Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Проблемы захоронения отходов на полигонах ТБО (аналитический обзор) 8
1.1. Классификация отходов и видов полигонов захоронения отходов 8
1.2 Оценка существующих систем управления отходами в отечественной и зарубежной практике 12
1.3. Природоохранные и правовые вопросы эксплуатации полигонов ТБО 21
ГЛАВА 2 Формирование геоэкологической обстановки под влиянием полигонов ТБО 34
2.1 Анализ воздействий полигонов ТБО на биотоп антропогенной в зоне их расположения
2.2 Состав и свойства сточных вод (фильтрата) полигонов ТБО 42
ГЛАВА 3 Методы защиты подземных вод как элемента биотопа от воздействия полигонов ТБО 60
3.1 Анализ существующих современных методов и технологий обработки фильтрата 60
3.2 Выбор экологически надежной и технологически оптимальной схемы обработки фильтрата 72
ГЛАВА 4 Оптимизация методов локализации фильтрата полигонов ТБО с помощью геосинтетических материалов 132
4.1 Основные конструктивные решения полигонов ТБО 132
4.2 Результаты экспериментально-производственного исследования мембраны SLT-CH 137
4.3 Применение геосинтетических материалов для защиты абиотических факторов среды в
экосистемах полигонов ТБО 142
ГЛАВА 5 Экспериментальное изучение состава и свойств фильтрата полигонов ТБО 148
5.1 Задачи и методика проведения исследования 148
5.2 Результаты лабораторных исследований 150
5.3 Анализ полученных результатов 159
ГЛАВА 6 Разработка технологической схемы очистки фильтрата ... 163
6.1 Задачи и методика проведения исследований 163
6.2 Результаты лабораторных исследований 166
6.3 Анализ полученных результатов 183
Общие выводы 190
Библиография 192
- Классификация отходов и видов полигонов захоронения отходов
- Анализ воздействий полигонов ТБО на биотоп антропогенной в зоне их расположения
- Анализ существующих современных методов и технологий обработки фильтрата
- Основные конструктивные решения полигонов ТБО
Введение к работе
Одной из самых актуальных проблем современности является охрана окружающей среды от антропогенного воздействия. Вопросы, связанные с очисткой природных и сточных вод, охраны и улучшения санитарного состояния поверхностной и подземной гидросферы, литосферы, почв, атмосферы, флоры и фауны служат объектом исследований ученых во многих странах. Среди результатов хозяйственной деятельности человека весьма объемным по количеству и в то же время слабоизученным и разработанным являєтеся сбор, переработка, складирование отходов производства и потребления. Так в Западной Европе вырабатывается 10-11 тонн отходов на душу населения в год, в РФ это значение составляет 15 тонн. В системе обращения с отходами следует особенно выделить депонирование отходов на полигонах ТБО. Значительное внимание к полигонам ТБО и ПО в последние годы вызвано тем фактором, что они длительное время рассматривались просто как свалки мусора, которыми занимались муниципальные службы, санитарно-эпидемиологические органы и др. В тоже время, как показывает опыт ряда постиндустриальных стран, полигоны ТБО - это ответственный комплекс специальных сооружений со сложной технологией возведения и эксплуатации. Как каждое сооружение полигоны ТБО подпадают под рассмотрение строительного проектирования и производства, и рассматривать их нужно как сооружения 1-го уровня ответственности в связи со значительным экологическим и социальным риском при их разрушении. В этом случае полигоны ТБО являются осложняющим фактором в функционировании экосистем и должны рассматриваться в рамках научных исследований экологической направленности, в частности, при воздействиях на абиотические факторы среды в рамках геоэкологии. В целом проблемы воздействия полигонов ТБО на различные элементы экосистем являются
исключительно сложными и многообразными, вследствие этого возникает необходимость поэтапного изучения воздействий полигонов и ответных реакций экосистем. При этом при всех условиях единства элементов экосистем необходимо разделять объекты исследований для выработки природоохранных мероприятий.
Полигоны оказывают существенное отрицательное влияние на санитарное состояние прилегающих территорий: образуется значительное количество пыли, сильный гнилостный запах, шум. В теле полигона протекает ряд процессов, вызывающих образование «свалочного газа» и сточных вод, которые ухудшают экологическое состояние региона. При этом наиболее уязвимыми являются подземные воды, а через них поверхностные воды, почвы, грунты,, растительность и т.п., которые, как известно, представляют собой элементы биотопа, т.е. главный предмет исследований геоэкологии. Вследствие исключительно интенсивного влияния фильтрата на подземные воды, которые во многом определяют устойчивое развитие биоценозов, и возможность распространения загрязнений от полигонов ТБО возникает необходимость разработки методов обеспечения геоэкологической безопасности полигонов.
В мировой практике решению данной проблемы уделяется значительное внимание, так в Германии разработан комплекс мер по защите грунтового пространства вокруг полигонов, особенно направленных на создание защитных экранов с применением современных геосинтетических материалов и разработке методов очистки сточных вод (фильтрата), высачивающихся из тела полигона. В РФ до последнего времени данной проблематике уделялось недостаточно внимания. В тоже время предотвращение вредного воздействия отходов жизнедеятельности человека на окружающую среду является одним из основополагающих факторов стратегии экологической безопасности РФ, что свидетельствует об актуальности данной проблемы.
От выбора экологически оптимальной схемы очистки фильтрата зависит нагрузка на существующие вокруг полигона экосистемы, другими словами сооружения по обработке фильтрата являются определяющим фактором, влияющим на существование экосистем вне полигона. Исследование по выбору и разработке новых адекватных окружающей среде схем очистки фильтрата, высачивающегося из тела полигона, является актуальным, затребованным и призвано иметь широкое практическое применение.
Цель: Разработка совершенных методов защиты почв и грунтовых вод вокруг полигонов депонирования ТБО в целях обеспечения геоэкологической безопасности.
Достижение указанной цели вызвало необходимость решения следующих задач:
изучить условия формирования фильтрата на полигонах ТБО как элементах системы управления обращением с отходами производства и потребления;
провести анализ и систематизировать существующие системы и технологии сбора и отведения фильтрата полигонов ТБО;
оценить применимость и эффективность методов обработки фильтрата, обеспечивающих снижение его негативного воздействия на элементы экосистем;
исследовать применимость геосинтетических материалов для защиты абиотических факторов среды (подземных вод) от воздействия фильтрата полигонов ТБО;
изучить состав и свойства фильтрата полигона ТБО и динамику их изменения во времени и в зависимости от климатических условий;
разработать технологическую схему обработки фильтрата полигонов ТБО, обеспечивающую их геоэкологическую безопасность.
Научная новизна работы
Теоретически разработана и экспериментально проверена технологическая схема для очистки фильтрата полигона. Сформулированы аспекты выбора схем очистки фильтрата в соответствии с принципами их адекватности окружающей среде. Оценена применимость геомембран для локализации фильтрата в теле полигона как метод снижения его воздействия на абиотические факторы среды. Разработан метод оценки экологической адекватности схемы очистки по эффекту очистки. Практическая значимость работы Заключается в подборе оптимальных с экологической точки зрения схем очистки фильтрата полигонов ТБО. В использовании при выборе схем очистки сточных вод, высачивающихся из тела полигона, факторов экологической адекватности. Данные факторы имеют важное практическое значение при санировании полигонов для предотвращения дальнейшего загрязнения окружающей среды и при проектировании и/или возведении новых полигонов ТБО для предотвращения .возможных эмиссий или распространения загрязнений путем их перенесения на другие объекты и соответственно нагрузки на окружающие их экосистемы. Результаты работы использованы в проектных решениях по полигону ТБО «Нылгинский» в г. Ижевске. Частично результаты теоретических исследований вошли в проект ТСН МО «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов ТБО».
Классификация отходов и видов полигонов захоронения отходов
Объем ТБО в РФ постоянно возрастает, как в абсолютных величинах, так и из расчета на душу населения и в настоящее время исходя из анализа различных литературных источников, объем составляет около 56,0 млн.т в год (104, 131), из которых до 96% вывозятся на полигоны захоронения отходов. При этом необходимо отметить, что по данным литературных источников эти значения в других промышленно развитых странах гораздо ниже, так в Испании и Канаде на полигоны вывозится 75% отходов, а в Швеции лишь 40% (57). Из этого следует, что необходима разработка системы переработки и утилизации отходов.
В РФ проблема захоронения отходов становится все более острой из-за большого количества объектов, где складировались отходы, значительного числа старых свалок, больших объемов отходов в абсолютных величинах и зачастую невозможности контроля состава отходов. Так на территории Московской области число функционирующих свалок и полигонов приближается к 140, а объем принимаемых и собственных отходов составляет 12 млн. м /год и 9 млн. \ґ/год соответственно (104).
Такие объемы, а также существенное различие отходов разнообразного происхождения по составу и свойствам требуют разработки системы их классифицирования и классифицирования мест из захоронения.
Предварительно необходимо разделить понятия «полигон ТБО» и «несанкционированная свалка отходов». Под полигоном депонирования ТБО и ПО понимается сложное инженерное сооружение или система, специально запроектированная для депонирования конкретных видов отходов. Следует заметить, что в проекте нормативного документа ТСН МО «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов ТБО» устанавливается, что полигоны ТБО и ПО должны быть отнесены к строительным сооружениям 1-го уровня ответственности в связи с их значительным экологическим и социальным риском. Однако на территории РФ существует огромное количество так называемых «несанкционированных свалок», только на территории Москвы по данным работ АО «Прима» (130) находится более ста таких объектов, общая суммарная площадь которых составляет 935 га, что соответствует примерно 1% площади города (106).
В Российской Федерации, как и во многих других развитых странах, разработан классификатор отходов жизнедеятельности человека (85). Согласно, данного документа отходы, образующиеся в промышленных процессах и в результате деятельности человека, разделены на группы. Эти группы основаны в целом на происхождении отдельного вида отхода, однако, также учитывают его состав, способ образования, агрегатное состояние.
Необходимо отметить, что в классификатор внесены не все виды существующих отходов. Это происходит из-за постоянного образования новых видов отходов, в связи с этим требуется постоянное обновление и дополнение данного документа. С другой стороны из-за постоянно изменяющегося состава отходов они не могут быть точно классифицированы по агрегатному состоянию. Отходы разделяются в классификаторе согласно их происхождению. Классификационный каталог имеет следующую многоуровневую схему: Блок - Группа - Подгруппа - Позиция - Субпозиция.
В этой схеме каждый вид отходов имеет свой пятизначный цифровой код, где первая цифра обозначает блок, вторая - группу, третья -подгруппу, две последние являются обозначением позиции.
Многие зарубежные и отечественные авторы разрабатывают собственные независимые классификации отходов по происхождению, возможности и виду использования и по агрегативному состоянию (150, 48, 77). Согласно данным работам отходы по агрегативному состоянию можно разделить на: - газообразные; - жидкие (которые возможно разделить на водные и неводные растворы); - твердые.
Каждый из данных видов отходов можно также подразделить на подгруппы, при этом самыми многообразными по составу и происхождению будут именно жидкие отходы (104).
Большая часть отходов производства и потребления собирается и депонируется на специальных полигонах. Эти полигоны можно подразделить на несколько классов в зависимости от типа отходов попадающих на них: отвалы грунта; полигоны строительного мусора; полигоны твердых бытовых отходов (ТБО); полигоны особых отходов; полигоны промышленных отходов: монополигоны.
Классификация полигонов у различных авторов варьируется, в частности, некоторые авторы выделяют в качестве отдельных типов: сточные воды и отходы, образующиеся на месте катастроф (50, 152, 40), однако места накопления (складирования) данных видов отходов трудно даже условно назвать полигонами.
Анализ воздействий полигонов ТБО на биотоп антропогенной в зоне их расположения
Все типы полигонов депонирования отходов оказывают влияние на окружающую среду, при этом полигоны воздействуют как на отдельные составляющие, так и на экосистемы в целом и, прежде всего на абиотические факторы, т.е. биотоп, хотя биоценозы быстрее реагируют, иногда вплоть до угнетения и гибели. Следует отметить, что воздействие продолжается в течение всего жизненного цикла полигона. Даже после закрытия полигона и рекультивации необходимо отведение и обработка образующихся сточных вод и свалочного газа. В этих целях на стадии проектирования и строительства полигонов предусматриваются специальные системы сбора и отведения.
На стадии эксплуатации полигона ТБО и ПО согласно исследованиям K.Kruse (93) возможно образование следующего комплекса воздействующих на окружающую среду факторов: газ, фильтрат, сточные воды с поверхности полигона, пыль, запах, шум.
Шумовое загрязнение, а также пыль и запах возникают только на стадии эксплуатации полигона, другими словами после закрытия полигона влияние данных факторов незначительно. Для снижения влияния этих факторов предусматриваются следующие меры: орошение подъездных путей и путей транспортирования депонируемых отходов по территории полигона водой для предотвращения образования пыли; уплотнение депонируемых отходов, в том числе для предотвращения рассеивания мусора по прилегающим территориям (ветер, птицы и т.д.); на стадии проектирования должно учитываться направление ветра в течение года и расстояние до ближайших населенных пунктов для правильного выбора места строительства. Во избежание возникновения жалоб со стороны населения на шум и запах в период эксплуатации полигона; на стадии проектирования должны предусматриваться меры по снижению шумового воздействия и пыли на все экосистемы региона.
В течение всего жизненного цикла полигона определяющими воздействиями на окружающую среду являются «свалочный газ» и сточные воды, высачивающиеся из тела полигона. На данные эмиссионные факторы главное влияние имеет фракционный и компонентный составы депонируемых отходов.
По данным литературных источников (117) отходы, накапливаемые на полигонах ТБО, имеют следующий фракционный состав: органическая фракция - 31,6%; бумага, картон - 24,0%; минеральная составляющая, мелкий мусор - 13,1%; дерево, кожа, резина, кости 8,9%; синтетические материалы, текстиль - 8,8%; стекло - 8,0%; железо и др. металлы - 5,6%.
Состав и свойства «свалочного газа» и фильтрата, как установлено подвержены воздействию процессов протекающих в теле полигона и, следовательно, меняются по фазам жизненного цикла полигона. Изучение воздействия «свалочного газа» на экосистемы и биосферные процессы являются задачей специального отдельного исследования и в рамках данной работы приводятся только необходимые общие описания по «свшючному газу».
Согласно исследованиям многих ученых «свалочный газ» представляет собой сложную высококонцентрированную смесь газов и при эмиссии его в окружающую среду способен оказать сильнейшее вредное воздействие на экосистемы региона.
Из таблицы 2.2 следует вывод о необходимости проектирования систем сбора, отведения и обработки газов, образующихся на полигонах ТБО для предотвращения их эмиссий в окружающую среду.
В течение протекания фаз жизненного цикла полигона в его теле происходят следующие процессы, влияющие на образование свалочного газа:
Аэробная фаза. Непосредственно после укладки начинается аэробное разложение органических соединений, этот процесс продолжается до полного использования всего имеющегося в теле полигона кислорода. В прямой зависимости от потребления кислорода увеличивается содержание окиси углерода.
Кислая фаза. В этой фазе начинается кислое разложение продуктом, которого являются органические кислоты, двуокись углерода и водород. Остающийся в теле полигона азот воздуха вытесняется.
Нестабильная метановая фаза. Медленно развивается популяция метановых бактерий, которые переводят конечные продукты окисления в метан. Концентрация этого газа возрастает, в то время как концентрация водорода снижается. Стабильная метановая фаза. После стабилизации процесса анаэробного разложения, содержание метановой составляющей и двуокиси углерода также стабилизируется на соотношении 60 к 40% по объему. Отсюда следует вывод о возможном использовании «свалочного газа» после соответствующей обработки для отопления или других нужд хозяйства в виду высокого содержания в нем метановой составляющей.
Также необходимо отметить, что точное прогнозирование состава «свалочного газа», а, следовательно, и его возможного воздействия на экосистемы региона пока невозможно в виду большого количества факторов влияния и следует необходимость постановки специальных исследований.
Системы сбора и отведения, устраиваемых на полигонах можно классифицировать на две группы по фазам: система сбора и отведения для дальнейшей обработки «свалочного газа», и система сбора и отведения для последующей очистки фильтрата. Согласно исследованиям ведущих ученых фильтрат представляет собой смесь сточных вод высачивающихся из тела полигона и представляет собой весьма опасный в случае попадания в окружающую среду концентрат (68,69,57,162).
Вопросам изучения фильтрата, его эмиссий и воздействия на экологические факторы, а также методам локализации и очистки фильтрата в целом посвящены все дальнейшие исследования в данной работы. Это является ее главной целью.
Анализ существующих современных методов и технологий обработки фильтрата
Как было показано выше, фильтрат полигонов ТБО обладает сложным составом, меняющимся по фазам жизненного цикла полигона. Поэтому решение актуальной проблемы очистки фильтрата является весьма сложной задачей. Установлено, что при проектировании очистных сооружений для фильтрата невозможно опираться на средние значения концентраций загрязнений, так как разрыв между максимальными и минимальными значениями чрезвычайно велик (см. табл. 2.8). Поэтому для каждого полигона на данном этапе необходимо проведение собственных исследований, а также индивидуальный подход и расчет очистных сооружений. С другой стороны из-за высокой степени разбавления грунтовыми водами, фильтраты, высачивающиеся из полигонов ТБО на территории РФ, обладают меньшими концентрациями загрязняющих веществ (56), т.е. менее нагружены по сравнению с зарубежными аналогами, однако это приводит к большим объемам фильтрата, что также требует решения при проектировании систем очистки сточных вод полигонов ТБО.
По сложившейся системе классифицирования методов очистки других производственных сточных вод, все методы обработки фильтрата подразделяются на четыре основных группы: биологические методы, обычно применяемые в совокупности или в комбинации с другими методами очистки, например, окислением и адсорбцией; химические методы, представляющие собой обычно методы оксидации; физико-химические методы, использующие различные химические и физические свойства веществ, содержащихся в фильтрате, для их изъятия, требуют комбинации с предварительными и последующими методами очистки; физические методы. Согласно литературным источникам все методы обработки фильтрата подразделяются на (25): методы химического или биологического воздействия на вещества, содержащиеся в фильтрате: биологические методы, химическая оксидация с применением озона, термическое окисление (сжигание); физическое разделение веществ, содержащихся з фильтрате: обратный осмос/нанофильтрация, выпаривание/сушка, абсорбция на активном угле, выделение азота
В отечественных литературных источниках уделяется недостаточное внимание проблематике очистки фильтрата полигонов. Наблюдается, однако, тенденция постепенного роста интереса к проблематике, способам и методам очистки сточных вод от полигонов депонирования ТБО (16,130).
В зарубежных источниках проводится ряд исследований существующих методов обработки фильтрата. Их можно разделить на три группы: исследования физических методов в особенности обратного осмоса в схемах обработки фильтрата, исследования биологических методов, новые методы обработки сточных вод данного типа.
Во многих работах отмечается необходимость применения совокупности биологических и физических методов при обработке фильтрата (42,159,147,98). Современные методы и заявки на патенты описывают комбинированные способы. Примером такого способа может служить метод использования биологического реактора с включенной в него мембраной, предложенный французским исследователем V.Levy (98).
Также существуют предложения по много ступенчатой очистке, как, например, описанный в заявке на патент U.Zietz метод трехступенчатой обработки сточных вод высачивающихся из тела полигона ТБО (172):
Первая ступень: коагуляция для выделения коллоидных комплексообразующих соединений гуминовых и фульвокислот. Вторая ступень: адсорбция для удаления адсорбируемых органических галогенов (АОХ). Третья ступень: отдувка воздухом или паром для удаления соединений аммонийного азота. Примером метода обработки фильтрата, разработанного в РФ, служит заявка на патент (130). Способ заключается в смешении СВ с пылевидным коксом и последующей гальванокоагуляцией с электросепарацией со смешением на выходе католита и анолита и отделением тонкодисперсного осадка.
Основные конструктивные решения полигонов ТБО
Выше в главе 1 и 2 была подробно рассмотрена роль полигонов ТБО в проблеме управления обращением с отходами, было установлено, что полигоны захоронения твердых бытовых и промышленных отходов являются сложнейшими инженерными сооружениями и системами, предназначенными для складирования отходов жизнедеятельности человека. Данные сооружения необходимо относить к первому классу ответственности в виду высокой экологической опасности в случае их разрушения либо неправильного функционирования, эксплуатации.
При проектировании, строительстве и эксплуатации полигонов одной из важнейших задач является исключение эмиссионного загрязнения подстилающих грунтов, грунтовых и поверхностных вод и воздушного пространства, что является одним из главных следствий проникновения в них фильтрата из тела полигона.
В повышении геоэкологической безопасности полигонов ТБО определяющую роль играют защитные экраны основания и поверхности и другие методы защиты, препятствующие проникновению фильтрата и биогаза в окружающую среду. Среди данных схем особое место занимают инженерные решения с применением современных геосинтетических материалов (24,39,52,175,178). Данные решения находят широкое применение в зарубежной и отечественной практике.
В последнее время в мировой практике депонирования отходов произошли значительные изменения. Для повышения надежности современных полигонов требуется разработка защитных экранов, как поверхности, так и основания проектируемого объекта, были значительно ужесточены нормы предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ на прилегающих к полигонам территориях. Необходимо отметить, что эти значения приближены к содержанию данных веществ при обычных условиях в окружающей среде. На рисунках 2 и 3 представлены примеры конструкций защитных изоляционных экранов основания и поверхности полигона, как наиболее распространенных и рекомендуемых вариантов в ФРГ (29).
Возможны различные из вышеуказанных комбинации и другие решения защитных экранов, так минеральный изоляционные слои могут быть выполнены из бентонитовых матов либо в комбинации с ними, в таком случае их мощность может быть менее 50 см (6). Для всех типов защитньгх экранов существуют определенные требования: к гидроизоляционным свойствам защитных экранов; к механической прочности конструктивных элементов; к устойчивости применяемых материалов к химическим, биологическим и температурным воздействиям; к производству работ по устройству защитных экранов.
Конструкция защитных экранов представляет комбинацию изоляционных и фильтрующих элементов, позволяющих собирать и отводить фильтрат и свалочный газ, образующиеся при перегнивании мусора, а также обеспечить изоляцию тела полигона от подпитки грунтовыми водами и атмосферными осадками, отводя их в дренажную систему.
Синтетическая рулонная изоляция может быть выполнена из различных материалов (полиэтилен, поливинилхлорид, пропилен/этилен сополимеры и др.), однако, необходимо отметить, что в настоящее время наиболее распространенными являются материалы, выполненные из полиэтилена со структурирующими, пластифицирующими и прочими добавками.
Мировыми лидерами в разработке конструкций защитных экранов и материалов для них являются Германия и Италия (24,39). Нормативные документы, разработанные в ФРГ для полигонов ТБО и ПО, являются примером и основой при разработке аналогичных актов в других странах.
Согласно требованиям ТА „Siedlungsabfall" (6) материалы, используемые при устройстве защитных экранов полигонов ТБО и ПО, проходят испытания на соответствие механических характеристик: прочности при разрыве, предела текучести, удлинения при разрыве, удлинения при достижении предела текучести, сопротивления раздиру, сопротивления продавливанию, ударной вязкости.
И в зависимости от назначения материала: пенетрации, дренирующей способности (для дренажей), сопротивления растрескиванию на открытом воздухе, сопротивления и/или нечувствительности химическому и биологическому воздействию или к агрессивным средам, сопротивления старению и потере пластификаторов и добавок другого рода, и т.д.
В схемах очистки сточных вод как одном из способов защиты почв от фильтрата в последнее время геосинтетические материалы применяются весьма широко, так для очистки ливневых сточных вод компания «Schreck» («Шрек») разработала специальные геосинтетические мешки, устанавливаемые прямо в колодцы для сбора дождевых вод (181). Воды профильтровываются через несколько слоев нетканого материала, что обеспечивает повышение качества сточных вод приходящих на городские очистные сооружения (181).
