Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы противофильтрационной защиты основания полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов 10
1.1 Основные тенденции развития методов удаления отходов 10
1.2 Полигон захоронения ТБО как источник загрязнения окружающей среды 12
1.3 Анализ изменения химического состава фильтрата на различных этапах деструкции отходов 15
1.4 Оценка времени воздействия полигона на объекты окружающей среды 21
1.5 Противофильтрационная защита основания полигонов захоронения ТБО 26
1.6 Материалы, применяемые в качестве противофильтрационных экранов полигонов захоронения ТБО 29
1.7 Анализ возможности использования нефтеотходов в качестве компонентов гидроизоляционной смеси 32
1.8 Основные выводы по анализу состояния проблемы обеспечение экологической безопасности захоронения ТБО 38
2 Разработка подходов к повышению эффективности противофильтрационной защиты основания полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов 40
2.1 Особенности эксплуатации противофильтрационных экранов на протяжении жизненного цикла полигонов захоронения ТБО 40
2.2 Оценка возможных неблагоприятных факторов воздействующих на противофильтрационный экран 43
2.3 Требования к материалам, применяемым для устройства противофильтрационных экранов полигонов. Сравнительная характеристика материалов 58
2.4 Водный баланс основания как часть общего водного баланса полигона захоронения ТБО 64
2.5 Основные принципы повышения эффективности противофильтрационный защиты основания полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов 67
3 Разработка методики оценки эффективности системы противофильтрационной защиты 72
3.1 Разработка методики расчёта водного баланса основания полигона захоронения ТБО 73
3.2 Оценка эффективности противофильтрационной защиты основания полигона 84
3.3 Оценка влияния фильтрата на качество водных объектов в районе расположения полигона ТБО 88
3.4 Результаты разработки методики оценки эффективности системы противофильтрационной защиты 92
4 Разработка технологии устройства органоминерального противофильтрационного экрана в промышленных условиях 94
4.1 Экологическая оценка безопасности использования органоминерального гидроизоляционного материала на основе АСПО 96
4.2 Технология устройства органоминерального гидроизоляционного материала в промышленных условиях 104
4.3 Оценка экономической эффективности использования органоминерального гидроизоляционного материала 111
5 Разработка технологии получения и применения гидроизоляционного материала на основе нефтеотходов 119
5.1 Анализ структуры полимерорганического материала 119
5.2 Характеристика компонентов смеси 121
5.3. Методы исследования образцов органополимерного гидроизоляци онного материала 123
5.4 Разработка состава гидроизоляционной смеси 126
5.5 Разработка технологии строительства полимерорганического проти-вофильтрационного экрана 133
5.6 Оценка экономической эффективности использования полимерорганического гидроизоляционного материала 135
5.7 Результаты полученные при разработке технологии получения и применения гидроизоляционного материала на основе нефтеотходов 138
Заключение 139
Список использованных источников 141
- Полигон захоронения ТБО как источник загрязнения окружающей среды
- Оценка возможных неблагоприятных факторов воздействующих на противофильтрационный экран
- Разработка методики расчёта водного баланса основания полигона захоронения ТБО
Введение к работе
Анализ проблем, возникающих при захоронении твёрдых бытовых отходов (ТБО) показал, что по масштабам воздействия и необходимым финансовым и техническим ресурсам, ведущее место занимает локализация загрязнений и снижение эмиссий загрязняющих веществ в окружающую среду.
Полигон, эксплуатирующийся 20-30 лет, отвечающий современным нормативным требованиям, неспособный удовлетворить потребности даже одного поколения, загрязняет окружающую среду, нанося ущерб здоровью и благосостоянию людей в течении нескольких сотен лет. А ликвидация последствий от загрязнения потребует значительных финансовых затрат.
Эмиссии загрязняющих веществ от полигона захоронения ТБО с фильтратом и биогазом, изменения химического состава фильтрата на различных этапах деструкции ТБО, длительный жизненный цикл полигона, измеряющийся столетиями позволяют рассматривать полигон ТБО как источник загрязняющих веществ непрерывного действия. В то же время вследствие постоянного взаимодействия полигона с объектами окружающей среды, влияния климатических, орографических и других природных факторов на формирование фильтрационных вод полигона, их объём и состав, позволяют установить существование двусторонних связей в системе полигон - объекты окружающей среды и определять полигон как открытый природно-антропогенный объект.
Представление полигона как открытого антропогенного объекта непрерывного действия ставит в необходимость разработку новых экологически эффективных и экономически приемлемых технологий изоляции объектов окружающей среды от отходов и фильтрата, как основного негативного фактора полигона. Основным технологическим приёмом в решении таких задач является устройство противофильтрационного барьера в
5 основании полигона, который призван предотвратить загрязнение почвы и
грунтовых вод. При этом под противофильтрационным барьером понимают совокупность природных гидрогеологических условий и инженерных мероприятий, направленных на предотвращение эмиссии фильтрата в объекты окружающей среды.
Полигон захоронения ТБО как источник загрязнения окружающей среды
Полигоны захоронения твёрдых бытовых отходов представляют собой повышенный риск для здоровья населения и являются одним из глобальных факторов вредного антропогенного воздействия на все объекты окружающей природной среды: атмосферный воздух, поверхностные и подземные водные объекты, почву, растительный и животный мир.
Полигон твердых бытовых отходов, как комплекс сооружений, предназначенный для размещения отходов, концентрирует на ограниченной территории значительное количество загрязняющих веществ и тем самым создает опасность для окружающей природной среды, являясь загрязнителем большой мощности. В России 97% ТБО размещается на полигонах. [3]
Объекты захоронения отходов потребления, даже после их закрытия, сопоставимы с зонами экологического бедствия, ввиду миграции химических элементов, содержащихся в фильтрате ТБО, приводящей к долговременному загрязнению поверхностных и подземных вод, пылегазовых выбросов продуктов разложения отходов, санитарно-эпидемической опасности животных, поселяющихся на таких территориях и других факторов негативного воздействия включая нарастание социальной напряженности.
Атмосферный воздух интенсивно загрязняется в случаях возгорания отходов. При соблюдении технологий захоронения ТБО на полигонах, за исключением захоронения больших объемов отходов, генерирующих метан и другие газообразные загрязняющие вещества, наличии надежных систем дегазации рабочего тела с утилизацией биогаза или сжиганием его на высокотемпературных усовершенствованных свечах, загрязнение атмосферного воздуха сводится к минимуму, и не выходят за пределы нормативного уровня.
Более сложной задачей является минимизация негативного влияния сточных вод, образующихся на объектах захоронения отходов. В процессе разложения ТБО образуется фильтрат (любая жидкость, вступавшая в контакт с отходами), который при недостаточной изоляции полигона попадает в окружающую среду, а именно в почву, а оттуда — в подземные воды. [1-5]
Проведенный анализ литературы по оценке полигонов захоронения ТБО как источников загрязнения окружающей среды показал, что загрязняющее влияние полигонов на объекты гидросферы и особенно на подземные воды, остается весьма актуальной проблемой, т.к. даже при эффективно работающих системах сбора и очистки загрязненных сточных вод трудно исключить возможность попадания загрязняющих веществ в подземные воды. Фильтрат, образующийся в толще захороненных на полигоне отходов содержит большое количество токсичных веществ, концентрации которых превышают ПДК в десятки - тысячи раз[ 1,6-8].
Образующийся фильтрат в толще хранилища отходов первоначально фильтруется через основания отвалов, а затем - через грунты участков, примыкающих к ним. Состав фильтрата полигона ТБО характеризуется широким спектром соединений и непостоянством во времени. Это объясняется тем, что ТБО подвергаются процессам химико-биологического разложения. [9]
Помимо основных химических компонентов фильтрационных вод, таких как органические соединения, неорганические соединения, металлы, ионы аммония, хлорид-ионы, сульфат-ионы, микробиологический состав фильтрационных вод так же разнообразен.
- Бактерии. Микробиологические исследования показали, что численность и состав популяций микроорганизмов в фильтрате изменяется на различных этапах жизненного цикла полигона. В фильтрате были обнаружены фекальные колиформные и стрептококковые бактерии. Общее количество колиформ можно рассматривать как индикатор возможного присутствия в фильтрационных водах патогенных микроорганизмов, жизнеспособность которых определяется температурой тела полигона и величиной рН. В аэробных условиях протекание окислительных экзотермических процессов обусловливает рост температуры, снижение рН среды, что приводит к гибели или инактивации патогенных микроорганизмов. Концентрация индикаторных бактерий обычно снижается с возрастом полигона. Так на стадии метаногенеза патогенные микроорганизмы в фильтрате обычно не обнаруживаются.[3,5,10] - Вирусы. Присутствие энтеровирусов в фильтрате имеет фекальное происхождение. Исследования показали, что их инактивация и деструкция наблюдается при температурах 20-25С. Повышенные температуры, характерные для начальных стадий разложения ТБО, ускоряют эти процессы, поэтому энтеровирусы в фильтрате встречаются крайне редко. - Грибы. В фильтрате обнаружены разновидности сапрометов, например Aspergillus, Penicillum и Fusarium, которые не являются патогенными. Единственным патогенным грибом является Allescheriaboydu.[8,\ 1]
Оценка возможных неблагоприятных факторов воздействующих на противофильтрационный экран
На основании анализа отечественных и зарубежных источников литературы в области проектирования, строительства и эксплуатации полигонов ТБО, а также собственного опыта обследования и проектирования полигонов, была проведена оценка условий эксплуатации противофильтрационых экранов.
Основные внешние воздействия на экран можно разделить на два вида:
- физико-механические: массовые нагрузки, температура, влажность, ультрафиолетовое облучение (рис.2.1);
- химико-биологические: химический состав фильтрата, микроорганизмы, грызуны, корни деревьев.
Физико-механические воздействия на экран характерны для эксплуатационного и начальной стадии рекультивационного периодов, причём интенсивность этого воздействия постоянно уменьшается.
Далее данные виды воздействий рассмотрены подробнее с точки зрения их влияния на изменение свойств материала противофильтрационного экрана.
Массовые нагрузки
Массовые нагрузки - нагрузки создаваемые тяжестью оборудования, осуществляющего укладку защитного слоя на поверхность противофильтрационного экрана, а также массы самих ТБО, размещенных на полигоне. Массовые нагрузки проявляются в вертикальном действии силы тяжести оборудования, работающего на поверхности противофильтрационного экрана, или массы размещенных на полигоне ТБО.
Неспособность экрана выдерживать нагрузки, создаваемые оборудованием и ТБО, и снимать напряжения, создаваемые массой ТБО по мере нагружения экрана, может привести к потере его прочности за счет поперечных деформаций, что, в свою очередь приведет к нарушению его целостности (трещинообразванию).
Большинство минеральных экранов под влиянием давления от веса полигона деформируются, то есть уплотняются за счёт уменьшения в них пустот. Следовательно коэффициент пористости уменьшается при увеличении давления на грунт. Зависимость коэффициента пористости грунтов основания от величины давления показана на компрессионной кривой При использовании синтетических экранов происходит их растяжение, а при нарастающих нагрузках или на участках с деформированным основанием -разрыв. При взаимной компенсации нагрузок от массива отходов и подстилающего грунта (геологической подложки) деформации минеральных частиц экрана почти линейно пропорциональны действующим нагрузкам и сопровождаются в основном вертикальными осадками, происходящими вследствие более плотного размещения частиц грунтов — уменьшения пористости. Таким образом при подготовленном идеально ровном геологическом основании, деформации, вызванные массовыми нагрузками не являются опасными для устойчивости и прочности экрана. Однако это характерно только для центральных участков экрана. На пограничных участках, а так же на участках с деформированным основанием линейная пропорциональность между деформациями и давлением нарушается — деформации начинают нарастать быстрее, чем нагрузки, и сопровождаются не только вертикальным уплотнением, но и боковым расширением (перемещением частиц грунтов из-под подошвы в сторону). В этом случае нарушается структура грунтов минерального экрана и осадки становятся неравномерными и опасными для его прочности (рис. 2.3).[77] Поэтому для обеспечения равномерной осадки всего экрана необходимо, чтобы грунты основания под подошвой испытывали равномерное давление, для чего производится разравнивание и уплотнение грунтов основания на этапе строительства полигона, а также строительство ограждающих дамб, которые препятствуют выдавливанию экрана на пограничных участках полигона. Таким образом, при качественном выполнении подготовительных работ, к которым относятся подготовка основания и строительство ограждающей дамбы, вероятность нарушения целостности экрана минимальна.
Разработка методики расчёта водного баланса основания полигона захоронения ТБО
В соответствии с предложенной схемой экологически обоснованного выбора оптимальной системы противофильтрационной защиты (рис.2.5), ключевым моментом в определении технологических параметров системы ПФЗО является расчёт водного баланса основания полигона и гидравлической проводимости основания полигона. Под гидравлической проводимостью (ГП) понимается способность противофильтрационного барьера пропускать часть всего фильтрата, образующегося в массиве отходов, с учётом эффективной работы дренажной системы и гидроизоляционных свойств основания.
При расчёте фильтрационных процессов в основании полигона захоронения ТБО в качестве основного динамического закона используется закон Дарси, который устанавливает линейную зависимость между объемным расходом жидкости или газа и гидравлическим градиентом (уклоном, перепадом давления) в пористых средах, например, в мелкозернистых, песчаных и глинистых грунтах. Закон Дарси является эмпирическим, он описывает характер движения поровой жидкости при относительно малых градиентах давления, в том числе при фильтрации воды через грунт или через слой противофильтрационного экрана.[73,74] Формула, выражающая линейный закон Дарси имеет вид: Следовательно объёмный расход, в соответствии с законом Дарси можно выразить следующим образом:
Для расчёта водного баланса основания полигона ТБО использована модель расчета фильтрации через глинистый экран, разработанная Вонгом [75]. Данная методика основана на расчете времени сбора фильтрата дренажной системой и времени просачивания заданного объема среднегодового инфильтрационного питания, а также расчете отношения этих двух величин. В качестве основного положения данной модели принимается, что весь объём фильтрата (V) непрерывно делится на два потока: горизонтальный, стекающий в дренажную трубу (Vc) и вертикальный (VL), просачивающийся через основание полигона. Принципиальная схема водного баланса основания полигона и геометрическая модель представлена нарис. 3.1.
Для использования модели принимаются следующие ограничения:
1. Слой песка и отходов имеют одинаковую проницаемость;
2. Для всех материалов принимается состояние полевой влагоёмкости;
3. Поступление фильтрата на экран происходит непрерывно;
4. Грунт насыщается фильтратом по всему объёму;
5. Происходит непрерывная разгрузка фильтрата из дренажных труб;
6. Экран расположен над уровнем грунтовых вод.
В зависимости от топографических особенностей площадки полигона, количества образующихся фильтрационных вод и типа дренажной системы, уклон основания обычно принимается 0,07 - 0,5%, а расстояние между дренами 30 - 50 м.
Основными технологическими параметрами собственно противофильтрационного экрана являются толщина и коэффициент фильтрации экрана. Как указывалось ранее, действующие нормативные документы по проектированию полигонов ТБО нормируют коэффициент фильтрации глинистого грунта (не более 10 5 см/с или 0,0086 м/сут) при его допустимой мощности 0,5 м [4,25].
Таким образом, используя стандартные значения основных технологических параметров основания полигона, были построены зависимости гидравлической проводимости от уклона основания, максимальной дистанции потока фильтрационных вод, толщины и коэффициента фильтрации экрана. Также используя стандартные значения технологических параметров системы ПФЗО были получены частные уравнения зависимости гидравлической проводимости от толщины экрана, расстояния добегания фильтрата до дренажной трубы, уклона основания.
Уравнения зависимости гидравлической проводимости от основных технологических параметров системы ПФЗО (3.18 - 3.20) получено с использованием следующих стандартных значений технологических параметров: расстояние добегания фильтрата до дренажной трубы - 30 м., толщина экрана - 2 м., уклон основания 3%. снижение объёма просочившегося фильтрата (до 75%) происходит при уменьшении коэффициента фильтрации противофильтрационного экрана. Промежуточные значения занимают: уменьшение расстояния добегания фильтрата до дренажной трубы и увеличение уклона основания площадки. Сокращение объёмов фильтрата составляют до 65 %и 54% соответственно.
Следовательно оптимизация систем противофильтрационной защиты должна осуществляться путём планировки основания с изменением уклона, уменьшения коэффициента фильтрации, а также оптимального расположения труб дренажной системы. Уменьшение коэффициента фильтрации производится путём уплотнения грунта, за счёт снижения пористости. Управление качеством системы противофильтрационной защиты выполняется с целью снижения эмиссии загрязняющих веществ в грунтах и подземных водах.
Апробация методики проведена на экспериментальной площадке, площадью 3,5 м2, с использованием известного органоминерального материала, с коэффициентом фильтрации 4,14 10"9 м/с. На поверхность экрана подавалась вода, таким образом, чтобы столб воды составлял не менее 0,1 м. Вода просочившаяся через экран отводилась самотёком в сборную ёмкость. Фактический объём просочившейся воды за 10 суток составил 0,01012 м3. Объём просочившейся через экран воды, рассчитанный по методике водного баланса за расчётный период времени основания составляет 0,01065 м3. Сравнение фактических данных и расчётных результатов, полученных с использованием методики водного баланса основания полигонов показали хорошую сходимость результатов. Относительная ошибка расчёта объёмов просочившейся и собранного дренажной системой жидкости составила не более 6%. Схема экспериментальной площадки представлена на рис. 318.
