Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПОЛИГОН КАК ОБЪЕКТ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ЗАКРЫТЫХ СВАЛОК 13
1.1. Жизненный цикл объектов захоронения ТБО 15
1.2. Твердые бытовые отходы, их трансформация в рабочем теле полигона 26
1.3. Анализ опыта использования территорий закрытых свалок захоронения твердых бытовых отходов 38
1.4. Постановка цели и задач исследования 45
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ СВАЛОЧНОГО ГРУНТА МАССИВОВ ЗАХОРОНЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ СВАЛОК ТБО ПЕРМСКОГО КРАЯ 49
2.1. Характеристика свалочных тел 51
2.2. Исследование физико-механических свойств свалочного грунта 53
2.3. Статистическая обработка результатов лабораторных-, измерений физико-механических свойств свалочного грунта 65
Выводы по главе 80
ГЛАВА 3. СВАЛОЧНЫЙ ГРУНТ КАК ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ РЕСУРС 81
3.1. Анализ микробиологических исследований свалочного грунта старых карт складирования ТБО на примере действующей свалки г.Перми «Софроны» 82
3.2. Анализ загрязненности свалочного грунта тяжелыми металлами. Определение направлений его использования 87
3.3. Требования к техническим почво-грунтам из бытовых и промышленных отходов 99
Выводы по главе 104
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА ОБЪЕКТОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО 106
4.1. Оценка ресурсного потенциала закрытых полигонов на примере старых карт (20-25 лет) захоронения действующей свалки ТБО г. Перми «Софроны» 106
4.2. Закономерности изменения ресурсного потенциала рабочего тела объектов захоронения ТБО 113
4.3. Рекуперация ресурсов при захоронении ТБО 131
Выводы по главе 135
ГЛАВА 5. РЕКУПЕРАЦИЯ ПЛОЩАДОК ЗАХОРОНЕНИЯ ТБО 136
5.1. Модель изменения геометрического объема рабочего тела полигона. Математическое описание рециркуляции площадок захоронения ТБО 137
5.2. Схема освоения площадки. Направленный вычислительный эксперимент 147
5.3. Технология рекуперации площадки захоронения ТБО 152
Выводы по главе 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
- Жизненный цикл объектов захоронения ТБО
- Исследование физико-механических свойств свалочного грунта
- Анализ микробиологических исследований свалочного грунта старых карт складирования ТБО на примере действующей свалки г.Перми «Софроны»
Введение к работе
Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является одной из острейших задач управления экологической безопасностью урбанизированных территорий, поскольку социально-экономическое развитие общества, ориентированное на быстрые темпы экономического роста и потребления, породило беспрецедентное загрязнение окружающей среды бытовыми отходами. Подсчитано, что каждый год в нашей стране скапливается около 140 миллионов кубометров твердых бытовых отходов.
Традиционно бытовые отходы вывозились на свалки, расположенные вблизи населенных пунктов. На городских свалках даже среднего по величине города ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов. Разлагаясь, они отравляют воздух, почву, подземные воды и превращаются в серьезную опасность для окружающей среды и человека.
В то же время известно: твердые бытовые отходы являются источником вторичных ресурсов. Себестоимость металла стекла, бумагш и прочего, получаемого из вторичного сырья, составляет 20- 30 % от стоимости их получения из первичного сырья: металлолом, например, не требует ряд сложных предварительных операций обогащения руд. Аналогично можно отметить использование боя стекла. При этом не надо вырубать лес, копать карьеры, нарезать шахты и т.п. Следовательно, отходы являются выбрасываемым природным ресурсом. В ряде зарубежных стран переработка мусора — одна из доходных отраслей бизнеса. Учеными США подсчитано, что металлы, извлеченные из твердых отходов, могут обеспечить национальную потребность в железе на 7 %, в алюминии - на 8 % и в олове -на 19 %. Средний по размерам город областного значения в России располагает большим количеством алюминия, чем небольшая бокситовая шахта, меди - чем средние медные копи. Однако и на сегодняшний) день захоронение ТБО, по сравнению с другими методами и технологиями обезвреживания, остается наиболее популярным способом утилизации отходов.
Примерно каждые пять лет размер селитебных земель в городах увеличивается в среднем на 20%. Следствием этого становится дефицит земельных площадей, увеличение протяженности пути до полигонов; ТБО, рост транспортных расходов и, в целом, цены захоронения. Среднее по России расстояние вывоза твердых бытовых отходов составляет 20 км, однако в некоторых крупных городах с населением свыше 500 тыс. жителей оно возрастает до 45 км и более. В странах Запада цена утилизации увеличивается на 1 доллар с каждой милей, на которую перевозят 1 т мусора. Для России дальность вывоза ежегодно возрастает в среднем на 1,5 км, а себестоимость транспортировки ТБО, соответственно, на 15-20 %.
В последнее время все большую роль играют международные соглашения по охране природы, особенно в тех направлениях, которые координируют отношения по обращению с отходами. Вследствие постоянной угрозы здоровью населения, исходящей от свалок ТБО (загрязнение грунтовых вод, неприятный запах, дым от частых самовозгораний и пр.), во многих странах стали принимать более строгие правила для их размещения, конструкции и эксплуатации. Отрицательное отношение населения и новые стандарты делают открытие новых объектов, захоронения твердых бытовых отходов все более сложным делом. С другой стороны, во всем мире старые, закрытые свалки ТБО - нарушенные территории, сопутствующие городам. Поскольку процесс разложения и ассимиляции отходов - длительный процесс, то данные территории надолго выбывают из активного землепользования. В настоящее время в Российской Федерации свыше 40 тыс. га занято действующими полигонами, кроме того, около 50 тыс. га составляет площадь закрытых свалок. Дополнительно ежегодно для захоронения ТБО отчуждается около 1 тыс. га. Практически 80 % объектов захоронений находятся в неудовлетворительном санитарном состоянии.
В последние годы в мире все сильнее проявляется интерес к разработке старых свалочных тел. Известна практика использования закрытых полигонов в качестве пассивных рекреационных зон - парки, зеленые зоны, так и активные - спортивные площадки, поля для игры в гольф. Имеет место и коммерческое использование под склады, автостоянки, легкие металлические конструкции, дороги с твердым покрытием; а также гражданское строительство - здания без подвалов и технических подполий. Однако при осуществлении строительства возникает много проблем, т.к. существующая практика складирования отходов приводит к неравномерности распределения очагов генерации биогаза и гетерогенность свойств свалочного грунта. Оседание свалочного тела вызывает проблемы инженерно-технического и геотехнического характера, такие как низкая несущая способность основания, наличие неравномерной осадки и пр. Таким образом, на сегодняшний день имеем следующее:
1) складирование ТБО на свалках имеет глубокие исторические корни и представляет собой вынужденное, сиюминутное решение проблемы, в принципе противоречащее экологическим и ресурсным требованиям;
2) использование полигонов захоронения ТБО, по сравнению с другими методами и технологиями обезвреживания, на сегодняшний день остается наиболее популярным способом утилизации отходов;
3) в общепринятой схеме захоронения ТБО наблюдается ряд существенных недостатков:
постоянная потребность в новых земельных площадях, т.к. с ростом населенных мест участки, отведенные под полигоны захоронения ТБО, быстро заполняются;
-8 ТБО содержат вторичные материальные ресурсы (BMP), например: стекло, метал, полиэтилен и пр., которые оказываются выброшенными, невостребованными;
площади земельных участков, отводимых под полигоны, эксплуатируются в течение 15 - 20 лет и затем, после рекультивации, надолго (50 - 100 лет) выбывают из активного землепользования;
за столь долгий срок действующие законодательные акты ужесточаются и закрытые полигоны ТБО перестают соответствовать нормативным требованиям;
существующая практика захоронения твердых бытовых отходов приводит к нарушению земель, непосредственно не отведенных под складирование отходов, поскольку для изоляции ТБО требуются почво-грунты, завозимые извне;
большие непроизводительные затраты на постэксплуатационное обслуживание полигонов;
4) активному инженерному освоению территорий старых свалок и, прежде всего, строительству зданий и сооружений гражданского назначения препятствуют и специфические геотехнические условия, формирующиеся в свалочном теле.
В тоже время известно, что твердые бытовые отходы, содержащие органические вещества природного происхождения, на свалках претерпевают ряд изменений, особенно органическая составляющая, которая в первую очередь будет подвергаться биохимическому разложению. В процессе биодеградации твердых бытовых отходов происходит потеря их массы на 35-40 %, т.е. освобождается часть занятого объема и к тому же образуется относительно стабильный, содержащий гумусовые вещества, конечный продукт. Как известно, отходы, содержащие органические вещества, являются основной составляющей при получении компоста. Следовательно, можно предположить, что материал, получаемый при деструкции твердых бытовых отходов на свалках, должен быть близок по своим качествам к почво-грунтам.
Для захоронения ТБО образующихся в городе с населением 1 млн. жителей при усредненной норме образования 1,53 м /чел.год в течение 64 лет потребуется 312 га земли, причем в первые 25 лет - 78 га, а в дальнейшем потребная площадь будет увеличиваться. Напрашивается решение -использовать одну и ту же площадку неоднократно. Проведенные расчеты показали, что данную площадку в 78 га можно использовать в течение 64 лет и таким образом не занимать 234 га под захоронение ТБО.
Многократное использование площадок захоронения ТБО (рекуперация площадок) позволит:
- продлить время эксплуатации отведенных для захоронения ТБО территорий;
- избежать отвода и загрязнения новых территорий;
- получать вторичные материальные ресурсы (стекло, металлы, пластики и пр.);
- использовать отсортированную часть свалочного грунта (инертную и почвоподобную составляющие) для изоляции вновь складируемых отходов, что позволит исключить разработку карьеров грунта;
- санировать старые свалки, не отвечающие нормативным требованиям, поддерживать состояние мест захоронения на должном уровне;
- снизить в целом затраты на стадии инвестиций, капитальные, эксплуатационные, и постэксплуатационные затраты.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Рабочее тело полигона захоронения ТБО обладает ресурсным потенциалом, имеющим свои качественные и количественные характеристики. Свалочный грунт - возобновляемый ресурс, техногенного происхождения.
2. Изменение массы биоразлагаемых составляющих ТБО в рабочем теле полигона от времени складирования описывается показательной зависимостью. Изменение других составляющих ТБО, изменение ресурсного потенциала РТП от времени складирования описываются полиномиальными зависимостями.
3. Математическая модель изменения объема рабочего тела полигона в зависимости от состава и технологии складирования. Функциональная модель многократного использования участка захоронения отходов.
4. Способ многократного использования площадок захоронения ТБО, обеспечивающий использование аккумулированных в рабочем теле полигона BMP, экономию земельных ресурсов, постоянную экологическую безопасность объектов окружающей среды.
Научная новизна результатов исследований:
1. Установлены качественная и количественная характеристики ресурсного потенциала рабочего тела полигона ТБО на постэксплуатационном этапе. Выявлено образование возобновляемого ресурса - технического почво-грунта.
2. Получены закономерности, описывающие изменение массы биоразлагаемых составляющих ТБО в рабочем теле полигона от времени складирования. Установлены предельные количества теряемой и переходящей в грунтовый материал массы биоразлагаемых составляющих ТБО.
3. Установлена регрессионная зависимость изменения ресурсного потенциала массива захоронения ТБО от времени складирования.
4. Разработана функциональная модель многократного использования площадки захоронения. Получена математическая модель изменения объема рабочего тела полигона в зависимости от состава отходов, технологии и времени складирования.
5. Разработан способ рекуперации участка захоронения отходов, позволяющий многократно использовать площадки захоронения ТБО, экономить земельные ресурсы, использовать вторичные материальные ресурсы и обеспечивать соответствие объектов захоронения ТБО нормативным требованиям.
Практическая значимость результатов исследований:
Установлена возможность использования технического почво-грунта, получаемого на основе свалочного грунта объектов захоронения ТБО, для технологических нужд полигонов, проведения рекультивации и восстановления нарушенных земель, при планировке, формировании ландшафтов, благоустройстве и озеленении промышленных территорий, создании лесополос. Результаты проведенных исследований были использованы при разработке ТУ 571190-002-02069065-2007 на технический почво-грунт, ТУ990000-003-02069065-2007 на компост из ТБО. Получен патент на способ многократного использования площадок размещения полигонов ТБО. Разработанная технология рекуперации участков захоронения ТБО позволяет увеличить срок службы полигона, получать вторичные материальные ресурсы, рекомендована для проектных НИИ, организаций в сфере ЖКХ, в сфере обращения с отходами. Результаты исследований использованы в учебном процессе, при дипломном и курсовом проектировании студентов направления 280200 «Защита окружающей среды» Пермского государственного технического университета.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на международных конгрессах по управлению отходами «ВэйстТэк-2003, 2005, 2007» (г.Москва) в 2003,
2005, 2007 г.г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды», Пермь, 2005 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, общий объем которых составляет 63 п.л., из них лично автора - 47 п.л.; разработаны нормативно-технические документы; получены авторские свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 179 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 140 наименований, из них 33 на иностранных языках и 10 приложений. В ней содержится 27 рисунков и 51 таблица.
Жизненный цикл объектов захоронения ТБО
Виды объектов захоронения ТБО. Полигоны: цель, назначение Анализ, исторических тенденций в развитии методов и технологий захоронения ТБО на полигонах позволяет выделить четыре основных этапа: 1 - неорганизованный выброс ТБО в пределах населенных мест; 2 — неконтролируемые свалки; 3 - контролируемые свалки (Sanitary Landfill) и простые системы рециркуляции отходов на основе элементов селективного сбора и сортировки с последующей утилизацией ценных компонентов; 4 -полигоны сухого вечного захоронения стабилизированных и минерализованных неутилизируемых отходов после селективного сбора, сортировки, биологической и термической предварительной подготовки, и обезвреживания, рекуперации и утилизации ценных компонентов,и энергии [10 - И]. В Европейских странах и- США вплоть до конца-XIX века, а в России - до начала-XX века основным методом обезвреживания-ТБ0/была неконтролируемая свалка без земляной пересыпки твердых бытовых отходов. В первых десятилетиях XX века в странах Запада на смену неконтролируемым неорганизованным свалкам появляются новые усовершенствованные свалки - полигоны для захоронения твердых бытовых отходов. На этих полигонах был реализован принцип послойного уплотнения и земляной пересыпки ТБО, устройство слабо проницаемых экранов; под массивом захоронения отходов (рабочим телом полигона), сбора, отвода и очистки дренажных и ливневых вод, дегазация массива отходов. Такие усовершенствованные контролируемые «санитарные» свалки ("Sanitary Landfill") большое развитие получили в шестидесятых-семидесятых годах в Великобритании, Франции, ФРГ. Особенно детально были разработаны технология и методы захоронения твердых бытовых отходов на таких полигонах в ФРГ, где был принят ряд законодательных документов и подзаконных актов и они получили название "Geordnete Deponie".
В СССР первые усовершенствованные свалки появились в конце шестидесятых годов (Ростов - на - Дону), однако они создавались без учета передового зарубежного- опыта и в силу экономических ограничений не соответствовали требованиям, предъявляемым к полигонам захоронения ТБО в развитых Европейских странах, не обеспечивали необходимую степень защиты окружающей среды от загрязнения. От обычных неконтролируемых свалок они отличались только организацией входного контроля при приеме ТБО, разравниванием отходов, их частичным уплотнением и послойной засыпкой землей. Разработки и проектирование нового поколения полигонов для захоронения твердых бытовых отходов, где предусматривались необходимые природоохранные мероприятия - водонепроницаемое основание, послойное уплотнение и ежедневная засыпка грунтом, многоярусное складирование, бессточная система и рекультивация полигонов после прекращения приема ТБО начались только в восьмидесятых годах прошлого столетия.
Известно более десятка технологических схем захоронения ТБО на полигонах: по способу размещения ТБО - поверхностные и траншейные; по типу участков - плоские, овражные, карьерные; по биологической технологии - аэробные и анаэробные; по подготовке ТБО к захоронению - с сортировкой, дроблением, отбором утильных фракций и т.д. Несмотря на разнообразие технологических схем и условий размещения площадок наиболее часто для крупных полигонов в нашей стране используются плоские участки с поверхностным складированием в анаэробных условиях без предварительной сортировки и дробления ТБО.
На данный момент в РФ свыше 40 тыс. га занято действующими полигонами, кроме того, около 50 тыс. га составляет площадь закрытых свалок и полигонов. Дополнительно ежегодно для захоронения» ТБО отчуждается около 1 тыс. га. Практически 80 % объектов захоронений находятся в неудовлетворительном санитарном состоянии [19, 25 - 30].
Современные полигоны - это комплексы природоохранных сооружений, предназначенные для складирования, изоляции и- захоронения-ТБО или их остатков, обеспечивающие защиту от загрязнения атмосферы, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствующие распространению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов, обеспечивающие санитарно-эпидемиологическую безопасность для проживания населения [31 - 40]. В пределах ограниченной территории происходит концентрация значительного количества материалов и загрязняющих веществ. Полигоны можно классифицировать по: способу захоронения - подземные, наземные; количеству обслуживаемого населения - 50 - 100 тыс.чел., 100 - 1000 тыс.чел, свыше 1000 тыс.чел; технологии- складирования - высоконагружаемые, высотные. Они представляют собой сложные инженерные сооружения и оборудуются по специальной технологии.
Исследование физико-механических свойств свалочного грунта
Фракционный состав свалочных новообразований различен. Крупные фракции находятся в виде обломков стройматериалов и компонентов отходов. Фракции среднего размера представлены инертными и неразложившимися компонентами ТБО (стекло, древесина, пластмасса, резина, металл, углеобразные частицы, и т.п.). Мелкие фракции являются смесью продуктов разложения ТБО и минеральных компонентов, унаследованных от грунтов пересыпки, представлены в виде сыпучего, практически бесструктурного, темно-серого материала.
Свалочным напластованиям свойственна слоистая структура, которая формируется в процессе укладки отходов и пересыпки их минеральными грунтами, как правило, суглинистыми или глинистыми.
Закрытая городская свалка ТБО г.Перми «Голый мыс». Прием твердых бытовых отходов прекращен с 1982 года. Эксплуатация длилась около 30 лет. Объект находится в непосредственной близости к городской застройке. Глубина залегания грунтовых вод 3-5 м. Территория свалки используется в зимнее время под снеговую свалку. Площадь массива захоронений по данным рекогносцировочных исследований составляет 30 га. Мощность отходов достигает 5 м.
Свалочные грунты характеризуются как рыхлые, местами слежавшиеся. В отобранных пробах разложившихся свалочных напластований выделены фракции крупных инертных включений, представленные неразложившимися компонентами ТБО? (стекло, древесина, пластмасса, резина, металл и т.п.), и органо-минерального заполнителя.
Действующая городская свалка ТБО г.Краснокамска. Свалка расположена в 1,0 - 1,2 км севернее жилой застройки г.Краснокамска, в непосредственной близости к северо-западной части золоотвала Закамской ТЭЦ-5. Объект эксплуатируется с 1963 года. Расчетный срок эксплуатации (15 лет) истек, однако она действующая. Геологические условия и-большое количество атмосферных осадков обуславливают высокое положение грунтовых вод (0,0 —1,1 м от поверхности земли) на данной территории. Площадь свалки по данным рекогносцировочных исследований составляет 7,8 га. Мощность слоя отходов -4 м. Состав ТБО представлен: 75-80 % -стекло, пластмасса, бумага, текстиль, древесина и 20-25 % - пищевые отходы. Условия эксплуатации свалки не отвечают нормативным требованиям.
Важным фактором, влияющим на формирование свалочного грунта обследованных объектов, является процесс горения. Периодическое горение наблюдалось на всех рассматриваемых объектах [ПО - 111]. В первую очередь выгорают бумага, садово-парковые отходы, текстиль, и другие углеродсодержащие компоненты. Как результат можно ожидать высокой степени озоления и минерализации свалочной толщи. Должно происходить образование твердой минеральной структуры с высокой пористостью, содержащей крупные инертные включения.
Анализ микробиологических исследований свалочного грунта старых карт складирования ТБО на примере действующей свалки г.Перми «Софроны»
В данном разделе проведен анализ результатов микробиологических исследований свалочного материала старых карт захоронения (20-25 лет) полигона «Софроны», которые проводились на кафедре ООС ПермГТУ (Зайцева Т.А., Рудакова Л.В.). Для обнаружения, микрофлоры в пробах свалочного грунта использовались общепринятые в микробиологической практике методики [115 - 120].
Общее количество микроорганизмов в исследуемых образцах, в пересчете на 1 грамм влажного и абсолютно сухого веса свалочных новообразований составили десятки миллионов клеток, Приложение 4.
Анализ оценки санитарно - бактериологического состояния исследуемых свалочных грунтов (по наличию сапрофитной микрофлоры и бактерий группы Coli) показал, что численность сапрофитов не превышает их содержание в зональных почвах, но- несколько выше, чем в почвах с урбанизированных территорий. Общее же количество микрофлоры не соответствовало почвам с большим содержанием органических веществ, в которых численность микроорганизмов достигает десятков и сотен миллиардов клеток в 1 грамме. Следовательно, можно предположить, что основная масса доступного для микрофлоры органического вещества, содержащегося в свалочном грунте, деструктурирована. Кроме того, обнаруженное большое количество спороносных бацилл также свидетельствовало о малом количестве органического вещества.
Анализ содержания микроскопических грибов в свалочном грунте свидетельствует о том, что отличительной чертой свалочного грунта, по сравнению с зональной и урбанизированной почвами, является их более высокая численность ( от 0,4 до 0,8 % общего количества микроорганизмов, в то время как- в дерново-подзолистой почве их содержание в среднем составляет 0,2 %). Кроме того они представлены родами Mortierella, Mycogone, Penicillium, которые являются типичными для подзолистых и дерново-подзолистых почв [121]. Большая часть представителей микроскопических грибов являются активными деструкторами целлюлозы (за исключением грибов рода Mortierella, которые расщепляют легкоразлагаемую органику). Обнаруженный в свалочном грунте видовой состав деструкторов целлюлозы представлен в Приложении 4. Выделенные виды целлюлозоразрушающих микроорганизмов относятся к числу наиболее распространенных видов, присутствующих в дерново-подзолистой почве [122- 124].
Анализ содержания общего количества азотобактера (род свободноживущих азотфиксирующих аэробных бактерий, главным образом в окультуренных почвах) показал соответствие содержания в почвах урбанизированных территорий. Выделенные виды азотобактера относились к активным азотфиксаторам. Разложение органических азотсодержащих соединений подщелачивает среду до 8,9. В щелочной среде аммиак находится в свободном состоянии и может угнетать деятельность нитрифицирующих бактерий. Видимо поэтому в свалочном грунте были обнаружены только представители рода Nitrosomonas, вида Nitrosomonas еигора - являются постоянными обитателями почвы.
Анализ интенсивности и направленности микробиологических процессов трансформации органического вещества в свалочном грунте проводился на, основе подсчета отношения отдельных групп микроорганизмов и коэффициент микробной сукцессии «К», таблица 3.2. Для оценки интенсивности протекающих в свалочном грунте биохимических процессов была определена его дегидрогеназная активность, проведено сравнение с различными видами почв. В урбаноземах величина дегидрогеназнои активности значительно ниже, вероятно результат замедления биохимических процессов.
