Введение к работе
Актуальность исследований. Одной из актуальных и масштабных проблем, связанных с ухудшением качества окружающей природной среды, является нерациональное, экологически опасное и не всегда организованное обращение с отходами. В последние десятилетия, в связи с увеличением разнообразия товаров народного потребления, наблюдается усложнение состава твердых бытовых отходов (ТБО). Это приводит к увеличению количества различных поллютантов (в том числе таких супертоксикантов, как диоксины), образующихся в процессе трансформации (разложения), сжигания, переработки отходов из-за несовершенства технологий их утилизации. Значительное количество ТБО попадает на несанкционированные свалки, количество которых постоянно растет. Поэтому ТБО представляет собой значимый источник деградации окружающей природной среды. Вместе с тем они содержат в своем составе ценные компоненты, которые могут быть использованы в качестве вторичных ресурсов. Основная масса ТБО и промышленных отходов образуется в городах и поселках городского типа. Местом захоронения отходов являются земельные угодья, изъятые из сельскохозяйственного обращения. При этом отсутствует систематизация полигонов по уровню экологической опасности, не разработаны и не внедряются системы управления сложившимися природно-техническими системами (ПТС).
В этой связи научной задачей настоящей диссертационной работы является разработка системы методов обеспечения комфортности среды обитания в районах размещения полигонов бытовых и промышленных малотоксичных отходов на основе их геоэкологической типизации.
Объект исследования - геоэкологические системы полигонов твердых бытовых отходов и полигонов промышленных малотоксичных отходов (ПМО).
Предмет исследования - процессы поступления загрязняющих элементов в компоненты природной среды, особенности их накопления и миграции в зоне влияния полигонов ТБО и ПМО.
Цель исследования - обеспечение комфортности среды обитания в районах
влияния полигонов твердых бытовых и промышленных
малотоксичных отходов с различным уровнем экологической опасности.
Задачи исследования:
1) Разработка методики геоэкологической типизации полигонов ТБО и ПМО
по уровню экологической опасности;
2) Оценка влияния полигонов ТБО и ПМО на степень трансформации
компонентов природной среды;
3) Разработка системы методов обеспечения комфортности среды обитания в
зонах влияния полигонов различных типов экологической опасности.
Фактический материал. Исходными материалами при решении поставленных задач явились результаты полевых работ и аналитических исследований, систематизированных в результате камеральной обработки, полученных лично автором, а также материалы исследований ТЦ
«Липецкгєомоииторинг» и ОАО «Липецкгеология». Научно-исследовательское направление было выбрано автором в 2005 г., работа выполнялась в период с 2005 по 2009 гг. Автором в результате полевых исследований были получены новые результаты, которые легли в основу диссертационной работы.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующих позициях:
- разработана методика геоэкологической типизации полигонов отходов по
степени их экологической опасности, отличающаяся введением дополнительных
качественных и количественных критериев;
- представлена оценка влияния полигонов ТБО и ПМО на степень
трансформации компонентов природной среды, отличающаяся комплексностью
анализируемых компонентов;
- разработаны системы методов обеспечения комфортности среды обитания,
отличающиеся дифференциацией подходов при реабилитации геоэкологических
систем (ГЭС) районов размещения полигонов отходов различных типов.
Защищаемые положения.
Методика геоэкологической типизации полигонов твердых бытовых и промышленных малотоксичных отходов по уровню их экологической опасности.
Геоэкологическая оценка степени трансформации компонентов природной среды в зонах влияния полигонов ТБО и ПМО.
Система методов обеспечения комфортности среды обитания в районах размещения полигонов отходов различных типов.
Практическая значимость может быть объедена в два блока:
Информационный. Результаты влияния полигонов ТБО и ПМО на геоэкологические особенности территории должны использоваться при разработке природоохранных мероприятий в районе проектируемых и существующих полигонов. Полученные данные по особенностям миграции загрязнения во времени и пространстве позволяют обосновать срок активной жизни полигонов после процесса рекультивации в 30-40 лет. Результаты исследований позволяют проектировать возможности и сроки дальнейшего использования участков захоронения либо новых полигонов.
Блок обеспечения комфортности среды обитания. Методы проведения геоэкологического мониторинга, системы инженерной защиты, рекультивационные мероприятия, могут быть широко использованы для различных типов полигонов как в г. Липецке и Липецкой области, так и для иных областей, имеющих аналогичные геоэкологические условия.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались автором: на Международной научно -практической конференции «Геологи XXI века» (Саратов, 2007), Международной научно-практической конференции «Обеспечение экологической безопасности в
чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2007, 2008, 2009), научной сессии Воронежского государственного университета (секция экологической геологии, Воронеж, 2008,2009), Межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2008), Международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (Воронеж, 2008), Всероссийской межвузовской научной конференции «Молодые - наукам о земле» (Москва, 2008), Всероссийской конференции «Планета Земля: актуальные вопросы геологии глазами молодых ученых и студентов» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 статья (в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, включенном в перечень ВАК РФ)
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников (158 наименований, в том числе 6 на иностранном языке), 67 рисунков, 6 таблиц.
Положение 1. Методика геоэкологической типизации полигонов твердых бытовых и промышленных малотоксичных отходов по уровню их экологической опасности
Результаты комплексных геоэкологических исследований позволили разработать методику типизации полигонов по уровню их экологической опасности. Она базируется на методических разработках Л.П.Грибановой, О.М.Гуман (2009г.), отличается дополнительным введением новых трех качественных и шести количественных критериев типизации с применением бального подхода. В качестве основных количественных критериев для исследования загрязнения грунтовых массивов использовались значения суммарного показателя концентрации (СПК), для исследования подземных вод суммарный показатель загрязнения (СПЗ), характеристика изменения растительности оценивалась по показателю Кс„м.
Суммарный показатель концентрации рассчитывался по следующей формуле:
СУ7Л- = *,-(л-1), (1)
где AT,- коэффициент концентрации по каждому элементу, превышающему фоновые значения, рассчитываемый по формуле:
где С, - концентрация элемента в анализируемой пробе (мг/кг); Сф - фоновые
концентрации данного элемента для анализируемой территории (мг/кг); п - число анализируемых элементов.
Суммарный показатель загрязнения (СПЗ) рассчитывается путем нормирования соединения элементов в пробе относительно предельно-допустимых концентраций.
СШ = *\ -("-!), (3)
где К'- коэффициент концентрации по каждому элементу, превышающему ПДК, рассчитывается по формуле:
«'<=-. (4)
где С, - концентрации элемента в анализируемой пробе (мг/кг, мг/дм3); Спдк-
нормируемая предельно допустимая концентрация данного элемента (мг/кг, мг/дм3); п - количество анализируемых элементов.
Анализ тератологических исследований проводился путем расчета коэффициента симметрии по формуле:
KC„„. = (SM/S6).100%, (5)
где КсИМ. - это коэффициент симметрии листа, S „ - площадь меньшей половины листа, S 6 - площадь большей половины листа. В качестве образца исследований использовались листья одуванчика, имеющего выраженную линию симметрии.
Число градаций типизации рассчитано на основании обработки 1400 эколого-геохимических измерений, проведенных за пятилетний период на трех полигонах. Возможность их использования при разработке критериев типизации обусловлена сходными геоэкологическими условиями размещения исследуемых полигонов.
В результате анализа статистического материала был сделан вывод о целесообразности введения четырех градаций, каждой из которых были присвоены соответствующие баллы экологической опасности. Так для качественных критериев были присвоены следующие баллы: 0 баллов - норма; 1 балл - риск; 2 балла -кризис; 3 балла - бедствие. Для большей достоверности оценки количественных критериев применяется метод скользящего балла, что позволяет более точно и дифференцировано устанавливать типы рассматриваемых полигонов: 0
Применяемые в работе критерии типизации характеризуются как количественными, так и качественными показателями. Качественные критерии учитывают геоэкологические особенности размещения (положения в региональных структурах), технологические параметры накопления (состав отходов, способ накопления, стадии существования, условия размещения), параметры геоэкологической оценки зон влияния (водный режим системы, микротекстурные
особенности почвенных отложений), контроль за воздействием на окружающую среду (табл.1). Критерии типизации, предложенные автором, выделены в таблицах.
Таблица 1 - Качественные критерии типизации полигонов по уровню экологической опасности
На основе качественных критериев отнесение полигонов к определенному типу производится по следующей формуле:
N„ = ± N„ (6)
где NKa4 - сумма баллов, определенная качественными критериями типизации;
N; - балл полигона по определенному критерию типизации.
Для повышения достоверности оценок нами предлагается комплекс количественных критериев типизации полигонов по уровню экологической опасности (табл.2).
Бальную оценку количественных критериев типизации предлагается производить по формуле:
W„, =14+«!** (7)
где х - значение характеристики количественного критерия;
а,, ао -расчетные коэффициенты, определяемые по табл.3;
Нюл - сумма баллов, определенная по количественным критериями типизации.
Таблица 2 - Количественные критерии типизации полигонов по уровню экологической опасности
Таблица 3 - Расчетные коэффициенты для определения количественного
балла типизации
Сумма полученных баллов рассчитывается по формуле:
ли=2Х»+*-. (8)
Типы полигонов по уровню экологической опасности определяются с учетом суммы полученных баллов по таблице 4.
Таблица 4 - Типизация полигонов по уровню экологической опасности
Таким образом, алгоритм разработанной методики типизации полигонов ТБО и ПМО состоит в следующем:
1.Рассчитываются количественные параметры типизации по формулам 1-5;
2.Производится суммация полученных баллов с учетом качественных и количественных критериев по формулам 6,7;
3.Определяется общая сумма полученных баллов по формуле 8;
4.С учетом табл. 4 определяется категория экологической опасности полигона.
Положение 2. Геоэкологическая оценка степени трансформации компонентов природной среды в зонах влияния полигонов ТБО и ПМО
Геоэкологическая оценка степени трансформации компонентов природной среды производилась нами на примере группы полигонов ТБО и ПМО в период 2005-2009 гг. Группа включает полигоны ТБО «Центролит» и «Венера», полигон ПМО в оврагах с.Сырское. Они пространственно привязаны к юго-западной части г. Липецка, располагаются на одной линии тока подземных вод.
Характеристики качественных и количественных параметров полигонов представлены в табл.5.
Классический полигон ТБО «Венера» является значимым источником трансформации природной среды, это позволяет определить его в качестве эталона для геоэкологических оценок. Полигон «Венера» - насыпного типа, в настоящее время находится на стадии рекультивации.
Таблица 5 - Модель типизации полигонов ТБО
В пределах исследуемой зоны выделено четыре уровня воздействия загрязнения на почвенные отложения - от экологической нормы до экологического бедствия (рис.1). Ведущими загрязняющими элементами являются марганец, мышьяк и цинк. Контур аномалии выдерживается на протяжении пяти лет наблюдений, однако ее площадные характеристики изменяются. Так с момента закрытия полигона площадь зоны оценки почвенных отложений, соответствующая уровню экологического кризиса, уменьшилась на 40 %, а зона загрязнения экологического риска на 25 %. Наблюдается положительная динамика, которая связана с двумя процессами:
практически полное сворачивание функционирования полигона;
реабилитационные силы природных процессов.
Радиационная ситуация в зоне влияния полигона ТБО «Венера» представлена на рис.2. В результате исследований выделено четыре категории радиационного поля почв, превышающие 20 мкр/час, составляют около 15 % площади зоны влияния. За пять наблюдаемых лет (2005-2009 гг.) наблюдается значимая положительная динамика, проявленная в основном на уровне зоны техногенного фона.
Были выделены два уровня загрязнения подземных вод - экологическая норма и экологический риск (рис.3).
В связи с высокой миграционной способностью загрязняющих веществ в подземных водах, гидрогеохимическая аномалия имеет значимое распространение. В 2005 г. ее площадь превышает 50 % зоны влияния полигона, она ориентирована относительно Каменного Лога.
За пятилетний период наблюдений (2005-2009 гг.) площадь зоны экологического риска сократилась примерно на 40 %. По состоянию на 2009 г. загрязненные воды фиксируются на расстоянии до 500 м южнее источника.
Индикаторное состояние экосистем в зоне влияния полигона оценивалось по уровню деградации растительности. В период пятилетних наблюдений (2005-2009 гг.) выявлено наличие двух максимумов биоаномалий - восточное и южное (рис.4). В отличие от ранее рассматриваемых компонентов природной среды, растительность в зоне влияния полигона отличается максимальным уровнем деградации. Была установлена тесная корреляционная связь между пространственным распределением значений СПК почвенных отложений и коэффициентом симметрии (Кс) растительности, которое составило 0,65 , что для данного ряда является значимой величиной.
Отметим, что на характеристики растительности также существенно влияет загрязнение атмосферы биогазами, выделяемые толщей полигона.
Геоэкологическая оценка природной среды в районах рассматриваемых полигонов выявила значимые уровни трансформации всех рассматриваемых компонентов.
2005 г
2006 г
2007 г
2008 г
2009 г
Контур СЗЗ
Контур полигона
Контур зоны влияния
.) Номер точки пробоотбора
Условные обозначения
І Экологическая норма
' -16 Экологический риск
І Экологический ирлзйс
'32 3>.олог^чесиоє бедствие
Рисунок 1 - Пространственно-временная динамика эколого-литогеохимической обстановки в зоне влияния полигона ТБО «Венера»
2005 г
2006 г
2007 г
2008 г
2009 г
Условные обозначения
Контур СЗЗ
Контур полигона
Контур зоны влияния
„1 Номер точки пюбоотбора
^^Н Природный феи
12-16 чи* Природно - тинсгенныи фон
> Техногенный фон
I Слабый уровень воздействий
Рисунок 2 - Пространственно-временная динамика радиометрических характеристик почвенных отложений зоны влияния полигонаТБО «Венера»
2005 г
2006 г
2008 г
2009 г
Условные обозначения
Эшшвдая норм Кск^Р C33
Шщ пишна
1-5 Экологически pw;
Контор зоны влияния
Рисунок 3 - Пространственно-временная динамика эколого-гидрогеохимической обстановки в зоне влияния полигона ТБО «Венера»
2005 г
2006 г
2009 г
Конт)рСЗЭ _1 Контор тэпкгшй
мжгур зоны влу anvif _] Нс#ер"мііг:збсоібзса
Условные обозначения Эюго'с-зизя южа
185-95%: Эгогоу-кмирю Зііогот'-гсш'іірпі''; Эюго'ичскж бедствие
Рисунок 4 - Пространственно-временная динамика оценки преобразования растительности в зоне влияния полигона ТБО Венера»
Впервые акцентируется роль полигонов в формировании радиационного фона территорий.
В результате анализа полигонов по комплексу типологических критериев они были систематизированы следующим образом:
-полигон ТБО «Центролит» - уровень экологического риска;
-полигон ТБО и ПМО в с.Сырское - уровень экологического кризиса;
-полигон ТБО «Венера » - уровень экологического бедствия.
Положение 3. Система методов обеспечения комфортности среды обитания в районах размещения полигонов отходов различных типов
Под комфортностью среды обитания понимается оптимальное состояние среды непосредственного обитания экосистем, физические и химические параметры которой максимально приближены к естественным, фоновым значениям. Экологическая безопасность районов размещения полигонов отходов зависит от их типа и комплекса организационных мероприятий по снижению их негативного воздействия. В этой связи нами разработана система методов обеспечения комфортности среды обитания в районах размещения полигонов различных типов, представленная в таблице 6.
Данная система включает три блока: 1) геоэкологический мониторинг; 2) систему инженерной защиты; 3) рекультивационные мероприятия.
1. Геоэкологический мониторинг.
Для первого типа полигонов ГЭМ осуществляется по базовой разреженной сети. Как правило, она представляет собой от четырех до восьми точек наблюдений за почвенными отложениями, ориентированных по радиальной сети.
Наблюдения за состоянием подземных вод проводятся по скважинам муниципального, либо федерального гидрогеологического мониторинга.
Невысокий уровень экологического воздействия определяет целесообразность минимальной периодичности наблюдений.
Для полигонов второго и третьего типов структура геоэкологического мониторинга аналогична. Одной из основных задач является обоснование сети наблюдений, определение ее конфигурации, периодичности опробования. ГЭМ включает стационарный мониторинг почвенных отложений, поверхностных, подземных вод, состояния атмосферы, радиологические, газохимические, геоботанические наблюдения. По результатам многолетних наблюдений производится формирование базы данных, осуществляется прогноз развития процессов преобразования компонентов природной среды в зоне влияния. При этом учитываются ландшафтные особенности размещения полигона, направление ветров и размещение экологических мишеней в районах влияния полигонов. Полигоны четвертого типа требуют проведения геоэкологического мониторинга максимального уровня развертывания, как во времени, так и в пространстве.
Таблица 6 - Система методов обеспечения комфортности среды обитания в районах размещения полигонов различных типов
1 тип
2 тип
3 тин
Геоэкологический мониторинг. (Контроль — Федеральные службы Геомониторинга)
Базовая разреженная есть наблюдений по стационарным точкам с учетом постов геоэкологического мониторинга федерального и муниципального уровней.
Минимальная периодичность наблюдений.
Обоснование сети наблюдений, определения ее конфигурации, периодичности опробования.
Стационарный мониторинг почвенных отложений, поверхностных, подземных вод, ;остояния атмосферы, радиологические, газохимические, гсоботаничсскис наблюдения.
Формирование базы данных многолетних наблюдений.
Прогноз развития процессов преобразования компонентов природной среды в зоне влияния.
1.Развертывание системы комплексных
геоэкологических наблюдений в пространстве
относительно основных экологических
иишепей.
I, Максимальная периодичность наблюдений .
3. Геоэкологическое моделирование развития
:итуации
Системы инженерной защиты (Контроль - Федеральные службы Росприроднадзора)
Глинистый экран в основании.
Использование толерантных типов растительности для биопоглощения загрязнений.
Инженерная защита основания с использованием переслаивания глин и пленочных покрытий.
Создание хранилищ для депонирования осадков сточных вод.
Очистка сточных вод полигонов, сочетающая прогрессивную мембранную технологию с традиционными методами.
Установление противофильтрационных экранов.
Метод биопоглощения загрязнителей.
Оборудование системы многослойной изолирующей защиты в основании полигона.
Очистка фильтрата с использованием гидродинамической активации и электрофлотации.
Очистка грунтов методом бактериального выщелачивания.
Химическая локализация загрязнителей (создание защитных экранов).
Герметичная локализация отходов в пространстве.
Промывка массивов и загрязненных водонасыщенных пластов в виде схем замкнутого цикла.
Элсктроосмотическая очистка водонасыщенных глинистых грунтов от загрязнителей.
Рекультивационные мероприятия (Контроль - Федеральные службы Росприроднадзора, Управление по технологическому, атомному и экологическому надзору.)
I. Применение стандартной схемы рекультивации.
J. Рекультивационные работы с применением многослойного перекрытия отходов.
Установление стационарных систем газоотведсния.
Внедрение методов утилизации биогаза.
4. Этапное высаживание растительности для повышения коэффициента
приживаемости.
5. Контроль дальнейшего использования территории в период до 30 лет с запретом
размещения объектов жилого сектора, детских и оздоровительных учреждений.
Экологическая экспертиза полигона для обоснования более высокого класса отходов.
Разработка принципов захоронения и утилизации опасных отходов.
Так векторы наблюдений должны быть ориентированы на все экологические мишени в районе размещения полигонов, периодичность наблюдений ежемесячная. Обязательным является геоэкологическое моделирование развитии ситуации с применением картографических, математических, статистических и иных подходов.
2 . Системы инженерной защиты.
Полигоны первого типа обеспечиваются минимальными системами инженерной защиты, к которым относятся глинистый экран в основании полигона. Целесообразным является использование толерантных типов растительности для биопоглощения загрязнителя. К толерантным относятся те виды растительности, которые адаптированы к различным видам загрязнений и прогрессивно развиваются в условиях полигона. К ним относятся: мать- и- мачеха, люцерна, горох и другие бобовые (концентрирующие тяжелые металлы), растения галофиты (поглощающие соли). В дальнейшем эти растения могут скашиваться и сжигаться.
Для полигонов второго типа наиболее эффективными являются следующие методы инженерной защиты:
а) переслаивание глин и пленочных покрытий в основании полигона с
последующим их перекрытием отходами, блоки переслаивания целесообразно
повторять через 1,5-2 м;
б) создание хранилищ для депонирования осадков сточных вод;
в) очистка сточных вод полигонов;
г) установление противофильтрационных экранов целесообразно в случае
размещения ряда экологических мишеней ниже по потоку подземных вод. В этом
случае возможно использование метода сикалитизации для формирования
герметичных противофильтрационных завес различного размера и конфигурации.
д) применение метода биопоглощения также дает хорошие результаты при
очистке почв зоны влияния полигона второго типа.
Полигоны третьего типа, формирующие условия экологического кризиса, нуждаются в применении системы инженерной защиты использующей современные инновационные технологии. Среди них:
а) многослойная изолирующая подушка, включающая монтмориллонитовые
высокоабсорбционные глины, подвергнутые вибрационному уплотнению,
пленочные покрытия;
б) очистка фильтрата производится с учетом метода гидродинамической
активации и электрофлотации;
в) очистка грунтов зоны аэрации рекомендуется производить методом
бактериального выщелачивания;
г) при необходимости химическая локализация загрязнителя осуществляется
путем создания защитных экранов.
Четвертый тип полигонов отходов нуждается в герметичной изоляции от внешней среды. Для этого используются:
а) бетонные бункеры, емкости, металлические емкости;
б) в случае загрязнения водонасыщенных пластов целесообразно применение
метода промывки массивов в виде схем замкнутого цикла.
в) в связи с размещением полигонов на глинистых основаниях они постепенно
абсорбируют значительное количество загрязнения. В этом случае система
инженерной защиты должна включать метод электроосмотической очистки
глиностых грунтов.
3. Рекультивационные мероприятия.
Полигоны первого типа рекультивируются с применением стандартной схемы. Для полигона второго и третьего типов рекультивационные работы усложняются, они проводятся:
а) с применением многослойного перекрытия;
б) установление стационарных систем газоотведения - она представляет собой
систему дренажных газоотводящих каналов, разгружающихся в газоотводящие
шахты;
в) современным является метод утилизации биогаза, который экономически
эффективен и широко применяется в международной практике;
г) важным рекультивационным мероприятием является этапное высаживание
деревьев для повышения коэффициента приживаемости;
д) необходимым элементом обеспечения комфортности среды обитания в
районах размещения полигонов различных типов является контроль дальнейшего
использования территории в период до 30 лет. Проведенные исследования
позволили определить срок относительно активной жизни рекультивированных
полигонов на примере полигона ТБО третьего типа «Венера».
Полигоны четвертого типа должны быть рекультивированы по способу отходов более высоких классов опасности. Для этого должна быть проведена экологическая экспертиза полигона для обоснования класса опасности отходов, а далее разработаны принципы их захоронения или утилизации.
Предложенная система методов и способов позволяет обеспечить комфортность среды обитания в районах размещения полигонов ТБО и ПМО, максимально снизить их негативное воздействие на экосистемы различного уровня организации.
