Эксплуатация полигонов твёрдых коммунальных отходов сопровождается выделением большого количества загрязнённой воды - фильтрата, который образуется из дождевых и талых вод, попавших на поверхность мусорной кучи и просочившихся сквозь неё до самого основания. В процессе такого просачивания сточная вода насыщается различными вредными веществами и к тому моменту, как она достигнет нижней точки, концентрация загрязнителей становится максимальной, а сама вода превращается в токсичную жидкость, крайне опасную для окружающей среды.
Как правило, на современных полигонах ещё при их строительстве на дне котлована, используемого для складирования отходов, устанавливается высокопроницаемый дренажный слой, в который вмонтированы перфорированные трубы, отводящие фильтрат за пределы свалочного тела на очистные сооружения. Чтобы фильтрат не ушёл ниже в грунтовые воды, под дренажный слой укладывают непроницаемую геомембрану.
Отвод фильтрата из тела отходов должен осуществляться непрерывно, при этом пункт 7.15 Свода правил (СП)320.1325800... категорически запрещает хранить фильтрат в теле отходов.
Давайте разберёмся с точки зрения физики, насколько корректно и выполнимо это требование в реальной практике?
Для этого рассмотрим сам процесс вертикального продвижения сточных вод через поровое пространство отходов, применив закон фильтрации Дарси, который определяет скорость движения жидкости (V) через пористую среду с учётом её проницаемости (К) и перепада давления (P-Pатм).
Что же такое проницаемость тела отходов?
Выражаясь бытовым языком, проницаемость – это способность пористого тела пропускать через себя жидкость или газ, при условии, что давление среды на входе в данное тело и на выходе из него отличаются друг от друга, т.е. создан перепад давления.
Проницаемость имеет размерность площади, а это значит, что если мы срежем с куска тела отходов пластинку с бесконечно малой толщиной и посмотрим через неё на свет, то мы увидим много дырочек, которые образованы пустотами между твёрдыми фракциями. Чем сильнее спрессованы отходы, тем мельче будут эти дырочки, а значит через нашу воображаемую пластинку будет медленнее просачиваться жидкость или газ.
Отходы – это сильно сжимаемая субстанция. После укатки бульдозерами отходы уменьшаются в объёме в 3-5 раз, а при сдавливании под собственным весом в куче, высотой более 10 метров – в 7-10 раз.
Результаты наших и других исследований показали, что на старых полигонах, которым больше 20 лет, проницаемость нижних слоёв уменьшается до нескольких миллидарси (1 мД =10ˆ(-15) кв. м).
Как определить проницаемость тела отходов?
На сегодняшний день нет официальной методики, на основании которой можно определить проницаемость свалочного тела. Более того, в связи с высокой сжимаемостью отходов и наличием у них просадочных свойств данный параметр не является постоянным и меняется во времени, чаще всего в меньшую сторону.
Тем не менее с помощью эмиссионной съёмки можно приблизительно определить вертикальную проницаемость через всё ту же формулу Дарси, зная интенсивность выхода биогаза через поверхность свалочного тела.
Подобные расчёты показали, что для «молодых» полигонов (5-10 лет) средняя проницаемость свалочного тела составляет 50-200 мД, для «старых» (более 10 лет) – 10-30 мД. На полигонах ТКО и свалках, которым больше 30 лет, средняя проницаемость тела отходов может уменьшится до 3-5 мД или 3-5*10ˆ(-15) кв. м, особенно в их подошвенной части.
Но, вернёмся к первоначальному вопросу о выполнимости требований п. 7.15 СП320… и определим, сколько времени фильтрат находится в теле отходов с момента выпадения дождя на его поверхность, прежде чем грязная вода достигнет дренажного слоя, устроенного в основании карт складирования. Для этого нужно определить с какой скоростью при установленной проницаемости мусорного массива сквозь него будет проваливаться дождевая вода.
Для примера возьмём реальный действующий полигон, на котором мы недавно провели газогеохимические исследования. По результатам эмиссионной съёмки с помощью формулы Дарси мы установили, что для обеспечения измеренной скорости выхода газа тело отходов должно характеризоваться средней проницаемостью 78 мД.
Чтобы рассчитать скорость вертикального продвижения воды, сменим направление движения потока и вместо избыточного давления подставим давление гидростатическое, которое определим через плотность и ускорение свободного падения. В итоге получим, что вода при проницаемости 78 мД движется вниз со скоростью 0,074 м/с, а один метр толщины отходов она проходит почти за 14 суток.
Если мы имеем толщину свалочного тела 10 метров, то фильтрат будет двигаться до нижнего дренажного слоя примерно 140 дней и, начав своё движение весной, может достигнуть его только осенью, когда очистка становится уже невозможной из-за промерзания пруда и водоводов, а по требованию того же самого СП320 мы не можем сразу отправлять откачанный фильтрат на очистку, минуя его слив в пруд-накопитель.
Если мы будем иметь дело со «старым» полигоном, срок существования которого больше 20 лет, то с учётом снижения проницаемости свалочного тела до 3-5 мД и гидростатическом перепаде давления фильтрат вообще достигнет дренажного слоя, залегающего на глубине 10 м, через 2100-3500 суток или 5-10 лет. При такой скорости продвижения жидкости поровое пространство в свалочном теле будет всегда насыщено фильтратом и извлечь его можно будет только при создании хорошего перепада давления, то есть к дренажным трубкам на дне котлованов нужно подключить мощные компрессоры, которые должны создать в них воздушный вакуум.
Получается, что несмотря на запрет п.7.15 СП320, значительное количество фильтрата, дойдя до дна котлована, так или иначе довольно длительное время, хоть и в подвижном состоянии, но всё же хранится в теле отходов в течение всего холодного периода времени.
Как было сказано в начале, под телом отходов, согласно требованиям СП320, необходимо устраивать высокопроницаемый дренажный слой, по которому весь скопившийся на дне котлована фильтрат собирается в перфорированные дренажные трубы и перекачивается насосными станциями в пруды-накопители.
Однако, каким бы высокопроницаемым не был данный дренажный слой, скорость притока фильтрата в него определяется проницаемостью нижних слоёв свалочного тела, которая, как было показано выше, сильно уменьшается со временем.
Известная нам формула Дарси показывает, что на новом полигоне с небольшим заполнением, проницаемость свалочного тела составит K=100-300*10^(-15) кв.м, а скорость фильтрации воды будет равна V=0,1-0,3 м/сут. При такой скорости поровый объём дренажного слоя толщиной 40 см и площадью поверхности F=2 га заполнится меньше, чем за сутки, а интенсивность притока (Q=V*F) в данный слой при этом составит Q=1900-5700 куб.м/сут. Но, как только проницаемость снизится до K=3-5*10^(-15) кв.м, то поровый объём дренажного слоя будет заполняться уже 25-40 суток, а интенсивность притока упадёт до 40-100 куб.м/сут.
В итоге получается, что если в процессе проектирования подбирать производительность насосных и очистных станций, а также габариты прудов накопителей под фильтрационные характеристики нового полигона, то уже через 5-10 лет значительная часть мощности этих дорогостоящих и громоздких сооружений будет не востребована. Ну а если сразу ориентироваться на ухудшенные фильтрационно-емкостные свойства тела отходов, с которыми полигон эксплуатируется большую часть времени, то мы опять вынуждены будем нарушать п.7.15 СП320….
Исходя из представленного рассуждения напрашивается вывод о том, что п.7.15 СП320… нужно упразднить.
Однако не спешите делать окончательные выводы. Данный пункт нужен, но только не в такой упрощённой и категоричной редакции. Объясним данную позицию на следующем примере:
Допустим, что у вас есть котлован, который вы регулярно заполняете отходами. Кроме того, ваш котлован, помимо отходов, начинает вмещать в себя ещё и фильтрат, который занимает место лишь в поровом пространстве накопленных отходов. Поэтому, нельзя думать, что если в год выпадает 400 мм осадков, то за год уровень фильтрата в котловане поднимется на 400 мм. Это совсем не так.
Чтобы это понять, возьмите уравнение усечённой пирамиды и посчитайте объём, который займёт фильтрат в пустом котловане при годовом слое осадков и разделите этот объём на пористость нижних слоёв отходов, максимально сжатых под собственным весом, значение которой будет варьировать от 0,05 до 0,1 д.е. Затем, при тех же площадях оснований усечённой пирамиды, но с учётом делённого на пористость объёма, оцените высоту, на которую поднимется уровень фильтрата в поровом пространстве и вы увидите, что всего лишь за год фильтрат в вашем котловане поднимется на высоту от 2 до 4 метров, в зависимости от климатических характеристик района и геометрических особенностей котлована.
Часто котлованы, в силу различных причин, делают не такими уж и глубокими, поэтому лужи фильтрата на поверхности территории полигона ТКО начинают появляться уже через несколько лет после начала его эксплуатации.
Безусловно, откачка фильтрата необходима. Однако в случае, если на участке проектирования полигона не хватает места под большие пруды-накопители, то можно разрешить временное хранение фильтрата в свалочном теле, если расчётами будет доказано, что фильтрат за время его хранения не перельётся через бровку котлована. При этом в основании полигона обязательно доложен быть слой гидроизоляции, препятствующий попадания загрязняющих веществ в грунтовые воды.