Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Теоретические и методологические основы управления эмиссионными потоками веществ на искусственных экосистемах хранения отходов 12
1.1 Показатели антропогенного загрязнения окружающей среды 12
1.2 Эмиссионные потоки веществ на объектах депонирования ТБО 17
1.3 Химические, санитарно-гигиенические и эпидемиологические показатели продуктов биодеструкции ТБО и методы их очистки 23
1.4 Системный подход к моделированию сложных искусственных экосистем хранения отходов 55
1.5 Основы научных исследований в области обезвреживания и биодеструкции отходов на санитарных полигонах захоронения ТБО 63
1.6 Научно-методологические подходы к вопросам проектирования полигонов ТБО 72
Выводы к первой главе 81
Глава 2 Концептуальные подходы к моделированию процессов, протекающих на искусственных экосистемах хранения отходов 84
2.1 Моделирование как метод исследования искусственных экосистем хранения отходов с целью управления их функционированием
2.2 Составление систем автоматического управления применительно к искусственным экосистемам. Изучение искусственной экосистемы хранения отходов как объекта управления 107
2.3 Разработка прогнозных моделей эмиссионных процессов, протекающих на искусственных экосистемах хранения отходов -полигонах (свалках) ТБО 111
2.4 Модели почвообразования на полигонах ТБО 116
2.5 Анализ рассмотренных моделей 124
Выводы ко второй главе 125
Глава 3 Исследования биохимических и эмиссионных процессов на полигонах (свалках) ТБО 126
3.1 Общая характеристика объектов депонирования ТБО в условиях Пермского края 126
3.2 Лабораторные исследования очистки фильтрационных стоков ТБО биохимическими методами 129
3.3 Лабораторные исследования трансформации вещественного состава фильтрационных стоков ТБО в технологической цепи их очистки... 135
3.4 Стабилизация процессов in siti "Beliiftung" на отработанных полигонах ТБО 141
3.5 Влияние процедуры проветривания на состав фильтрата в DSR... 153
3.6 Результаты экспериментов технологии "Beltiftung" на закрытом полигоне Кухстедт 160
3.7 Техническое оснащение на полигоне Кухстедт при внедрении технологии "Beltiftung" 166
Выводы к третьей главе 172
Глава 4 Исследования очистки стоков ТБО с использованием естественной экологической системы 175
4.1 Лабораторные исследования процесса очистки фильтрационных стоков ТБО водной растительностью
4.2 Геоботаническое и климатографическое обследования территорий свалок и полигонов ТБО Пермского края 182
4.3 Исследования управления качеством почвогрунтов на рекультивированных полигонах ТБО в Германии 191
4.4 Разработка технологических решений очистки стоков ТБО
на гидробиологических сооружениях 200
4.5 Рекомендации по очистке стоков полигона ТБО г. Нытва Пермского края 215
Выводы к четвёртой главе 220
Глава 5 Модели управления процессами протекающими на полигоне ТБО 222
5.1 Формально-математический аппарат применительно к задаче управления полигоном ТБО
5.2 Задание фазового пространства и системы переменных 224
5.3 Моделирование биохимических процессов 229
5.4 Моделирование физических процессов на искусственных экосистемах хранения отходов 239
5.5 Решение задач управления процессами на искусственных экосистемах (полигонах ТБО) 263
5.6 Использование фильтра Калмана в модели управления полигоном с учетом факторов неопределенности 270
Выводы к пятой главе 271
Глава 6 Принципиальные схемы и проектные решения по управлению эмиссионными процессами на полигонах ТБО 272
6.1 Оценка основных показателей жидкой фазы биодеструкции ТБО 272
6.2 Разработка принципиальной схемы управления полигоном ТБО... 273
6.3 Выбор технологических параметров по управлению полигоном ТБО 277
6.4 Управление жидкой фазой на объектах депонирования ТБО 279
6.5 Очистка фильтрата на локальных очистных сооружениях стоков ТБО 289
6.6 Разработка проектных решений по рекультивации полигонов ТБО 302
6.7. Разработка проектных решений. по внедрению измерительной техники на полигонах ТБО 316
Выводы к шестой главе 319
Глава 7 Научно-технические обоснования и методологические основы автоматизированного проектирования и управления искусственными экосистемами хранения отходов на всех этапах их жизненного цикла. 321
7.1 Разработка методов проектирования автоматизированных систем обработки информации и управления полигоном ТБО
7.2 Разработка программного инструментария конструктора проектировщика полигона ТБО 325
7.3 Этапы проведения работ на предпроектной стадии 326
7.4 Разработка программы мониторинга грунтовых вод, фильтрата и биогаза на санитарном полигоне ТБО 329
7.5. Проектирование, имитационное моделирование и комплексная отладка автоматической системы управления технологическим процессом АСУТП 340
7.6. Разработка системного комплекса автоматизации управления полигоном ТБО 344
Выводы к седьмой главе 356
Глава 8 Эколого-экономическая эффективность от внедрения методологических решений по моделированию искусственных экосистем хранения отходов и управления их функционированием 357
8.1 Аспекты влияния продуктов биодеструкции ТБО на окружающую среду 357
8.2 Эколого-экономическая эффективность от внедрения системы рекультивации полигонов ТБО с использованием промышленных и агропромышленных отходов 367
8.3 Оптимизация затрат на проектирование и строительство полигона ТБО 373
8.4 Оптимизация экономических показателей при обосновании внедрения автоматизированных систем управления полигоном ТБО... 378
Выводы к восьмой главе 385
Заключение 387
Список литературы 390
Приложения 420
- Показатели антропогенного загрязнения окружающей среды
- Моделирование как метод исследования искусственных экосистем хранения отходов с целью управления их функционированием
- Лабораторные исследования очистки фильтрационных стоков ТБО биохимическими методами
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Растущие потребности населения неизбежно порождают накопление миллионов тонн твердых бытовых отходов (ТБО). При средней норме отходов на душу населения в России 225— 250 килограммов в год ежегодное их накопление в стране достигает до 190 млн м3, а всего на территории России накоплено свыше 50 млрд т всех видов отходов. Несмотря на существующие технологии утилизации твердых бытовых отходов (сжигание, биокомпостирование, вермикультивирование) наиболее распространенным является простое захоронение (депонирование) на полигонах (свалках) ТБО, большинство из которых в России (98%) не соответствуют санитарным нормам и правилам.
Многими авторами объект депонирования ТБО во взаимосвязи с компонентами биогеоценоза рассматривается как искусственная биогеодина-мическая экосистема, функционирующая столетиями (П. Бруннер, П. Бачи-ни). В результате протекающих в толще отходов физико-химических и биохимических реакций образуются продукты трёх типов: фильтрат, биогаз и неутилизируемый твёрдый остаток. Эмиссии загрязняющих веществ с биогазом служат причиной неприятных запахов, взрывов и пожаров. Фильтрат и поверхностные стоки ТБО, содержащие значительные концентрации органических и высокотоксичных соединений 1,2,3-го классов опасности, в том числе ионы тяжелых металлов (ИТМ), принадлежащих к числу наиболее опасных в биологическом отношении загрязнителей окружающей среды, являются источником вредного воздействия на санитарные условия жизни и здоровья людей.
Особую проблему, как в России, так и зарубежом представляют также отработанные (закрытые) свалки (в частности, Altdeponie в Германии), где изначально не были предусмотрены системы отвода и очистки фильтрата и биогаза, отсутствуют исходная документация и информация о выделяющихся эмиссиях загрязняющих веществ, а в основании таких захоронений, как правило, не предусмотрена противофильтрационная защита. Такие объекты представляют серьезную угрозу для населения, вследствие бесконтрольных утечек фильтрата в поверхностные водоемы и грунтовые воды, загрязнения почв и растительности, а также служат источником неприятных запахов и эмиссий загрязняющих веществ с биогазом, повышающих пожарную и взрывопожарную опасность объекта.
Известные данные, что эмиссии загрязняющих веществ с биогазом выделяются в среднем 20-30 лет, а эмиссии загрязняющих веществ с фильтратом - столетия (по некоторым литературным данным процесс вымывания загрязняющих веществ из свалки продолжается до 1000 лет), свидетельствуют о необходимости контроля и очистки фильтрата ТБО на протяжении длительного периода времени. Планирование очистных сооружений с применением известных физико-химических и биологических (аэробных и анаэробных) методов на столь длительный период невозможно и экономически нецелесообразно. В настоящее время в России практически не решены прикладные задачи по биологической рекультивации свалок, очи-
стке сточных вод, утилизации биогаза на закрытых полигонах и реабилитации объектов биосферы, загрязненных продуктами биодеструкции ТБО.
Назрела необходимость создания технологий, направленных на управление процессами на полигонах (свалках) ТБО, стимулирующих процессы минерализации отходов и способствующих сокращению «жизненного цикла» объекта депонирования ТБО для достижения его "абсолютно нейтрального состояния" на стадии рекультивации. Разработка эффективных методов управления процессами на полигонах ТБО методами математического моделирования становится все более актуальной. Одним из подтверждений этому служит особенность объекта - полигона ТБО, состоящая в том, что эксперименты над ним затруднены и практически невозможны в реальном масштабе времени, а результаты экспериментов не воспроизводимы и не сравнимы. В связи с этим представляет интерес выявления критериев управления полигоном ТБО, находящегося под воздействием взаимосвязанных внешних (климатогеографических, гидрогеологических и т.п.) и внутренних (физических и химико-биологических) факторов.
Недостаточная разработанность теоретических и методологических подходов к решению проблемы моделирования и управления процессами на объектах депонирования ТБО на основе теоретических, натурных, лабораторных (физических) исследований, разработки имитационного, аналитического и численного моделирования, научно-методических обоснований и технологических решений с целью минимизации антропогенного воздействия полигона ТБО на объекты биосферы, подтверждает актуальность выбранной темы диссертационного исследования.
Разработанность проблемы. Актуальность вопросов управления процессами в технических системах и технологических комплексах, в том числе управления качеством и безопасностью объектов биосферы, переработки и способов утилизации и хранения отходов, обусловила то внимание, которое уделяется им в научной литературе и практике. Отечественными и зарубежными учеными предложены в этой области разработки, являющиеся научно-методической основой данной работы, по следующим направлениям:
Исследование процессов биохимичесого разложения отходов и технологии управления процессами на полигонах: уплотнение, измельчение ТБО, рециркуляция фильтрата и т.д. (Н.Ф. Абрамов, Я.И. Вайсман, А.Н. Мирный, В.В. Разнощик, К.Ф. Форстер, П. Бертокс, Л.В. Рудакова, Н.Ф. Гуляева, Т. Christensen, R. Cossu,R. Stegmann, P. Kjedsen, H. Cook, R. Cooper, H. Doedens и др.);
Математические модели контроля загрязнения воды и технологии очистки стоков, а также математическое моделирование в проблеме окружающей среды (Г.И. Марчук, В.В. Кафаров, А.Ю. Винаров, Л.С. Гордеев, П. Бертокс, Д. Радд, Н. Бейли, А.И. Жуков, И.Л. Монгайт, А.К. Запольский, Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, Н.И. Дружинин, А.И. Шишкин, Д.М. Минц, СВ. Яковлев, А. Джеймс);
Технологические вопросы очистки сточных вод, в том числе фильтрата и аспекты биологического самоочищения и деминерализации загряз-
ненных вод (B.C. Комиссаров, Г.И. Петров, А.В. Францев, В.Г. Хоботов, Л.О. Эйнер, К.Б. Якубовский, Н.И. Дружинин, Л.В. Кирейчева, М.А. Гла-зовская, В.Д. Быкова, Г.П. Калинина, М.В. Молоков, В.Н. Шифрин Т.Н., Т. Christensen, R. Cossu, R. StegmannP. Kjedsen, H. Cook, R. Cooper, H. Doedens и др.);
Системный подход в экологии и создание моделей и систем имитационного моделирования (GPSS, Stratum и др.), позволяющих описывать закономерности функционирования сложных систем и процессов управления (В.И. Гурман, Т.А. Акимова, В.В. Хаскин О.И. Мухин и др.);
Методы оптимального и автоматизированного управления технологическими процессами (А.Г. Бутковский, А.В Перельман, Л.С. Понтрягин, Р. Беллман, Я.М. Брайнес, Б.Я. Советов, Н.А. Саломатин, В. А. Бесекер-ский, О.Б. Низамутдинов, Р.А. Файзрахманов);
Теория биохимических реакторов, процессов и аппаратов химических производств, экологической биотехнологии (Я.М. Брайнес, В.В. Кафа-ров, 3. Штербачек, К.Ф. Форстер, Д.А. Дж. Вейз и др.);
Теоретические вопросы мелиорации и рекультивации загрязненных территорий, в том числе отработанных полигонов (свалок) ТБО (А. И. Голованов, И.П. Айдаров, В.И. Сметанин, А.Н. Мирный, В.В. Разнощик, Л.В. Рудакова, СВ. Максимова, R. Stegmann, J. Heerenklage, М. Ritzkowski и
др.)-
Необходимость комплексного подхода к управлению качеством и безопасностью окружающей среды на объектах депонирования отходов определили выбор автора относительно темы исследования и направления ее выполнения, а разработка научно-методических основ и технологических решений моделирования и управления процессами снижения эмиссий загрязняющих веществ на искусственных экосистемах хранения отходов -полигонах ТБО и их техническая реализация являются важной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является решение актуальной научно-практической проблемы, заключающееся в разработке методических основ и теоретического обоснования технологических режимов функционирования и управления процессами на искусственных экосистемах хранения отходов (полигонах ТБО), направленных на повышение их экологической безопасности.
Задачи исследований. Для достижения данной цели поставлены и решены следующие задачи:
Провести системный анализ достижений науки в области методического обеспечения планирования и постановки лабораторных, натурных и имитационных экспериментов по изучению технологических режимов функционирования искусственных экосистем хранения отходов - полигонов ТБО.
Разработать концепцию управления технологическими режимами функционирования искусственных экосистем хранения отходов, с учётом
влияния внешних и внутренних факторов среды, на основе теоретических и экспериментальных исследований.
Разработать систему математических и имитационных моделей управления технологическими режимами на полигонах ТБО.
Разработать методику оптимизации параметров управления технологическими режимами функционирования искусственных экосистем хранения отходов.
Разработать методические основы эффективного использования комплексов высшей водной растительности (ВВР) и нетоксичных производственных отходов для решения практических задач рекультивации закрытых объектов депонирования отходов.
Разработать методические основы системы комплексной очистки стоков ТБО с использованием естественных экологических комплексов, обеспечивающих эффективную очистку при наименьших экономических затратах с учётом теоретических, натурных и имитационных исследований.
Разработать информационную систему автоматизированной обработки и управления технологическими режимами на объектах депонирования отходов для обеспечения их безопасности и предотвращения эколого-экономического ущерба окружающей среде.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Научно-методические основы обоснования технологических режимов функционирования искусственных экосистем хранения отходов - полигонов ТБО, с учетом специфики состава отходов и интенсивности биохимических процессов, протекающих в массиве отходов при адаптации их к конкретным климатографическим ландшафтным условиям для управления процессами на полигонах ТБО и повышения безопасности их эксплуатации;
Концепции управления технологическими режимами функционирования искусственных экосистемам хранения отходов на основе математического, имитационного моделирования и управления потоками веществ в различном агрегатном состоянии на объектах депонирования отходов для снижения экологического ущерба и создания структуры экологического прогнозирования.
Система комплексной очистки стоков ТБО, позволяющая варьировать ступенями очистки в зависимости от изменений в химическом составе фильтрационных стоков и обеспечивающая в течение длительного периода времени эффективную очистку от загрязнений до уровня ПДК при сравнительно невысоких затратах.
Система рекультивации территорий, загрязненных объектами депонирования ТБО и реабилитации их в рекультивационный и пострекуль-тивационный этапы жизненного цикла полигона ТБО с использованием естественной экологической системы для снижения санитарно-эпидемиологической и взрывопожарной опасности.
Информационная система автоматизированной обработки и управления технологическими режимами на объектах депонирования отходов для обеспечения их безопасности и предотвращения эколого-экономического ущерба окружающей среде.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке авторского теоретико-методологического подхода к управлению потоками на искусственных экосистемах хранения твердых бытовых отходов - полигонах ТБО, который позволяет обеспечить обоснованное принятие решений по устойчивости и безопасности функционирования полигона ТБО и снизить эколого-экономический ущерб окружающей среде, в том числе:
разработаны теоретические основы системы очистки стоков ТБО, направленные на сокращение времени выделения опасного кислотного фильтрата, отличающиеся тем, что они позволяют варьировать ступенями очистки в зависимости от изменений в химическом составе фильтрационных стоков, обеспечивающих в течение длительного периода времени очистку стоков ТБО от загрязнений до ПДК при сравнительно невысоких затратах;
предложен способ очистки фильтрата ТБО от соединений тяжелых металлов, включающий предварительную обработку щелочным раствором в процессе многократной рециркуляции сквозь ТБО, отличающийся тем, что в качестве реагента используют раствор Са(ОН)2, который активно смешивают с фильтратом до достижения рН = 9,0-9,5; подтвержденный патентом на изобретение № 2162059 RU;
разработана система рекультивации отработанных полигонов (свалок) ТБО с использованием предварительно обработанных и обеззараженных до соответствия санитарно-гигиеническим требованиям промышленных и агропромышленных отходов, отличительной особенностью которой является особый экран, способствующий снижению выделяющихся эмиссий загрязняющих веществ.
разработана система очистки, загрязненных стоков ТБО с использованием высшей водной растительности (ВВР), подобранной среди естественно сформировавшийся на увлажненных участках полигонов (свалок) ТБО Уральского региона, в качестве агента очистки на гидробиологических сооружениях стоков ТБО с определением норм высадки, времени и динамики очистки;
разработана система динамических математических моделей на полигонах (свалках) ТБО, рассматриваемых массив ТБО как систему объектов с распределенными параметрами, позволяющих ставить и решать задачи анализа и синтеза процессов управления полигоном ТБО с учетом возмущающих факторов;
на основе предложенных моделей и алгоритмов разработаны методологические подходы к созданию информационных систем управления процессами на полигонах ТБО, способствующих снижению экономических затрат и созданию структуры экологического прогнозирования процессов на полигонах ТБО.
Практическая реализация работы. По результатам исследований разработаны методические указания и рекомендации по проектированию очистных сооружений для фильтрата ТБО, которые использованы комитетом по охране природы г. Краснокамска при составлении проектной документации по строительству городского полигона для твердых и нетоксичных отходов и комитетом по охране природы г. Нытвы при проектирова-
ний и строительстве второй очереди нового городского полигона ТБО. Результаты законченной научно-исследовательской работы по разработке рекомендаций по проектированию и строительству гидротехнических сооружений с целью мониторинга объектов гидросферы внедрены на санитарном полигоне ТБО для г. Слонима. Разработанные рекомендации по использованию техногенных грунтов ООО «Лукойл-ПНОС», загрязненных нефтеот-ходами на техническом этапе рекультивации Пермского полигона ТБО использованы 000 «Буматика» в проектной документации ІіИР по договору «О поставке жидких отходов». Программно-аппаратный комплекс по автоматизации управления и обработки информации на полигоне твердых бытовых отходов утвержден и принят к внедрению в жилищно-коммунальном отделе Свердловского района г. Перми. Теоретические положения и результаты научных исследований используются в лекциях и включены в методическую и учебную литературу при чтении курсов «Безопасность жизнедеятельности», «Экология» и «Экологический мониторинг».
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности управления эмиссионными потоками загрязнений на искусственных экосистемах хранения отходов достигается учетом специфики их состава, интенсивности биохимических процессов, протекающих в массиве отходов и внешних климатических факторов при адаптации к конкретным ландшафтным условиям.
Объектами исследования являются: искусственные экосистемы хранения отходов - полигоны ТБО (на примере полигонов России и Западной Европы), адаптированные к росту потребностей населения, влиянию факторов внешней и внутренней среды; физические модели - лабораторные стенды, математические модели - аналитическое, численное и имитационное моделирование.
Предметом исследования являются: технологические режимы функционирования искусственных экосистем хранения отходов; потоки веществ в различном агрегатном состоянии на объекте депонирования отходов, рассматриваемые как объекты моделирования и управления.
Методы исследования. При обосновании технологических режимов функционирования искусственных экосистем хранения отходов использовались органолептические, физико-химические, химико-аналитические, биологические методы, методы системного анализа. Модели разрабатывались с использованием общей теории систем, математического анализа, математической физики, статистики и случайных процессов. Использовались методы проектирования информационных систем основанные на концепциях управления. Методы исследования включали анализ, сравнение, обобщение, аналогию, статистическую обработку данных.
Достоверность научных результатов. Разработанная методология, комплекс моделей и технологий управления базируются на фундаментальных положениях ряда научных дисциплин, включая химическую технологию, теорию биохимических реакторов, экологию, биологию, математическую физику, теорию управления, системный анализ. Результаты подтверждаются данными натурных и лабораторных экспериментов.
Апробация работы. Результаты научных исследований по теме диссертации доложены на научных конгрессах и конференциях, таких как: Болгаро-Российских научных конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов «Проблемы охраны окружающей среды на урбанизированных территориях» (Пермь - Варна, 1996-1997); Региональной науч.-техн. конф. «Экология города» (Пермь, 1998); Международной научн.-техн. конф. «Энергосбережение, экология и безопасность» (Тула, 1999); конгрессах «Вайстек» (Москва, 2003, 2005); Международной науч.-практ. конф. МГУ-СУНИ «Человечество и окружающая среда» (Москва, 2004); третьей Всероссийской науч.-практ. конф. «Региональные и муниципальные проблемы экологической безопасности» (Бронницы, 2005); VI Международной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология. Человек. Общество» (Киев, 2003); I Всероссийской науч.-практ. конф. «Имитационное моделирование» (СПб., 2003); науч.-практ. конф. «Экологизация образования в XXI веке» (Екатеринбург, 2000); Всероссийской науч.-практ. конф. «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2006); международной науч. конф. студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001); VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2006 (Москва, 2006), а также на научно-практических семинарах Гамбургского технического университета и Гамбургского Дома ученых (Германия, 2002), других региональных и научно-технических конференциях в 1996-2006 гг.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Диссертационная работа выполнена в рамках целевой федеральной программы «Отходы» на 1996-2000 гг., целевых комплексных программ «Охрана окружающей среды Пермской области» и целевой комплексной программы «Экология Западного Урала (Разработка методов обезвреживания и утилизации ТБО и ПО на полигонах)». Представленная работа является обобщением результатов, полученных в рамках исследований в техническом университете Гамбурга при финансовой поддержке DAAD.
Полнота изложения положений и результатов, выносимых на защиту, в опубликованных работах. Результаты научных исследований по теме диссертации изложены в 78 публикациях (всего 52,14 п.л.), из них 2 монографии, 11 статей в центральной печати (30 п.л.), 6 из которых входят в список периодической печати, рекомендованного ВАК, 20 статей в международных изданиях и сборниках научных трудов (5,59 п.л.), 34 публикации в материалах международных и региональных конференций (3,05 п.л.), 7 информационных сообщений (1,5 п.л.), 4 учебно-методических публикации (12 п.л.).
Объём и структура работы. Работа изложена на 390 страницах, включает 103 иллюстрации и 52 таблицы, 482 наименования использованных литературных источников на 29 страницах, 2 приложения на 26 страницах.
Показатели антропогенного загрязнения окружающей среды
Главная задача современной экологии, как науки - консолидация различных её разделов и огромного фактического материала на единой теоретической платформе, сведения их в систему, отражающую все стороны реальных взаимоотношений природы и человеческого общества. Природа в целом сама по себе не знает экологических проблем в их сегодняшнем понимании. Если они и возникали у некоторых групп организмов, то решались, как правило медленным эволюционным путём на протяжении очень больших промежутков времени, когда замена одних форм другими происходила незаметно. В отличие от этого экологические проблемы человечества стали весьма существенными проблемами всей природы на Земле. Объём антропогенного воздействия на окружающую среду в XXI веке приблизился к пределу устойчивости биосферы, а по некоторым параметрам и превзошёл его [2]. Проявлением и свидетельством этого является образование огромного количества отходов, которые образуются на стадии создания материального продукта за счет остатков сырья, полуфабрикатов и т.д. Кроме этого в результате антропогенного воздействия в атмосферный воздух и водоемы поступают загрязняющие вещества с технологическими выбросами и сточными водами (газообразные и жидкие отходы). В процессе эксплуатации изделий возникают отходы потребления (тара, расходуемые материалы, запасные части и т.п.). Изделия, утратившие свои потребительские свойства, превращаются в мусор или твердые бытовые отходы (ТБО). Подсчитано, что каждый год в России скапливается только твердых бытовых отходов до 190 млн кубометров. Уже сейчас норма отходов на душу населения составляет в России в среднем 225-250 килограммов в год, а в развитых странах, таких как Бельгия, Великобритания, Германия, Дания, Италия, Швеция, Нидерланды, Швейцария, Япония, этот показатель уже в 1995-1996 годах достиг 340-440 килограммов, а в США превысил 720 килограммов на одного человека в год [326].
Общегосударственной инвентаризации отходов ни в СССР, ни в России ни разу не проводилось, поэтому по приблизительным оценкам на территории бывшего Советского Союза расположено несколько миллионов свалок, большинство из которых несанкционированные, являющиеся источниками повышенной экономической и санитарно-эпидемиологической опасности [229]. С каждым годом проблема отходов обостряется.
В крупных городах, где хозяйственная деятельность наиболее сконцентрирована и где на ограниченной территории сосредоточена значительная численность населения, происходит наиболее интенсивное накопление ТБО, которые при неправильном и несвоевременном удалении и обезвреживании представляют угрозу окружающей природной среде [238].
Только в Пермском крае на учете находятся более 400 свалок общей площадью свыше 2000 га. Из них только 160 свалок и ведомственных полигонов складирования отходов разрешены органами природы и администрациями территорий области. Примерно 240 свалок в области являются несанкционированными. В большинстве случаев санитарное состояние свалок неудовлетворительное, отмечаются серьезные нарушения действующих нормативных документов по безопасному размещению отходов, что наносит непоправимый ущерб окружающей среде [310, 16]. При сложившейся ситуации в городе Перми без внедрения промышленной переработки твердых бытовых отходов (ТБО) существует опасность, «обрастания» города в течение 25-35 лет десятками «могильников» [185].
Обезвреживание отходов - комплекс дорогостоящих мероприятий. Поэтому в последнее десятилетие, особенно после ужесточения экологических норм в развитых промышленных странах, бурно расцвёл бизнес, основанный на экспорте токсичных отходов. Между тем проблема утилизации собственных отходов в России стоит очень остро.
При выборе эффективных систем сбора, удаления, обезвреживания и использования ТБО исследуются состав и свойства ТБО по методикам [164]. При исследовании ТБО устанавливают морфологический и фракционный состав, плотность, влажность, химический состав. Эти характеристики зависят от типа объекта образования отходов, вида используемого топлива, климата, местных социальных, национально-этнических условий и других факторов, индивидуальных для каждого города. К физическим свойствам ТБО относятся: плотность, влажность, теплотворная способность, теплоемкость. Плотность ТБО может изменяться в зависимости от времени года, климатической зоны, фракционного и морфологического состава.
При работе с ТБО необходимо учитывать такие их свойства, как способность к слеживанию, механическую вязкость, коррозионную активность. Слеживаемость проявляется при длительной неподвижности ТБО, когда они теряют сыпучесть, самоуплотняются и способны выделять фильтрат (отжимную жидкость) без всякого внешнего воздействия. Механическая связанность определяется наличием волокнистых (текстиль) и армирующих (проволока, линейные куски древесины и др.) фракций [34].
Важным показателем управления биохимическими процессами является влажность ТБО. Общая влажность средней массы ТБО по России доходит до 60% [353]. При отсутствии соответствующих условий для проведения анализа можно воспользоваться упрощенным методом определения свойств отбросов на основе имеющихся сведений об их теплотехнических свойствах [164].
Одним из важных количественных показателей в организации очистки городов от ТБО является накопление отходов, образующихся за дискретный, период на расчетную единицу (человек для жилищного фонда; одно место в гостинице; 1м2 торговой площади для магазинов и складов и т.д.).
Ориентировочные нормы накопления ТБО в зависимости от источников их образования определены СНиП П-60-75 (на 1 чел/год). Для крупных городов нормы накопления ТБО составляют 260-280 кг/год на человека при средней плотности этих отходов 190-200 кг/м3. Морфологический состав ТБО в Пермском крае и Российской.Федерации представлен в работе [353].
Состав ТБО за последние десятилетия существенно изменился. Если в начале столетия мусорные свалки состояли в основном из остатков продовольствия и тяжелой фракции канализационных стоков, то сейчас на первом месте находятся такие компоненты, как бумага, стекло, полимеры, металлы. Показателен в этом отношении анализ, проведённый Европейской ассоциацией утилизации ТБО в 1993-1995 гг. Установлено, что объём сухих отходов (бумага, стекло, пластмасса, металл, текстиль) ныне уже в два раза превышает объём органических отходов (остатки продовольствия, тяжёлые фракции канализации). Динамика изменения морфологического состава отходов в различных странах показывает значительное увеличение процентного содержания полимеров в ТБО в большинстве стран [34]. В промышленно развитых странах, таких как Япония и государства Европейского Союза, доля полимерных материалов наибольшая - 10-15%, в России, в частности в г. Москве - 6%, что практически в 10 раз превышает показатель 1950 года. Это связано с большим применением в последние десятилетия полимерной упаковки [326].
В настоящее время широко распространены два основных способа переработки ТБО: сжигание и биокомпостирование. В экономически развитых странах все меньше бытовых отходов вывозится на свалки и все большее их количество перерабатывается промышленными способами. Самый эффективный из них - термический. Он позволяет почти в 10 раз снизить объем отходов, вывозимых на свалки, причем несгоревший остаток уже не содержит органических веществ, вызывающих гниение, самопроизвольное возгорание и опасность эпидемий.
Моделирование как метод исследования искусственных экосистем хранения отходов с целью управления их функционированием
Основным направлением в исследовании искусственных экосистем, с целью существенно упростить исследование, т.к. моделирование всегда сопряжено с той или иной степенью абстрагирования объекта от реальности, подлежащей исследованию, было исключение второстепенных особенностей и элементов рассматриваемой системы. Модели в данном случае рассматриваются как аналоги реальной системы с позиций основных характеристик и свойств, отражающих важнейшие принципиальные особенности процессов, подлежащих изучению в данном цикле исследований. Эти особенности моделирования позволили повысить эффективность исследований и разработок в первую очередь с точки зрения сокращения времени исследований. С одной стороны, создание физических моделей в данном случае затруднено было отсутствием достаточного объема аналогических методов исследования, которые давали бы достаточное количество достоверных данных, а с другой стороны, исследование управления реальной системой, в данном случае с полигоном ТБО в рамках его жизненного цикла, невозможно либо затруднительно по техническим, экономическим и временным причинам (например, жизненный цикл полигона ТБО более 1000 лет). Однако предварительное проведение натурных и лабораторных экспериментов, исследование реальных систем позволили снять ряд ограничений и упрощений перед последующим проведением математического моделирования и установлением закона управления данным объектом. Разработка математической модели объекта депонирования ТБО является чрезвычайно сложной задачей. Возможности решения этой задачи в полном объеме в настоящее время ограничены. Основные подходы к моделированию процессов, протекающих на полигоне ТБО, изложенные в данной работе, представлены в виде структурной схемы на рисунке 2.1.
В качестве наиболее точного описания процессов выступает биохимический реактор (первый уровень), который включает физико-химические и биологические модели. На втором уровне размещены регрессионные модели, в основе которых лежат приближенные эмпирические зависимости, полученные экспериментальным путем. На внешнем уровне размещен контур управления биодеструкцией отходов на полигоне захоронения ТБО. Функциональным назначением модели управления полигоном ТБО является установление зависимости переменных состояния этого объекта от возмущающих и управляющих воздействий. Как правило, модель объекта - это упрощенное описание, учитывающее наиболее существенные свойства при решении задачи управления [183]. Можно выделить стационарный и динамический режимы функционирования объекта. С точки зрения управления нужно уменьшить отклонение от стационарного режима, причина которого из-за сложности его выявления может быть несущественна.
Изображение существенных сторон поведения реального объекта, определяющее наиболее полную информацию о нем, должно быть отражено в его модели [145]. В частности, при составлении уравнений математических моделей процессов, протекающих на объекте депонирования ТБО, необходимо учитывать: гидродинамические режимы перемещения веществ; скорости физико-химических превращений, диффузии, передачи тепла и т.д.; уравнения материального и энергетического (теплового) баланса; уравнения фазовых превращений и др. Вместе с тем главной характеристикой модели является ее относительная простота. Нахождение компромисса между точной передачей свойств объекта и простотой описания является одним из вопросов проблемы выбора и обоснования требуемой модели. Решение данного вопроса состоит в определении математического аппарата, который с достаточной степенью точности описывает явление, если, конечно, физико-химический механизм этого явления полностью ясен. Отсутствие подробных сведений требует привлечения эмпирических моделей. Оба приведенные подхода к формированию модели объекта являются в некотором смысле крайностями, поэтому реально используемые модели занимают промежуточное положение. Проблемой при выборе модели данного объекта может являться большое число переменных состояния. Это обстоятельство вызывает трудности, связанные с увеличение порядка уравнений (многомерные модели), что неизбежно приводит к росту затрат на расчет и реализацию алгоритмов управления системы в целом. Объект может быть представлен в классе динамических систем с сосредоточенными параметрами.
Лабораторные исследования очистки фильтрационных стоков ТБО биохимическими методами
Обработку экспериментальных данных проводили методом интерполяции полиномом степени равной количеству точек измерения при использовании пакета Excel. Из рисунка 3.2 видно, что наибольшие объёмы газов и фильтрата выделялись при насыщении массы до 80%-ной влажности. Сопоставление кривых 1, 2, 3 показывает, что максимальные значения объемов образовавшихся газов во всех трех случаях совпадают с максимумами выходов фильтрата. Стабилизация значений рН фильтрата указывает на вступление массы депонированных отходов в "метановую" фазу.
Адсорбционная способность отходов с влажностью 60 и 80% в первоначальный период была невелика, но при этом максимальное выделение фильтрата наблюдалось в более ранний период.
В то же время у отходов с влажностью, близкой к 40%, адсорбционная способность росла и время максимального выделения фильтрата наступило значительно позже (см. рисунок 3.2 б, кривая 3). Следует отметить, что влагосодержание отходов в процессе биодеструкции поддерживалось на одном уровне.
Наиболее существенное изменение плотности отходов наблюдалось в случае биодеструкции отходов с исходной влажностью 40%, которая изменилась от 0,24 до 0,55 г/см3. Изменение плотности отходов с исходной влажностью 60 и 80% было незначительным. Первоначальный объем данных отходов в процессе биоразложения уменьшился в среднем на 25%. По результатам исследований сделаны выводы:
1. Образование фильтрата имело тенденцию к уменьшению после наступления метановой фазы (рН=7-7,5). В данном случае это было следствием высокой влагопоглащающей способности отходов и протекания реакций биодеструкции органического вещества, а также возможного уноса газа в виде пара, т.к. процесс вели при повышенной температуре.
2. В ходе эксперимента по биодеградации отходов с различной исходной влажностью, содержащей в своем составе 32% бумажных отходов, внешний вид ТБО изменился незначительно и признаки разложения бумажной фракции практически отсутствовали. Объем отходов в исследуемых образцах снизился в среднем на 25% от первоначального значения в результате процесса слеживаемости и биодеструкции пищевых отходов, составляющих 20% от общей массы исследованных ТБО.
3. Наибольший объем и скорость выделившегося газа отмечается при исходной влажности 80%. Причем, в ходе подготовки пищевые отходы были заведомо разделены на жиро-, белково-, и углеводоподобные для предварительного подсчета максимального количества газа по формуле (1.18). Газовыделение при разложении отходов с максимальной влажностью 80% составило 74%, с влажностью 60% составило 51 % и с влажностью 40% составило 37% от максимального (теоретического) газовыделения с данного объема пищевых отходов (см. рисунок 3.2 а, кривые 1,2,3).
4. Свидетельством того, что процесс завершился явилось изменение окраски (цветности) фильтрата. Время анаэробного разложения данной массы отходов составило фактически 5 дней.
Исследования показали, что наиболее интенсивно процесс биодеструкции протекает при увлажнении массы до 80%. Учитывая, что отходы, поступающие на свалку, имеют в среднем влажность 55-60%, а в засушливый период влажность ТБО может снижаться до 30%, вопрос принудительного увлажнения отходов для ускорения процессов стабилизации становится наиболее актуальным. В свете этого особое внимание необходимо уделить процессу рециркуляции фильтрата, стабилизированного по рН.
Таким образом, для ориентировочной оценки фазового состояния объекта депонирования твердых бытовых отходов необходимым и достаточным является определение рН фильтрата. Ускорение стадии метаногене-за может быть достигнуто путем принудительного влагонасыщения складируемых отходов до оптимальной влажности (60-70%) путем многократной рециркуляции фильтрата сквозь массу ТБО.
Проведенные предварительные исследования по биодеструкции отходов позволили перейти к более сложному этапу исследовательских работ: созданию лабораторных установок биоразложения отходов для получения фильтрата и изучения процессов его очистки.
