Skip to main content

Блог инженера

Блог о минимализме, инжинерии и программировании.



Проектирование систем сбора и удаления фильтрата

  | #landfill#waste#MathJax

Эта статья написана на основании длительного опыта проектирования систем сбора фильтрата. Их проектирование, требования к системам сбора фильтрата - большой пробел в действующей нормативной документации. Существующие требования к полигонам ТКО (твёрдых коммунальных отходов) предусматривают систему сбора фильтрата. Но как её делать мало где описано. Поэтому пришлось пользоваться иностранной литературой, список приведён ниже. Здесь, разумеется, будет описан не весь мой опыт, но я постараюсь дать достаточно информации, чтобы прояснить эту темную тему.

Так как это лишь рекомендации, да ещё и из зарубежных стандартов - их применение исключительно вопрос договорённости между проектировщиком и заказчиком. Мой опыт говорит о том, что почти нигде дренажные системы не работают как надо. Часто их просто нет. Так что следование рекомендациям - просто способ избежать проблем при эксплуатации. Тем более, что эти решения практически не увеличивают стоимость строительства полигона ТКО. Так как заказчики полигона - обычно муниципалитеты и ГУПы, все наработки применялись только дважды, при проектировании коммерческих полигонов. Но такие вещи, как уклон карт размещения отходов или расстояния между дренажными трубами я стараюсь применять везде.

В этой статье я касаюсь только сбора и удаления фильтрата. Его обезвреживание вопрос еще более темный и остаётся целиком за рамками этой статьи, но я приведу небольшой список имеющейся литературы по этому вопросу.

Эффективная система сбора и удаления фильтрата должна быть на каждом полигоне отходов, что на полигоне опасных промышленных отходов, что на полигоне ТБО. Назначение системы - позволить убрать с территории полигона образующийся фильтрат, а также контролировать высоту слоя фильтрата в основании полигона. Последнее может быть важным, т.к. фильтрат играет некоторую роль в процессе биодеградации отходов в теле полигона. Но в большинстве случаев нужно хотя бы убрать фильтрат. Система сбора фильтрата должна быть работоспособной в течение всего срока жизни полигона вне зависимости от методов переработки фильтрата после вывода с полигона. Это важно, многие проекты, что мне приходилось видеть предусматривают отток фильтрата, но из-за ошибок проектирования эти системы неспособны работать 25-30 лет без обслуживания, следовательно на определенном этапе станут бесполезными.

Система управления фильтратом состоит из следующих компонентов:

  • дренажный слой, состоящий из натурального или синтетического зернистого материала;
  • перфорированные трубы сбора фильтрата собирающие и транспортирующие фильтрат в зумпф или трубопровод перекачки фильтрата;
  • защитный и фильтрующий слой над дренажным слоем;
  • контрольные скважины для мониторинга уровня фильтрата;
  • зумпф или трубопровод перекачки фильтрата, куда удаляется собранный фильтрат.

Минимальные рекомендации по проектированию систем сбора фильтрата

Обычно система сбора фильтрата должна обеспечивать минимальный уровень фильтрата. Производительность системы удаления фильтрата должна учитывать объем образования фильтрата, уклон основания полигона, протяженность трубопроводов и проницаемость дренажного слоя.

Форма основания полигона

Основание карт для размещения отходов должно иметь наклон для ускорения стока фильтрата в зумпф или трубопровод сбора фильтрата. Минимальный уклон составляет 2% по направлению к системе сбора фильтрата, этот уклон позволяет трубам самоочищаться и уменьшает засорение перфорированных труб сбора фильтрата. Частая ошибка в проектах - когда уклон труб сбора фильтрата берется по аналогии с обычной наружной самоточной канализацией, где максимальный уклон по СП 31.13330 составляет 1,5%, а расчётный обычно куда меньше. Это решение пройдет экспертизу, но из-за отличия в свойствах фильтрата и канализационных стоков такой уклон не обеспечит самоочищающей способности труб. Уклон по направлению к коллектору сбора фильтрата должен быть не менее 1%.

Есть две типичных формы основания полигона - “пила” и постоянный уклон.

Типы основания полигона

Дренажный слой

Толщина дренажного слоя не менее 0,5 метра при минимальной проницаемости не менее (1\times10^{3}) м/с. Такая высокая проницаемость создается щебнем, гравелем, другими зернистыми заполнителями. Оптимален мелкий гравий, фракции 5-10 мм. При этом заполнитель должен иметь закругленные края, быть промытым и не содержать известково-карбонатных соединений, т.к. они быстро растворяются и вымываются под действием фильтрата. Размер частиц дренажного слоя должен соответствовать требованиям к применяемой в изоляционном слое геомембране. Обычное требование к геомембранам - не должно быть крупных камней с острыми гранями. Механическая прочность дренажа должна соответствовать ожидаемой нагрузке от тела свалки при максимальном проектном заполнении.

Перфорированные трубы сбора фильтрата

Трубы, применяемые при сборе фильтрата должны соответствовать:

  • расчетной пропускной способности и расстоянию между трубами;
  • прочность труб должна соответствовать ожидаемой нагрузке от тела свалки при максимальном проектном заполнении полигона.

Перфорированные трубы сбора фильтрата должны удовлетворять следующим минимальным требованиям:

  • трубы должны быть гладкостенными (не допускаются “гармошки”) с условным проходом не менее DN214 для самоочистки;
  • соотношение площади сбора фильтрата к протяженности труб должно быть не меньше 0,01 кв.м. на метр трубы;
  • материал трубы должен быть химически стоек к компонентам фильтрата.

Расстояние между трубами определяется по модели Маунта. Максимальная высота между двумя параллельными перфорированными трубами определяется по формуле:

\[h_{max}=\frac{L}{c \cdot 2}[\frac{\tan^2 \alpha}{c} + 1 - \frac{\tan \alpha}{c} \cdot \sqrt{\tan^2 \alpha + c}\]

где:

\(h_{max}\) - максимальный напор жидкости на гидроизоляцию;

\(c=q/K\);

q - коэффициент притока;

K - проницаемость;

\(\alpha\) - уклон поверхности.

Типы основания полигона

Расчёт прочности трубы сбора фильтрата

Толщина стенок трубы подбирается исходя из максимальной нагрузки от тела полигона при полном проектном заполнении. Также следует учитывать вес техники, обслуживающей полигон (бульдозеры, катки) и слоя окончательной изоляции.

Критическая нагрузка на трубу вычисляется по формуле:

\[q_a = DF \times \sqrt\frac{32 \cdot R_w \cdot B’ \cdot E’ \cdot E \cdot I}{D^3_{avg}}\]

Где:

\(q_a\) - критическая нагрузка; DF - коэффициент безопасности; \(R_w\) - коэффициент, учитывающий взвешивающее действие воды (1-0,33); B’ - коэффициент упругого закрепления трубы; D - условный проход трубы; E - модуль эластичности трубы, учитывающий деградацию со временем; I - момент инерции стенки трубы на изгиб; E’ - коэффициент реакции почвы.

Формула Лова может быть использована для расчета нагрузки и прогибания цилиндрической трубы от воздействия вышележащих слоёв.

\[\Delta y = \frac{D_1 \cdot W \cdot K_x \cdot r^3}{E \cdot I + 0,061 \cdot E’ \cdot r^3}\]

Где: \(\Delta y\) - вертикальный прогиб трубы; \(D_1\) - фактор запаздывания прогиба; W - нагрузка на трубу от вышележащих слоёв; \(K_x\) - коэффициент, зависящий от опоры трубы; r - условный проход трубы; I - момент инерции трубы; E’ - коэффициент реакции почвы; E - модуль эластичности полиэтилена.

Руководство по подбору компонентов системы удаления фильтрата

Параметр Диапазон Среднее
Нагрузка по фильтрату (L/сут/куб.м.) 0,56 - 0,93 0,7
Максимальный напор фильтрата (см) 23 - 31 27
Расстояние между дренажными трубами (м) 18 - 120 52
Диаметр дренажных труб (см) 15 - 20 17,5
Материал дренажных труб ПВХ или HDVP HDVP
Уклон дренажных труб (%) 0,5 - 2 1
Уклон дна карты полигона 0,2 - 2 1

Заключение

Система сбора и удаления фильтрата (ССиУФ) должна быть спроектирована для автоматической, непрерывной и эффективной работы, насколько это возможно практически.

Напор фильтрата определяется исходя из объема образования фильтрата, наклона основания полигона, расстояния между трубами и проницаемости дренажного слоя.

Я не пытался привести в этой статье все критерии выбора дизайна и обоснования проектных решений из имеющихся руководств. Это огромная задача. Для поиска подходов к определению приведённых здесь коэффициентов и дополнительных рекомендаций по расчётам систем сбора и удаления фильтрата нужно обращаться к первоисточникам. Список руководств, которые использую я приведён ниже. К сожалению, в отечественной нормативной базе имеется огромный пробел, рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации полигонов бытовых отходов не обновлялись десятилетиями. Действующие рекомендации неполны и почти не касаются систем удаления фильтрата и сбора биогаза. В результате - полигоны отходов, которые строятся сегодня, не соответствуют минимальным природоохранным требованиям. Однако их проекты проходят государственную экологическую экспертизу, так как эти проекты соответствуют нормативным требованиям.

Если есть желание сделать полигон, который будет экологически безопасен и надёжен в эксплуатации - приходится пользоваться зарубежными руководствами в той части, где они не противоречат российским требованиям. К счастью, я участвовал в проектировании нескольких полигонов ТБО, где удалось применить эффективные проектные решения. Надеюсь, будут и новые проекты.

Ссылки:

  • Landfill Manuals. Landfill Site Design. // EPA
  • Draft Technical Manual for Solid Waste Disposal Facility Criteria // 40 CFR, part 258, U.S. EPA, 1992
  • The Evaluation of Landfill Performance (HELP) Model - User’s Guide for Version 3 // USEPA, 1994

About Mikhail Kiselev

Photo of Mikhail Kiselev

Приветствую в моём блоге! 😄 Меня зовут Михаил. Я инженер и программист. Живу в Сибири, работаю на Сахалине, путешествую где придётся. Я предпочитаю пост в блог посту в твиттер. Описание полезной технологии или гаджета предпочитаю описанию заката или посиделок в кафе.