Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ направлений и методов рекультивации массивов органо-минеральных отходов 10
1.1. Характеристика жизненного цикла массивов 10
1.2. Анализ направлений трансформации вещества массивов в условиях взаимодействия с окружающей средой 18
1.3. Использование технологий и продуктов компостирования для рекультивации массивов органо-минеральных отходов 21
Глава 2. Исследование состояния массивов органо-минеральных отходов 31
2.1. Исследование геометрических и технологических показателей 32
2.2. Исследование физико-химических показателей 38
2.3. Дифференцирование массива на фрагменты 45
2.3.1. Обработка матриц состояния вещества массива методом главных компонент 45
2.3.2. Компостирование, как метод индикации способности вещества массива к биохимическому разложению 58
2.4. Разработка критерия стабильности вещества техногенного массива 65
Глава 3. Материалы для рекультивации техногенных массивов 68
3.1. Классификация целевых рекультивационных материалов 68
3.2. Исследование некоторых видов отходов, пригодных к использованию в качестве сырья для производства рекультивационных материалов 71
3.2.1. Осадки очистных сооружений 71
3.2.2. Агропромышленные отходы. 74
3.2.3. Компосты заводов по переработке твердых бытовых отходов 77
Глава 4. Совершенствование технологии компостирования отходов для производства материалов рекультивации 81
4.1. Объекты и методы исследований 81
4.2. Интенсификация процесса компостирования органо-минеральных отходов 86
Глава 5. Направления рекультивации массивов органо-минеральных отходов с использованием компостирования 91
5.1. Рекультивация массива с перемещением свалочного грунта 93
5.2. Рекультивация массива без перемещения свалочного грунта 97
5.3. Экономический эффект рекультивации массивов органо-минеральных отходов с использованием компостирования 101
Выводы 105
Литература 106
Приложения
- Анализ направлений трансформации вещества массивов в условиях взаимодействия с окружающей средой
- Исследование геометрических и технологических показателей
- Классификация целевых рекультивационных материалов
Введение к работе
Инвентаризация объектов размещения отходов на территории Российской Федерации выявила огромное количество несанкционированных свалок органо-минеральных отходов, которые в существующей литературе принято называть техногенными массивами [1]. На сегодняшний день только на территории Самарской области образовалось более 80 стихийно сформированных массивов [2]. Подавляющее большинство массивов сформировано преимущественно коммунальными видами отходов.
Современная практика обращения с отходами ориентирована на их переработку или размещение в окружающей среде [3,4]. В результате, в последние годы, поток отходов направляют на мусоросортировочные станции, заводы и усовершенствованные полигоны. Участки, отторгнутые под размещение массивов, не находят целевого использования со стороны хозяйствующих субъектов и переходят в категорию деградированных земель, нуждающихся в рекультивации.
Острая необходимость рекультивации массивов органо-минеральных отходов с восстановлением качества территорий определяет цели и пути разработки эффективных направлений их рекультивации вплоть до полной ассимиляции окружающей средой.
В настоящее время комплекс работ по рекультивации массивов определяется, главным образом, направлением дальнейшего целевого использования восстанавливаемых территорий [5,6]. Фундаментальные теоретические положения и практические рекомендации по рекультивации массивов органо-минеральных отходов изложили в своих научных трудах отечественные и зарубежные исследователи: А.И.Мирный, В.В.Разнощик, Я.И.Вайсман, Т.Г.Середа, К.Ф.Форстер, Д.А.Дж.Вейз, H.Belevi, T.Christensen, R.Cossu и др.
Несмотря на глубину выполненных исследований, предлагаемые методы рекультивации сопряжены с высокими экономическими затратами и не могут быть в полной мере реализованы.
Для разработки эффективных способов рекультивации техногенных массивов путем стабилизации вещества их свалочного тела вплоть до полной ассимиляции окружающей средой необходимы методы диагностики их состояния и значительное количество рекультивационных материалов. Использование природных грунтов в качестве материалов рекультивации не является экономически целесообразным и экологически оправданным. Кроме того, как показывают результаты исследований последних лет, проведенные в России и за рубежом, в качестве рекультивационных материалов могут выступать многие виды органо-минеральных отходов, при условии их предварительной подготовки [7].
Наиболее целесообразным способом подготовки отходов выступает компостирование [8-10]. Однако современные воззрения на процесс рекультивации требуют усовершенствования технологий компостирования с тем, чтобы в полевых условиях, на ограниченной территории техногенных массивов получить стабильные, санитарно-безопасные материалы для восстановления нарушенного ландшафта. Одновременно решается проблема утилизации крупнотоннажных отходов производства и потребления.
Целью настоящей работы является разработка системы исследования и направлений рекультивации массивов органо-минеральных отходов с использованием компостирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать и апробировать систему исследования состояния массивов органо-минеральных отходов; обосновать возможность использования некоторых видов органо-минеральных отходов в качестве сырья для производства рекультивационных материалов; усовершенствовать способ компостирования органо-минеральных отходов для производства рекультивационных материалов в условиях массивов; разработать направления рекультивации массивов с использованием компостирования.
Научная новизна
1. Для обоснования необходимости рекультивации массивов органоминеральных отходов предложена система их поэтапного исследования, включающая разработку цифровых и геометрических моделей, дифференцирование свалочных тел на фрагменты и диагностику способности их вещества к биохимическому разложению.
Хемометрический метод главных компонент впервые использован для обработки результатов анализа состояния массивов.
В качестве метода оценки биохимической реакционной способности вещества массива использовано аэробное компостирование свалочного грунта в контролируемых условиях.
Предложен новый способ интенсификации компостирования органоминеральных отходов путем введения горячих инокулирующих биодобавок.
5. Температурно-временная характеристика выбрана в качестве контрольного показателя готовности продуктов компостирования, используемых в различных направлениях рекультивационных работ.
Практическая значимость и реализация работы
На основе дифференцирования массивов органо-минеральных отходов на фрагменты разработана система, позволяющая проводить оценку их состояния в короткие сроки.
Показатели и матрицы состояния вещества, массивов позволяют создавать их трехмерные модели и разрабатывать на их основе экологически обоснованные направления рекультивации.
Показатели состояния массивов были использованы для оценки стабильности их вещества и определения направлений их рекультивации.
Усовершенствованная в настоящей работе технология компостирования позволяет осуществлять ускоренное производство рекультивационных материалов на основе органо-минеральных отходов в условиях ограниченной территории массивов.
Разработаны направления, с использованием которых проведена рекультивация массивов органо-минеральных отходов г.Отрадный, п.г.т.Безенчук Самарской области.
Автор выносит на защиту: систему исследования состояния массивов органо-минеральных отходов для их последующей рекультивации; метод оценки биохимической реакционной способности вещества массивов, основанный на аэробном компостировании их свалочного грунта; способ получения многоцелевых рекультивационных материалов на основе некоторых видов органо-минеральных отходов с использованием усовершенствованного компостирования; направления рекультивации массивов органо-минеральных отходов с использованием продуктов компостирования.
Научные разработки построены на результатах исследования большого числа массивов органо-минеральных отходов Самарской области и анализа экспериментов, проведенных в лабораторных и полевых условиях. Анализы физико-химических и микробиологических показателей компостов, органо-минеральных отходов и свалочного грунта выполнены по стандартным методикам в аккредитованной Госстандартом России лаборатории НЦПЭ СамГТУ. Обработка результатов выполнена с использованием апробированных математических методов. Эффективность разработанных способов рекультивации подтверждена внедрением.
Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете в рамках Федеральных программ «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» и «Интеграция науки и высшего образования России».
Анализ направлений трансформации вещества массивов в условиях взаимодействия с окружающей средой
Пребывание техногенных массивов в окружающей среде сопровождается протеканием сложных взаимосвязанных физико-химических и биохимических процессов [39].
Температура оказывает большое влияние на протекание биохимических процессов в свалочном теле массива [41].
Биохимические процессы включают основные реакции биодеградации-сложных органических веществ с помощью биологической активности [42]:
- трансформацию, или незначительные изменения молекул веществ свалочного грунта;
- фрагментацию, или разложение сложной молекулы на более простые соединения;
- минерализацию - превращение сложного вещества в простые.
Реакции, протекающие в свалочном теле, вызывают образование токсичных соединений и их последующее поступление в окружающую среду.
Основным биохимическим процессом, определяющим стабильность массивов и его последующую ассимиляцию окружающей средой, является разложение органического вещества. Исследователями данные процессы включены в общую концепцию стабилизации свалочного грунта и ассимиляции его компонентами окружающей среды [43].
В естественных неконтролируемых условиях данный процесс протекает длительное время. Сокращение продолжительности процесса достигается различными методами, как аэробными [39,44], так и анаэробными [45].
Известно, что в начальной стадии разложения органического вещества отходов преобладают аэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро разрушаются рядом беспозвоночных (клещи, нематоды и т.д.) и микроорганизмов (грибы, бактерии и актиномицеты) [41,42,46].
Аэробный процесс биодеструкции органических веществ является более предпочтительным по сравнению в анаэробным вследствие их высокой скорости при высоких температурах протекания, возможности обезвреживания ксенобиотиков в низких концентрациях, положительного энергетического баланса и образования малотоксичных продуктов [39,41]. Так, в поверхностных слоях массивов, где протекают в аэробные процессы, протеины органического вещества отходов превращаются в аминокислоты, аминокислоты - в углекислый газ, воду. Жиры гидролизуются с образованием жирных кислот и глицерина, которые далее разлагаются до простых соединений через образование промежуточных летучих кислот и щелочей. Целлюлоза, составляющая большую часть органических отходов, разлагается под действием энзимов до глюкозы, которая затем используется бактериями и преобразовывается до углекислого газа и воды. Таким образом, интегрально аэробный процесс биодеструкции органических веществ можно схематично описать уравнением [42]: СбН Об+бОг— бСОг+бНгО+микробная биомасса+теплота.
Экзотермический характер реакций аэробного разложения органического вещества сопровождается установлением высоких температур (до 80С) в теле массива [42]. Увеличение температур, с одной стороны, увеличивает активность и скорость роста микроорганизмов, а с другой стороны, отрицательно влияет на растворимость кислорода и приводит к замедлению тепловыделения и увеличению содержания факультативных и облигатных бактерий -анаэробов [42].
Для описания биохимических процессов анаэробного разложения органического вещества техногенного массива можно воспользоваться схемой Баркера, предполагающей наличие последовательно сменяющих друг друга фаз - кислой и метановой [47].
Основным конечным продуктом распада органических веществ первой фазы являются жирные органические кислоты ряда предельных углеводородов, обуславливающих кислую реакцию среды данной фазы [39]. Осуществляют эту фазу факультативные (молочнокислые, уксуснокислые и т.д.) и об-лигатные (масляно-кислые, целлюлозные и др.) бактерии [42].
Продукты распада первой фазы перерабатываются облигатными бактериями-анаэробами с образованием углекислоты и метана [42]:
Таким образом, продуктами загрязнения окружающей среды на всех этапах жизненного цикла техногенных массивов являются продукты трансформации вещества свалочного тела. Микроорганизмы являются косвенными участниками сложных превращений: продукты разложения-фильтрат-биогаз-бактерии-инертное вещество.
В силу того, что выявлено влияние биогенного фактора на протекание реакций трансформации вещества массива и определены предпочтительные направления их протекания, научное рассмотрение способов рекультивации массивов должно опираться на стабилизацию их вещества методами аэробной минерализации.
Исследователями установлено, что продолжительность и глубина аэробной деградации органических веществ определяется кислородным режимом [39,44,45], наличием питательных веществ [41] и ингибиторов [42], плотностью, температурой и влажностью свалочного грунта [39]. Однако в настоящее время в литературе, отсутствуют исследования по влиянию содержания органического вещества на интенсивность протекания аэробных процессов.
Исследование геометрических и технологических показателей
На первом этапе по фондовым материалам и опросу эксплуатационного персонала предварительно определяют продолжительность формирования массива и его площадь, виды и объемы размещенных отходов.
Вторым этапом системы исследования состояния массивов для последующего проведения рекультивации является определение их геометрических показателей (плана и высотного профиля) и условий формирования (пересыпки, уплотнения), которые в настоящей работе обозначены как технологические показатели.
Сочетание полученных результатов позволяет разработать планово-высотный абрис или геометрическую модель массива, который будет характеризовать его объемную конфигурацию для последующей оценки состояния стабильности его вещества и разработки направления рекультивации.
Перечень исследуемых на данном этапе характеристик массивов определяли в соответствии с условиями: обеспечение необходимого и достаточного объема информации для дальнейшего исследования состояния массива; соответствие требованиям существующих нормативно-методических документов [3,6,105,106]. В первую очередь при исследовании состояния техногенного массива необходимо определить геометрические показатели. Наиболее важными являются общая площадь нарушенной территории техногенного массива, средняя высота слоя отходов, объем свалочного тела и конфигурация. Это связано с необходимостью определения размеров массива, как источника воздействия на компоненты окружающей среды.
Оценка интенсивности воздействия предполагает исследование технологических показателей массива, определяемые, главным образом, видом его назначения как объекта размещения отходов. Важными определяемыми технологическими показателями являются продолжительность и особенности технологической эксплуатации массива, виды размещенных отходов.
Показатели состояния массивов для выбора направления рекультивации Для иллюстрации предложенного комплексного исследования состояния техногенных массивов с целью разработки экологически обоснованной технологии их рекультивации в настоящей работе рассмотрены: несанкционированная свалка п.г.т.Безенчук (далее «Безенчукский» массив), санкционированная свалка г.Отрадный (далее «Отрадненский» массив) и полигон твердых бытовых и промышленных отходов г.Кинеля (далее «Кинельский» массив). Массивы, выбранные в качестве объектов исследования, являются типичными представителями наиболее распространенных видов объектов размещения оргашю-минеральных отходов в условиях крупного промышленного региона Среднего Поволжья. Геометрические и технологические показатели определяли известными методами инженерной геодезии и геологии [107,108]. Составление плана массива с деталировкой рельефа прилегающей территории и геометрических профилей осуществляли в соответствии с требованиями [6,107].
Отбор проб свалочного грунта из разных горизонтов массива и проб подмассивной геологической среды производили методом пошагового роторного бурения с использованием бурового станка марки УРБ 2А-2 по методике [107] с шагом 0,5 - 1,0 м. Глубину бурения шурфов для каждого массива определяли непосредственно в процессе исследования, исходя из толщины техногенного массива, которая изменялась в пределах: пгт. Безенчук -0,3-13 м; Отрадный - 0,3 - 7,0 м; Кинель - 0,5 - 10,0м. Это позволило определить в процессе бурения границу техногенных массивов и общую высоту слоя отходов.
Разработку планово-высотных абрисов техногенных массивов осуществляли на основе результатов исследований геометрических и технологических показателей с использованием технических возможностей прикладных программ «Arc View 3.2а (с использованием модуля Image WARP 2.0); Ar-cGIS 9 (модуль Geostatical Analyst, 3D Analyst) [112-114].
Результаты первого этапа комплексного исследования состояния техногенных массивов, выбранных в качестве объектов исследования, представлены в табл.2.1 и нарис.2.2.
Исследование геометрических показателей позволило установить, что конфигурация техногенных массивов имеет слоевую или неправильную сферическую форму и определяется это исходным рельефом местности и уровнем технологии их формирования.
Классификация целевых рекультивационных материалов
В настоящей работе предложена классификация материалов на основе органо-минеральных отходов по отношению к выделенным фрагментам техногенного массива и целевому использованию в определенном направлении рекультивационных работ.
Все отходные рекультивационные материалы классифицированы на четыре группы:
1. Упрочнители поверхности стабилизируемых фрагментов массива.
2. Выравниватели - материалы для вертикальной планировки поверхности фрагментов.
3. Интенсификаторы биодеструкции - отходы, предназначенные для ускорения биохимических процессов трансформации органического вещества массива.
4. Порообразующие добавки - компоненты сырья для производства компо-стов на основе органо-минеральных отходов.
Группы рекультивациоппых материалов с рекомендуемыми видами отходов для использования в различных направлениях рекультивационных работ на массивах представлены в табл. 3.1. Исследование характеристик отходов показывает, что некотрые виды отходов перед использованием в качестве материалов фрагментной рекультивации массивов требуют предварительной обработки. Предварительная обработка отходов осуществляется с целью обеззараживания, минерализации и корректировки состава целевых рекультивационных материалов. В результате отходы приобретают свойства, способствующие их ассимиляции компонентами окружающей среды.
Примерами реализации предварительной подготовки отходов являются: биодеструкция замазучеиного грунта перед размещением на полигонах ТБО [121-128], биотермическая обработка осадков городских сточных вод и подобных им органо-минеральных отходов [73,76-80,87], и ряд других процессов [129].
Направления рекультивации массивов с использованием отходов по целевому назначению для каждой из вышеперечисленных групп и предпочтительные технологии их подготовки представлены в табл. 3.2.
На примере отходообразующего пространства самарской области определены виды и исследован состав наиболее крупнотоннажных отходов, содержащих биоразлагасмое органическое вещество и пригодных в качестве сырья для производства материалов целевой рекультивации массивов органо-минеральных отходов. Достижение соответствия свойств рекультивационных материалов на основе отходов выделенным фрагментам массива определяет направление проведения рекультивационных работ.
