Содержание к диссертации
Введение
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1 Твердые бытовые отходы, их свойства и классификация 9
1.2 Влияние полигонов твердых бытовых отходов на компоненты экосистем
1.3 Физико-химические процессы, протекающие в массиве твердых бытовых отходов
1.4 Состав и свойства дренажных стоков полигонов твердых бытовых отходов
1.5 Технологии очистки стоков полигонов твердых бытовых отходов
1.6 Методы утилизации твердых бытовых отходов 34
Выводы 40
2 ИЗУЧЕНИЕ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
2.1 Общая характеристика объектов захоронения твердых бытовых отходов в условиях Тульской области 43
2.2 Оценка объекта экспериментальных исследований 47
2.3 Экспериментальные исследования содержания тяжелых металлов в фильтрате
полигона твердых бытовых отходов
2.4 Экспериментальные исследования содержания тяжелых металлов в почвах прилегающих к полигону твердых бытовых отходов территорий
Выводы
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИГРАЦИИ ФИЛЬТРАТА ПОЛИГОНОВ
ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
3.1 Математическое описание миграции фильтрата 74
3.2 Проведение вычислительного эксперимента 96
Выводы 99
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СТОКОВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ СОРБЦИИ
4.1 Исследование эффективности природных сорбентов 100
для очистки сточных вод полигона твердых бытовых отходов
4.2 Экспериментальные исследования сорбционной емкости природных материалов
4.3 Экспериментальные исследования сорбционной очистки фильтрата от тяжелых металлов
Выводы 128
5 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЧИСТКИ СТОКОВОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРИМЕРЕ ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Г. ТУЛЫ
5.1 Разработка метода очистки стоков от тяжелых металлов 131
5.2 Порядок выполнения операций при проведении очистки сточных вод полигона твердых бытовых отходов
Выводы 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
ЛИТЕРАТУРА 142
ПРИЛОЖЕНИЕ А 156
- Твердые бытовые отходы, их свойства и классификация
- Общая характеристика объектов захоронения твердых бытовых отходов в условиях Тульской области
- Математическое описание миграции фильтрата
Введение к работе
Актуальность работы. Хранение твердых бытовых отходов на полигонах, построенных и эксплуатирующихся без соблюдения требований охраны живой природы, а также несанкционированных свалках приводит к существенному загрязнению компонентов экосистем: атмосферы, поверхностных и подземных вод, почвенного покрова.
Одним из наиболее опасных факторов загрязнения в местах депонирования отходов является фильтрат, отличающийся многообразием содержащихся в нем загрязняющих веществ всех классов опасности. Исследование многочисленных полигонов и свалок свидетельствует, что в фильтратах, просачивающихся с мест захоронения ТБО, в концентрациях, превышающих предельно допустимые, присутствуют галогенпроизводные, биологически окисляемые органические вещества, азот в различных формах, растворители, соли и др.
Кроме того, в фильтрате содержатся тяжелые металлы, большинство которых вызывают выраженные мутагенные, эмбриотоксические и канцерогенные эффекты в живых организмах. Особая опасность загрязнения экосистем тяжелыми металлами состоит в том, что они способны аккумулироваться в организме человека, а период их естественной нейтрализации в природе составляет от 70 (цинк, кадмий) до 1500-5900 (медь, свинец) лет.
Разработка эффективных природоохранных мероприятий с целью сохранения удовлетворительного состояния живой природы в местах депонирования твердых бытовых отходов становится все более актуальной как в РФ, так и в большинстве стран мира.
Поэтому тема настоящей работы, направленной на исследование функционирования полигонов ТБО как источников антропогенного воздействия на экосистемы и разработку практических мер охраны живой природы, является своевременной и актуальной.
Цель работы - разработка способа сорбционного извлечения из стоков ионов тяжелых металлов для совершенствования методов проектирования технических систем, обеспечивающих снижение антропогенной нагрузки на живую природу.
Идея работы заключается в том, что снижение антропогенного воздействия на живую природу достигается на основе использования местных природных сорбентов для поглощения тяжелых металлов, выносимых фильтратом ТБО в окружающую среду.
Основные научные положения, защищаемые автором:
тяжелые металлы, содержащиеся в фильтрате полигона ТБО, при отсутствии надежных защитных устройств поступают в почву, поверхностные и подземные воды, оказывая существенное воздействие на живую природу;
моделирование процесса миграции загрязняющих компонентов фильтрата полигонов ТБО в водоносные горизонты позволяет прогнозировать загрязнение подземных вод с целью предотвращения отрицательного влияния полигонов ТБО на живую природу;
использование природных сорбентов при очистке фильтрата полигона ТБО способствует эффективному удалению из стоков ионов тяжелых металлов.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
выявлены природные сорбенты для использования при очистке сточных вод полигонов ТБО. Установлены зависимости сорбционной емкости известняка и долмита от времени сорбции и концентрации металлов в стоках;
обоснован метод очистки стоков полигона ТБО от тяжелых металлов посредством их сорбции природными материалами, направленный на защиту живой природы;
разработана математическая модель миграции токсичных компонентов фильтрата в водоносные горизонты, отличающаяся тем, что учтены глубина залегания водоносного горизонта и интенсивность конвективной диффузии примеси;
составлена прикладная программа, позволяющая оценивать защищенность живой природы от поступающего с фильтратом загрязнения;
разработан метод очистки фильтрата и рекомендации по проектированию технических систем, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия полигона ТБО на живую природу.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов аналитической химии, математической физики и современных достижений вычислительной техники;
достаточным объемом натурных наблюдений и лабораторных экспериментальных исследований, результаты которых свидетельствуют об эффективности разработанных технологических и технических решений по очистке фильтрационных стоков полигона ТБО от тяжелых металлов.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
выявлены эффективные природные сорбенты, позволяющие производить очистку сточных вод ТБО от тяжелых металлов;
на основе полученной зависимости миграции компонентов фильтрата в водоносные горизонты составлена прикладная программа, позволяющая прогнозировать изменения состава подземных вод;
разработаны методические указания по проектированию технических систем, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия полигона ТБО на живую природу.
Теоретические положения и результаты научных исследований диссертационной работы используются в учебном процессе при обучении
студентов и магистрантов по специальностям «Промышленная экология и рациональное использование природных ресурсов», «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ (г. Тула, 2003-2005 гг.); на Всероссийской конференции «VII Докучаевские молодежные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.); на международных геоэкологических конференциях «Геоэк-логические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (г.Тула, 2003-2004 гг.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 9 публикациях.
Объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 21 таблицу, 26 иллюстраций, список литературы из 133 наименований и 2 приложения.
Твердые бытовые отходы, их свойства и классификация
Твердые бытовые отходы, связанные с растущим промышленным производством и массовым потреблением продукции производства, представляют собой одну из все более актуальных на общемировом уровне проблем загрязнения окружающей среды.
Твердые бытовые отходы (ТБО) — твердые, неутилизованные в быту, вещества, образующиеся в процессе амортизации предметов домашнего обихода и бытовой деятельности людей.
К ТБО относятся отходы, образующиеся в жилом секторе, на предприятиях быта, культуры, торговли, во всех конторах и учреждениях, на железнодорожных и автовокзалах, аэропортах, речных портах. Кроме того, к ТБО относятся садовые отходы и дорожный смет. Главным источником ТБО являются крупные промышленные города с большим числом жителей. Классификация городских отходов приведена в таблице 1.1 [128].
Ежегодно в мире на каждого человека образуется около 350 кг твердых бытовых отходов. В различных странах и населенных пунктах этот показатель колеблется от 150 до 850 кг/год, по России в среднем он составляет 195 кг/год [54, 57, 120]. При этом следует отметить, что в России за год образуется от 27 до 130 млн. т ТБО с тенденцией увеличения на 0,75... 0,9 % ежегодно [21,91].
В ТБО непрерывно возрастает доля бумаги, пластмасс (прежде всего полиэтилена), синтетических пленок, боя люминесцентных ртутьсодержа-щих ламп и остатков пищевых продуктов. Состав и свойства отходов изменяются по сезонам года и с течением ряда лет [30]. Четкое определение состава и свойств отходов необходимо для организации эффективных систем их сбора, удаления (транспортировки), обезвреживания и использования.
Твердые бытовые отходы различаются по морфологическому, фракционному и химическому составу, а также по физическим свойствам. Эти характеристики зависят от степени благоустройства зданий - объектов образования отходов, вида топлива, применяемого в местном отоплении, климата, местных условий и других факторов и индивидуальны для каждого населенного пункта.
Под морфологическим составом понимают содержание отдельных компонентов, выраженное в процентах, к общей массе отходов. Изменение морфологического состава ТБО в зависимости от климатических зон для условий России приведено в таблице 1.2 [71].
Фракционный состав характеризует крупность частиц ТБО. Под фракционным составом понимают процентное содержание массы компонентов, проходящих через сита с ячейками различного размера. Основная масса отходов имеет размер менее 100 мм (до 70 % массы сырых отходов). Компоненты размером 350, 250 мм составляют около 5 % (бумага, текстиль). Ориентировочный фракционный состав ТБО приведен в таблице 1.3 [101].
Химический состав твердых отходов представляет собой процентное содержание составных компонентов ТБО (органическое вещество, азот, кальций и т.д.). Изменение химического состава ТБО в зависимости от климатических зон для условий России приведено в таблице 1.4 [128].
Физические свойства ТБО — средняя плотность (среднегодовое зна-чение в различных городах составляет 0,19 - 0,23 т/м), влажность (колеблется в пределах 30-58%, достигая максимума осенью), теплотворность (средний уровень теплотворной способности отходов составляет от 7,2 до 5,0 МДж/кг) [125].
Общая характеристика объектов захоронения твердых бытовых отходов в условиях Тульской области
Сложившееся к настоящему времени на территории Российской Федерации положение с образующимися и уже накопленными твердыми отходами оценивается как критическое. Это в полной мере относится и к г. Туле. Учет образования, размещения, утилизации отходов производства и потребления стали одной из центральных проблем в сфере охраны окружающей среды в Тульской области.
Тульская область расположена в центральной части Восточноевропейской равнины и занимает площадь 25,7 тыс. км2, протяженность с севера на юг - около 230 км, с запада на восток — 200 км. Область граничит с Московской областью на севере и северо-востоке, с Калужской — на западе и северо-западе, с Орловской — на юго-западе, с Рязанской — на востоке, и Липецкой - на юго-востоке. В области 23 города и 42 поселка городского типа.
Административный центр - г. Тула, расположен почти в географическом центре территории области на расстоянии 190 км от г. Москвы.
В промышленном центре России Тульская область одна из самых индустриальных, имеет развитой аграрный сектор. На территории области располагаются и осуществляют свою деятельность предприятия машиностроительного, химического, металлургического, горного и строительного комплексов, на которых образуются твердые отходы 1-5 классов опасности. Общее количество образующихся твердых отходов - более 2 млн. тонн ежегодно. На территории Тульской области накоплено свыше 105,7 млн. тонн отходов [36, 99]. Это предопределяет критическую степень техногенного загрязнения и антропогенной нагрузки территории.
Складирование и хранение отходов производства осуществляются в местах, которые не отвечают элементарным санитарным и экологическим требованиям: многочисленные свалки, терриконы угольных шахт, золоот-валы, шлаконакопители и т.д. Часть промышленных отходов, таких как гальваношламы 3-4 класса опасности с содержанием окислов тяжелых металлов; отходы, содержащие нефтепродукты; полиэтилен; отходы лаков, красок; пыль ДСП; автошины и ряд других отходов складируются на свалках бытовых отходов. Наибольшее количество токсичных отходов сосредоточено на свалках городов Тулы и Новомосковска.
Общее количество объектов длительного хранения и захоронения отходов в Тульской области - 111, из них: полигоны промотходов - 6, полигоны ТБО - 1, санкционированные свалки — 29, шламохрангогаща - 28, прочие - 32, неорганизованные - 14 [36].
Твердые бытовые отходы в области практически не утилизируются, размещаются на несанкционированных площадках, в природной среде, вызывая ее загрязнение и представляя значительную эпидемиологическую опасность.
Образующиеся в Тульской области ежегодно в количестве около 1,3 млн. м3 твердые бытовые отходы вывозятся на 38 свалок ТБО общей площадью 116,8 га и массой накопленных отходов 17,3 млн. тонн. Практически все свалки эксплуатируются с нарушением санитарных и экологических требований. Воловским, Ефремовским, Заокским, Суворовским и Чернским районами к настоящему времени уже разработаны проекты новых полигонов для размещения твердых бытовых отходов [36,40].
Анализ объемов накопления ТБО показывает, что только в городе Туле образуется 834 тыс. м отходов ежегодно. Все образующиеся в городе отходы должны поступать на полигон ТБО, расположенный восточнее города на 7-м километре шоссе Тула-Новомосковск, эксплуатирующийся сверхнормативно с 1978 года (рисунок 2.1). Площадь участка- 10 га.
В настоящее время полигон не отвечает как потребностям города, так и современным экологическим и санитарным нормам (ограниченная емкость, отсутствие необходимых природоохранных мероприятий). В результате отсутствия изолирующей засыпки на полигоне периодически возникают и развиваются до угрожающих размеров очаги самовозгорания, площади горения составляют до 20 % территории полигона.
От бесконтрольного горения отходов на полигоне ТБО городу наносится огромный экологический ущерб. Происходит загрязнение атмосферного воздуха оксидом и диоксидом углерода, оксидами азота, серы, целым комплексом токсичных органических соединений, в том числе веществами канцерогенного воздействия.
Математическое описание миграции фильтрата
Для полигонов ТБО характерно образование жидкой фазы, появлению которой предшествует вода, накапливающаяся в результате выпадения атмосферных осадков. Вода, просачиваясь сквозь слой отходов, уносит с собой продукты разложения ТБО: растворимые и суспендированные вещества, продукты биологического разложения и окисления, образуя фильтрат. Часть из этих компонентов являются высокотоксичными и могут представлять серьезную опасность для грунтовых вод.
Степень загрязнения окружающей среды в результате функционирования полигонов ТБО определяется концентрацией загрязняющих веществ в природных объектах и продолжительностью эксплуатации полигона. Период безопасной эксплуатации полигона продолжается до того момента, пока не происходит превышение норм предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ в подземных водах. При загрязнении подземных вод, как правило, почти всегда обнаруживается загрязнение поверхностных водных источников и всей экосистемы в целом [1].
Полное восстановление качества подземных вод представляет собой весьма трудную, в большинстве случаев практически вообще неразрешимую задачу. Следовательно, основное внимание должно быть направлено на профилактические мероприятия: следует заранее выявлять возможные источники загрязнения и предусматривать необходимые меры по предотвращению поступления загрязнений в водоносные горизонты. В этом случае большое значение приобретает прогноз возможного изменения качества подземных вод со временем. Тело полигона ТБО г. Тулы неудачно располагается на возвышенности, что изначально предполагает антропогенную нагрузку на всю экосистему. Наиболее негативно полигон воздействует на подземные и поверхностные воды. Основным источником поступления загрязнителей в подземные горизонты грунтовых вод является фильтрат, формирующийся в анаэробных условиях в толще полигона в результате протекания процессов деполимеризации, сбраживания, гумификации органического вещества, сульфатредукции и др.
На территории размещения полигона ТБО г. Тулы глубина залегания грунтовых вод находится в пределах 0,80-4,10 м. Водовмещающими грунтами являются покровные суглинки мощностью 0,30-4,70 м. Коэффициент фильтрации суглинков изменяется от 0,1 до 0,2 м/сут и в среднем составляет 0,15 м/сут.
Близкое залегание к поверхности грунтовых вод, высокие фильтрационные свойства водовмещающих пород, а также незащищенность водоносного горизонта с поверхности способствуют инфильтрации загрязненных стоков полигона. В результате миграции токсичных веществ происходит загрязнение горных пород основания полигона и грунтовых вод.
Следовательно, возникает потребность в составлении прогноза возможного отрицательного воздействия полигона ТБО на окружающую среду. При этом большое значение имеет оценка возможности загрязнения фунтовых вод токсичными компонентами фильтрата с течением времени, для чего необходимо проводить определение концентрации загрязняющих веществ фильтрата в водоносных породах.
Похожие диссертации на Исследование процессов образования и миграции фильтрата полигонов твердых бытовых отходов для разработки практических мер охраны живой природы
