Введение к работе
Актуальность исследований. Проблема твердых отходов появилась вместе с человеком, и одновременно с этим решались вопросы их утилизации. На Крите за 3000 лет до н.э. твердые отходы помещались в ямы и послойно укрывались землей; у римлян свалки формировались вокруг городов и деревень; где Указ 1407 г. обязывал лондонцев сохранять накопившийся у них мусор в доме до прихода мусорщика; в конце XVlll века перед помещением отходов на свалку в Эдинбурге (Шотландия) производилась их ручная сортировка и часть повторно использовалась или продавалась; к концу XlX века относятся и первые наблюдения за составом мусора.
Актуальность исследований условий размещения отходов не вызывает сомнения: везде, где существуют населенные пункты, появляются полигоны, (или свалки) бытовых отходов. Характер отходов в составе свалок с течением времени изменился от твердых бытовых на твердые бытовые и промышленные отходы.
В последние годы проблеме обращения с отходами уделяется большое внимание. Различным аспектам проблемы посвящены работы Р.Ф. Абдрахманова, В.М. Белькова, А.М. Гальперина, И.В. Галицкой, В.М. Гарина, И.П. Герасимова, В.М. Гольдберга, О.В. Горбатюка, В.А. Грабовниковой, Л.П. Грибановой, О.Н. Грязнова, Р.Э. Дашко, В.Н. Жиленкова, Э.Зальцберга, Ю.А. Израэля, В.А. Королева, Е.Л. Минкина, В.А. Мироненко, А.Н. Ножевниковой, Е.Н. Огородниковой, В.И. Осипова, Ю.Е. Саета, В.Т. Трофимова, Е.В.Щербины, С.Н.Тагильцева и многих других ученых, вносивших существенный вклад в базу данных по геоэкологии мест размещения отходов.
Сегодня проблема утилизации твердых отходов в полной мере не решена ни в одной из стран мира, и в условиях урбанизации она остается на повестке дня XXl века. Как отмечал В.И. Вернадский, ни один биологический вид не может выжить в созданных им отходах. Отходы необходимо включать в природный цикл, удалять и использовать.
В то же время существуют конструктивные решения проблемы размещения бытовых отходов, если рассматривать захоронение как один из способов утилизации отходов - «техноприродный завод по переработке отходов». Предпосылками этого на Среднем Урале являются:
- наличие большого количества нарушенных горными работами земель;
- значительные площади вокруг добывающих и перерабатывающих комплексов, занятые отвалами вскрышных пород, шламо- и хвостохранилищами;
- незначительная численность населения большинства городов Среднего Урала;
- благоприятные по влагообеспеченности климатические условия региона;
- существование в регионе участков, геологическое строение которых позволяет снизить воздействие полигонов на компоненты геологической среды, а наличие грунтов для санитарной подсыпки – на состояние окружающей среды;
- большой ресурсный потенциал полигонов бытовых отходов на Среднем Урале позволяет выполнять рециркуляцию размещения отходов.
Основная идея работы - полигоны с течением времени становятся частью геологической среды и как следствие функционируют по законам развития геологического пространства в ограниченном масштабе времени под действием множества природных процессов, учесть влияние которых одновременно при выборе способов утилизации затруднительно. Поэтому захоронение бытовых отходов следует рассматривать как процесс утилизации, для которого необходимо введение элементов управления.
Объектами исследований в данной работе послужили полигоны твердых бытовых отходов Среднего Урала, расположенные в районах, различных в отношении как физико-географического положения, так и геологического строения.
Цель исследований – разработка научных основ управления процессом захоронения бытовых отходов в геологических структурах Среднего Урала и защиты от загрязнения геологической среды.
Задачи исследований: 1) изучение особенностей захоронения бытовых отходов в горнодобывающих регионах; 2) разработка классификации объектов размещения бытовых отходов; 3) разработка идеализированной гидрогеохимической модели полигонов бытовых отходов Среднего Урала; 4) обоснование оптимального комплекса методов геоэкологических исследований для полигонов Свердловской области, обеспечивающего изучение природно-технической системы «полигон – окружающая среда», и геоэкологические прогнозы; 5) выявление оптимальных условий размещения полигонов бытовых отходов в геологических структурах Среднего Урала на основе комплекса объективных критериев; 6) выявление природных и техногенных грунтов, обеспечивающих создание оптимальной технологии складирования отходов; 8) разработка принципов экологического мониторинга на полигонах бытовых отходов Среднего Урала и элементов управления состоянием геологической среды.
Фактический материал. Исходными материалами при решении задач изучения полигонов явились результаты исследований, полученные лично автором или совместно с сотрудниками кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии (ГИГ) Уральского государственного горного университета (УГГУ) в период с 1988 по 2007 гг. при проведении научно-исследовательских работ, дополненные в период прохождения докторантуры в 2002-2005 гг., а также при работах ООО «Уралгеопроект» на полигонах твердых бытовых и промышленных отходов Свердловской области. За этот период на кафедре по данному направлению с участием автора в качестве научного руководителя защищена одна кандидатская диссертация и готовятся к защите три кандидатские работы, написано более 50 научно-производственных отчетов.
Исследования выполнялись в рамках госбюджетных тем: «Прогнозирование изменений геологической среды полигонов твердых отходов складчатых областей», совместно с проф. О. Н. Грязновым (№ ГР 01990004548, 1999-2001 гг.); «Принципы комплексного мониторинга геологической среды горнодобывающих комплексов Урала», совместно с проф. Грязновым О.Н. (№ ГР 01200204979, 2002-2004 гг.); «Разработка инструктивных материалов, регламентирующих инженерно-экологическое изучение геологической среды полигонов ТБО и ПО для обеспечения экологической безопасности окружающих территорий» (по заданию Государственного комитета по охране природы Свердловской обл., 1999 г.); «Экологический паспорт полигонов ТБО», совместно с проф. О. Н. Грязновым и доц. Н. Н. Паниным (по заданию Министерства природных ресурсов Свердловской области, 1998 г.); «Мониторинг нарушенных земель МО «Город Екатеринбург» (по заданию земельного комитета Администрации г. Екатеринбурга, 2007 - 2008 гг.).
Основной фактический материал получен при выполнении инженерных изысканий для строительства новых, реконструкции существующих и рекультивации действующих полигонов Свердловской области: Широкореченского, Североуральского, полигона ТБО г. Ревда, Ленинского полигона ТБО города Нижний Тагил, полигонов ТБО г. В. Салда, городов Урай, Ирбит, Михайловский, Краснотуринск, Арамиль, пос. Верх-Нейвинский, п. Бисерть и др., а также илонакопителей Южной аэрационной станции и Северной аэрационной станции, реконструкции станции водоподготовки МУП «Водоканал» городов Екатеринбург и Нижний Тагил. Кроме того, автор участвовала в экспертной оценке деятельности ряда предприятий области по складированию отходов в фирме “УралИНЭКО” (Бобровский изоляционный завод, Спецавтобаза г. Екатеринбург, МУП ЖКХ г. Н. Тагил, городов Сухой Лог, Новоуральск, Каменск-Уральский, Ревдинской ГРЭС, МУП «Водоканал» г. Екатеринбурга) и в Государственной экспертизе ряда проектов по складированию твердых бытовых отходов (городов Асбест, Новоуральск, Каменск-Уральский, Заречный, Карпинск, Полевской и др.).
Методы исследований. В процессе выполнения исследований широко применялись теоретические обобщения; геологические, гидрогеологические, ландшафтно-геохимические съемки масштабов 1:2000 – 1:50000, аналитические экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях; методы физического и численного моделирования с использованием ГИС-технологий. Виды и объемы выполненных работ (в том числе при участии автора): бурение инженерно-геологических скважин – 12000 (5000) п.м., наблюдательных скважин – 1700 (900) п.м., опытно-фильтрационные работы в скважинах – 120 (50) опытов; в шурфах – 70 (40) опытов; изучение физико-механических свойств грунтов – 1150 (600) монолитов; химического состава грунтов – 970 (800) проб; химического состава подземных и поверхностных вод – 250 (100) проб; гамма-спектрометрический анализ – 70 (30) проб; минеральный состав грунтов – 115(50) проб. Химический состав твердых отходов, газов фильтрата также заимствован из фондовых и опубликованных работ. Все аналитические исследования выполнялись в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам.
Научная новизна работы сводится к следующему:
1. Полигоны твердых бытовых отходов классифицированы по технологическим параметрам и условиям размещения, положению в геологических структурах Среднего Урала, совместное взаимодействие которых определяет ореолы загрязнения окружающей среды при складировании отходов.
2. Территория Среднего Урала разбита на районы, отличающиеся по степени защищенности геологической среды (в частности, подземных вод) от загрязнения с выделением типологических геологических критериев выбора участков для размещения полигонов.
3. Предложена гидрогеохимическая модель «полигон бытовых отходов – окружающая среда», позволяющая прогнозировать процессы разложения отходов и распространения загрязнения в геологических структурах Среднего Урала, служащая основой профилактических мероприятий управления процессом складирования отходов.
4. На основе проведенных исследований выявлены природные и техногенные грунты с определенными физико-механическими и физико-химическими свойствами, которые предложено использовать для создания противофильтрационных экранов и промежуточной изоляции.
5. Предложен комплекс методов изучения и экологической оценки полигонов твердых бытовых отходов.
6. Разработаны принципы организации экологического мониторинга природной окружающей среды на полигонах бытовых отходов Среднего Урала.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований:
1. Научные положения по управлению процессом захоронения бытовых отходов использованы при проектировании новых полигонов (п. Бисерть, г. Краснотуринск и др.) и рециклинга действующих полигонов с учетом результатов мониторинга геологической среды на объектах-аналогах в типовых геологических структурах (Широкореченский, Горнощитский lll и V полигоны г. Екатеринбурга, Ленинский полигон в г. Нижнем Тагиле, Верх-Нейвинский, Ирбитский, Михайловский полигоны и др.).
2. Разработаны рекомендации по санации и рекультивации нарушенных земель г. Екатеринбурга, включая несанкционированные свалки.
3. Теоретические положения и результаты научных исследований используются в лекционных курсах кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ: «Геоэкология», «Грунтоведение», «Инженерные сооружения», «Инженерно-геологические изыскания», «Механика грунтов и горных пород», курсовом и дипломном проектировании, включены в инструктивные и методические документы, а также учебно-методическую литературу (три учебных пособия).
Защищаемые положения.
1. Складирование твердых бытовых отходов на полигонах в природных, экологических и экономических условиях Среднего Урала является в современных условиях оптимальным способом их утилизации. Оно должно осуществляться на основе типоморфных характеристик полигонов с учетом физико-географических условий и геолого-гидрогеологических особенностей территорий для минимизации негативного воздействия на окружающую среду (главы 1, 2).
2. Трансформация геологической среды полигонов твердых бытовых отходов Среднего Урала обусловлена гидрогеохимическими, биогеохимическими процессами в системе «полигон – геологическая среда», строением, мощностью, составом пород зоны аэрации, степенью защищенности подземных вод и выражается в аэрогенном и гидрогенном загрязнении почв, грунтов, изменении химического, газового, минерального, микробиологического состава и свойств грунтов зоны аэрации, подземных вод, активизации процесса выветривания в породах основания полигонов (глава 3).
3. Геоэкологический мониторинг территорий полигонов твердых бытовых отходов охватывает все компоненты природно-технической системы «полигон твердых бытовых отходов – окружающая среда» на разных этапах ее существования. Он нацелен на управление процессом захоронения отходов на основе систематических наблюдений, выявления тенденций в изменении состояния отходов и среды, разработки краткосрочных и долгосрочных прогнозов и рекомендаций (глава 4).
4. Сочетание научного подхода к складированию отходов в условиях Среднего Урала и концепции профилактических мероприятий, предупреждающих негативные изменения природно-технических систем «полигон твердых бытовых отходов – геологическая среда», позволяет на новом качественном уровне подойти к решению актуальных проблем охраны окружающей среды и рационального природопользования при захоронении отходов (глава 5).
Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались: на Международном совещании «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 1996 г.); научно-практических семинарах Международной выставки «Уралэкология» (Екатеринбург, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001 гг.); Международном симпозиуме «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2001 г.); Международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды» (Екатеринбург, 2002 г.); Годичных сессиях Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» (Москва, 2003, 2004, 2005 гг.); Толстихинских чтениях (Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.); Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (Екатеринбург, 2004 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Реновация: отходы-технологии-доходы» (Уфа, 2004 г.); Международной научной конференции «Проблемы инженерной геодинамики и экологической геодинамики» (Москва, 2006 г.); Уральской горно-промышленной декаде (Екатеринбург, 2005, 2006, 2007 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2006 г.); Международной научной конференции «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (Москва, 2007 г.); научных семинарах Института геологии и геофизики и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, основные из них следующие: 1 монография, 19 статей (из них 7 - в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАКа), 18 - материалов конференций.
Личный вклад автора. Диссертант лично участвовала в проведении полевых, лабораторных исследований на полигонах ТБО и обработке полученных результатов. Автором сформулированы методические основы и принципы выполнения мониторинга на полигонах с учетом их положения в геологических структурах Среднего Урала и классификационных признаков. Разработана модель полигона, рассматривающая процессы в теле полигона одновременно с процессами в геологической среде основания полигонов, предложены способы обустройства полигонов с использованием местных грунтов и отходов.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному консультанту, заслуженному деятелю науки РФ, доктору геолого-минералогических наук, профессору О.Н. Грязнову за постановку темы, работы и постоянную помощь в ее выполнении, доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.С. Табаксблату, доктору технических наук, профессору С.Н. Тагильцеву за консультации, доктору геолого-минералогических наук доценту А.Б. Макарову и доценту Э.И. Афанасиади за полезные советы и замечания по существу работы; кандидату геолого-минералогических наук Л.П. Грибановой за предоставление материалов по Московскому региону; кандидату геолого-минералогических наук, доценту И.А. Долининой, магистрам А.В. Захарову, А.В. Ворожеву, зав. лабораторией Н.Г. Бондаренко, кандидату геолого-минералогических наук В.Н. Довгополому – за помощь в выполнении исследований и оформлении работы, кандидату геолого - минералогических наук М.Ю. Широкову за содействие в выполнении работы. Автор выражает также благодарность всем своим коллегам - преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ за оказанную поддержку, помощь в выполнении работы и ее обсуждении.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 234 наименования. Работа изложена на 351 страницах текста, содержит 82 рисунка и 23 таблицы.
