фильтрата, поступающего в дренажную систему, составила 7800 мг/л.
Следствиями полученных результатов являются следующие заключения:
1) модель учитывает общую зависимость состава фильтрата от времени нахождения ТБО в массиве складированных отходов и увлажнения;
2) при составлении точных прогнозов по количественным характеристикам фильтрата необходим учет количества атмосферных осадков за предшествующий трехмесячный период;
3) ожидаемые предельные значения ХПК фильтрата, поступающего из дренажной системы, находятся в районе 2600 мг O2/л;
4) расчетная минерализация фильтрата в целом соответствует экспериментальным значениям, соответствующим 7600 мг/л.
Задача 2-го этапа – это составление прогнозных оценок общей минерализации фильтрата в условиях введения концентрата в тело полигона. Вычислительный эксперимент проводился в 2 стадии:
1) получение прогнозных оценок в условиях контролируемого введения концентрата в тело Марьинского полигона при нагрузках, не достигающих предельно допустимых уровней;
2) получение прогнозных оценок в условиях контролируемого введения концентрата в тело Марьинского полигона при нагрузках, соответствующих предельно допустимым уровням.
На первой стадии в вычислениях задавались условия, имитирующие введение реального концентрата в тело Марьинского полигона, когда минерализация концентрата составляет 82 г/л, т.е. при нагрузках, не достигающих предельно допустимых уровней.
Вычисления подтвердили, что максимальные значения минерализации фильтрата (21,9 г/л) после начала введения концентрата не превысили прогнозируемых критических уровней. Интервал времени, в течение которого происходит рост минерализации фильтрата в дренажной системе после начала введения концентрата до максимальных значений (21,9 г/л), оценивается величиной 219 сут.
Общий ход кривой минерализации фильтрата имеет ожидаемый нелинейный ступенчатый характер, после достижения максимума минерализация фильтрата постепенно снижается при непрекращающемся введении жидких отходов в тело полигона (рис. 4).
Рис. 4. Динамика минерализации фильтрата в дренажной системе в условиях введения концентрата в тело полигона при нагрузках, соответствующих предельно допустимым уровням
Подавление биодеструкции отходов и нарушение биологических процессов, формирующих состав фильтрата в теле полигона, рассматривается как неблагоприятный сценарий развития событий, реализующихся вследствие ингибирования высокоминерализованным раствором при общей минерализации свыше 122,5 г/л.
Полигон ТБО рассматривается как проточная система, анаэробный биореактор непрерывного действия. На завершающей стадии очистки фильтрата полигона ТБО в процессе обратноосмотического разделения исходный поток делится на две части – пермеат (очищенную воду) и концентрат – поток, обогащенный солями и в дальнейшем требующий утилизации. Концентрат может быть признан пригодным для контролируемой утилизации в теле полигона ТБО, но способен оказывать как угнетающее, так и стимулирующее действие на микробиоту, подавляя или увеличивая скорость разложения отходов в теле полигона [1].
Подавление биодеструкции отходов и нарушение биологических процессов, формирующих состав фильтрата в теле полигона, рассматривается как неблагоприятный сценарий развития событий, реализующихся вследствие ингибирования высокоминерализованным раствором при общей минерализации свыше 122,5 г/л. Отсюда предельно допустимое количество солей (массовый расход солей в пересчете на сухую массу), допустимое для контролируемой утилизации в теле Марьинского полигона ТБО, составляет 0,024 кг/(м2∙сут) или 8,774 кг/(м2∙год). Расчет предельно допустимого количества концентрата основан на оценке критической концентрации солей в фильтрате, при которой реализуется ингибирование гидролиза компонентов отходов в теле полигона ТБО, а также на ассимилирующей способности полигона ТБО.
Вычислительный эксперимент подтвердил прогнозные оценки максимальных уровней минерализации фильтрата в условиях, имитирующих введение реального концентрата в тело Марьинского полигона при общей минерализации 82 г/л. Концентрат пригоден для контролируемой утилизации в теле полигона ТБО. Предельно допустимое количество загрязняющих веществ (в пересчете на сухое вещество), которое ассимилируется в теле Марьинского полигона ТБО, может быть оценено величиной 5,85 кг/м2.
Среди особенностей разработанной модели можно выделить:
1) достаточно полное отображение «глубинных» свойств и механизмов функционирования системы «твердая фаза отходов – фильтрат»;
2) учет большого числа переменных и параметров системы «твердая фаза отходов – фильтрат»;
3) имитация явлений различной (физической, химической и экологической) природы;
4) большинство коэффициентов модели имеют экологический (физический) смысл;
5) наглядность и экономичность модели;
6) модель построена с использованием как априорной информации, так и экспериментальных данных;
7) возможность изучения совокупности целостных характеристик системы «твердая фаза отходов – фильтрат» и использования в качестве средства системного экспериментирования для прогнозирования накопления солей в теле полигона;
8) модель учитывает закономерности изменения состава фильтрата от времени нахождения ТБО в теле полигона и увлажнения;
9) в модели возможен учет сезонного хода минерализации фильтрата вследствие естественного и искусственного разбавления атмосферными осадками;
10) в условиях ограниченности данных для оценки химических, физико-химических и биологических коэффициентов в уравнениях точность модели является приемлемой, так как средняя относительная ошибка (отклонение) не превышает 15 %;
11) модель позволяет оценивать предельно допустимое поступление жидких отходов для контролируемой утилизации в теле полигона.
Заключение
На примере Марьинского полигона ТБО (Владимирская область) даны прогнозные оценки общей минерализации фильтрата в условиях контролируемой утилизации концентрата в тело полигона.
1. Проведена оценка критического уровня минерализации фильтрата, предельно допустимой минерализации концентрата, предельно допустимого количества солей, подлежащего контролируемой утилизации в пересчете на сухую массу.
2. Разработанная математическая модель основана на кинетической схеме биодеструкции.
3. Установлено, что концентрат при общей минерализации до 122,5 г/л может быть использован для контролируемой утилизации в теле Марьинского полигона ТБО.
Анализ результатов моделирования прироста содержания солей показал, что совокупность гипотез, сформулированных на этапах концептуальной и математической постановки задачи, справедлива и достаточна для описания минерализации фильтрата в отсутствии введения концентрата в тело полигона, так как динамика минерализации фильтрата полностью соответствует теоретическим представлениям о биодеструкции отходов ТБО.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Договор от 12.02.2013 № 02.G25.31.0066).
Рецензенты:
Чухланов В.Ю., д.т.н., профессор кафедры химических технологий, Институт прикладной математики и информатики, био- и нанотехнологий, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Владимир;
Малафеев С.И., д.т.н., профессор кафедры управления и информатики в технических и экономических системах, Институт инновационных технологий, Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, г. Владимир.