Фильтрат полигона: что показало полевое испытание сорбционной загрузки

Фильтрат полигона твёрдых коммунальных отходов редко удаётся довести до сброса одним аппаратом. Мы провели полевое испытание сорбционной загрузки на реальном фильтрате: разбираем, как она устроена, что показал опыт и какие данные нужны, чтобы перейти от испытания к проекту.

Чем фильтрат отличается от обычного стока

Фильтрат образуется, когда осадки проходят сквозь тело полигона и выносят продукты разложения отходов. От бытового или производственного стока он отличается четырьмя свойствами, и каждое влияет на выбор схемы.

Аммонийный азот. Его концентрация в зрелом фильтрате на порядки выше, чем в хозяйственно-бытовом стоке, а биологическое окисление идёт медленно и требует кислорода.

Растворённая органика. В зрелом фильтрате она преимущественно гуминовой природы: крупные молекулы, которые плохо входят в микропоры сорбентов и медленно разлагаются биологически.

Высокое солесодержание. Для его глубокого снижения применяют мембранные методы, и это определяет состав линии, если обработанную воду предстоит сбрасывать.

Неоднородность. Две пробы, отобранные в один день в разных точках одного объекта, различались по солесодержанию более чем вдвое. Проектировать по одной пробе нельзя.

Как устроена загрузка

Загрузка собрана из трёх компонентов, у каждого своя задача.

За аммоний отвечает ионообменный компонент. Это природный минерал каркасного строения: его кристаллическая решётка несёт постоянный отрицательный заряд, который компенсируют подвижные катионы натрия, калия и кальция. При контакте с фильтратом катион аммония занимает место обменного катиона и удерживается в решётке. Материал избирателен: аммоний он поглощает охотнее, чем натрий, кальций и магний, которых в фильтрате заметно больше.

Отсюда две особенности, важные для проектирования. Ёмкость конечна: по мере насыщения загрузку заменяют или регенерируют. Скорость ограничена диффузией иона внутрь зерна, поэтому результат зависит от времени контакта.

Как было устроено испытание

Схема простая и воспроизводимая на любом объекте. Ёмкость с врезанным в нижнюю часть пробоотборным краном. Внутри — фильтрующая ткань, чтобы материал не выносило в кран. Поверх ткани засыпана загрузка объёмом 4 л, сверху залито 10 л фильтрата: соотношение объёмов жидкости и загрузки 2,5 к 1.

Выдержка 60 минут в статическом режиме, без перемешивания и без принудительной подачи. Затем через кран последовательно отобрано шесть проб, между отборами сливали по литру.

Шесть проб вместо одной — принципиально. Одна проба не отличает результат от случайности, а по шести видно, насколько устойчив эффект.

Определяли аммонийный азот, водородный показатель, электропроводность, растворённый кислород и температуру.

Что показало испытание

Содержание аммонийного азота снизилось на 70–75 %. Результат воспроизвёлся во всех шести пробах с разбросом в несколько процентов — это главный итог опыта.

Водородный показатель остался на исходном уровне, 7,6–7,9. Это важнее, чем кажется. Аммоний находится в воде в равновесии с аммиаком, и доля летучего аммиака растёт с ростом pH. Если бы загрузка подщелачивала воду, часть аммиака ушла бы в воздух, и прибор показал бы снижение концентрации, не связанное с очисткой. Неизменный pH означает, что аммоний действительно перешёл в загрузку ионным обменом.

Растворённый кислород значимо не изменился: режим контакта был устойчивым во всех пробах.

При отстаивании в обработанном фильтрате выпал осадок. Это указывает на то, что часть процессов окисления и осаждения не успела завершиться в загрузке за час и продолжилась в собранной воде. При большем времени контакта эти процессы в значительной мере проходят внутри слоя, который работает и как фильтр. Для промышленной установки вывод простой: после сорбционной ступени нужна ступень осветления.

Время контакта решает больше, чем состав загрузки

За час прорабатывается преимущественно поверхностный слой зерна, а выход на равновесие занимает от нескольких часов до суток. Полученные 70–75 % — результат одного часа, а не предел возможностей загрузки.

Подтверждение нашлось внутри самого опыта. Две пробы отбирались с повышенной интенсивностью, то есть жидкость проводила в загрузке меньше времени. По обеим остаточный аммоний оказался выше, чем в остальных четырёх.

Результат ограничивала скорость, а не ёмкость. При соотношении 2,5 к 1 через загрузку прошло немного аммония относительно обменной ёмкости материалов этого класса. Значит, увеличение времени контакта даст прирост эффективности, а сама загрузка рассчитана на значительно больший объём фильтрата.

Для проектирования это ключевой параметр. Расчётное время контакта задаёт требуемый объём загрузки, а объём загрузки — стоимость установки и периодичность замены материала. Определяется оно отдельным опытом на том же фильтрате: одна загрузка, отбор проб через 1, 4, 8 и 24 часа. Доступ на объект для этого не нужен, достаточно канистры фильтрата.

Что дальше

Если вы оцениваете обработку фильтрата на своём объекте, соберите данные до того, как выбирать оборудование:

• ✓аммонийный азот, желательно в разные сезоны
• ✓ХПК и БПК, чтобы понять долю биоразлагаемой органики
• ✓солесодержание и электропроводность в нескольких точках, а не в одной
• ✓водородный показатель и температуру по сезонам
• ✓суточный объём фильтрата и его прирост после дождей
• ✓куда планируется отводить обработанную воду и кто назначает предел

Сорбционная ступень снимает аммонийный азот и часть органики и работает внутри многоступенчатой линии: вместе с осветлением, а при сбросе — с биологической ступенью или мембранами. Подобрать состав линии под конкретный сток: промышленная очистка стоков.