Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов исследования и восстановления нарушенных ПТС 12
1.1. Нарушенная птс как объект исследования 12
1.1.1. Понятие птс и ее составляющих 12
1.1.2. Генезис формирования и типы птс, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью 13
1.1.3. Представления о жизненном цикле как хронологической составляющей птс 17
1.1.4. Представления о птс как территориальной области целевого освоения 24
1.2. Существующие методы исследования и оценки птс 29
1.2.1. Натурные методы оценки 30
1.2.2. Графические методы оценки 34
1.2.3. Численные методы оценки и моделирования 36
1.2.4. Параметры оценки птс 39
1.3. Воззрения на нарушенную птс
Как объект управляемого восстановления 42
1.3.1. Анализ нормативно-правовой базы по восстановлению нарушенных геосистем 43
1.3.2. Анализ направлений, методов и технологий восстановления нарушенных геосистем 49
Глава 2. Теория, методология и методы оценки нарушенных ПТС 69
2.1. Птс как бинарная система 71
2.2. Стадии и фазы жизненного цикла птс 74
2.3. Птс как территориальная единица целевого освоения
2.3.1. Параметры и характеристики оценки 80
2.3.2. Метод обработки многомерных данных как инструмент оценки жизненного цикла 83
2.3.3. Позиционирование и иерархия птс в региональном промышленном кластере 88
2.3.4. Оценка ресурсных возможностей территориального освоения птс 94
2.4. Птс как объект трансформации
Техногенного образования 101
2.4.1. Характеристики оценки 103 2.4.2. Трехмерный и матрично-цифровой анализ как инструмент оценки трансформации 104
2.4.3. Индикация способности биоразложения органики...
1 2.5. Основные положения теории и методологии оценки нарушенных птс 109
2.6. Формирование объектов исследования и их основных параметров 113
Глава 3. Оценка птс как территориальных единиц Целевого освоения 124
3.1. Оценка стадии жизненного цикла птс 124
3.2. Обоснование освоения птс по типу позиционирования и иерархическому уровню 134
3.3. Ресурсный и логистический анализ освоения птс 137
Глава 4. Оценка птс как объекта трансформации. Техногенного образования 143
4.1. Техногенное образование как объект трансформации 143
4.2. Объекты исследований 146
4.3. Структурно-матричная оценка птс 148
4.4. Разработка объемных моделей техногенного образования 150
4.5. Оценка трансформации техногенных образований методом биоразложения 1 4.
5.1. Кинетический подход 155
4.5.2. Верификация оценки трансформации техногенных образований 167
Глава 5. Технологические основы восстановительных работ 181
5.1. Базовые принципы восстановления 182
5.1.1. Принцип доминирования техногенного образования 182
5.1.2. Принцип обеспечения подобия базовых составляющих 183
5.1.3. Кластерный принцип 183
5.1.4. Конструктивно-компоновочный принцип 185
5.2. Технологические подходы к восстановлению 186
5.2.1. Структурно-фазовый технологический подход 186
5.2.2. Способ обращения с базовыми составляющими 187
5.2.3. Максимальное использование ресурсного потенциала 187
5.3. Виды технологий восстановления применительно К воздействиям на структуру и состав базовых составляющих... 188
5.3.1. Агрегационные технологии 190
5.3.2. Конверсионные технологии 191
5.4. Примеры использования технологий восстановления нарушенных птс 193
5.4.1. Геоконтейнерная обработка шламов 194
5.4.2. Биодеструкция углеводородсодержащих грунтов экскавации строительных выемок 201
5.4.3. Конверсия жидких техногенных образований накопителей с использованием станций аэрации 205
5.4.4. Инокуляционная обработка массивов органо-минеральных отходов с использованием осадков сточных вод 219
5.4.5. Изоляция техногенных образований с использованием вторичных рекультивационных материалов 233
Глава 6. Комплексы рециклирования нарушенных птс 236
6.1. Функциональное зонирование комплексов 239
6.2. Примеры реализации комплексов рециклирования птс 2 6.2.1. Комплекс агрегации шламов тэц 242
6.2.2. Комплекс конверсии нефтезагрязненных грунтов 246
6.2.3. Комплекс восстановления буферного пруда оао «куйбышевский нпз» 252
Выводы 259
Список сокращений 261
Библиографический список
- Генезис формирования и типы птс, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью
- Метод обработки многомерных данных как инструмент оценки жизненного цикла
- Ресурсный и логистический анализ освоения птс
- Оценка трансформации техногенных образований методом биоразложения
Введение к работе
Актуальность темы. Рост городов способствует формированию в границах градо-промышленных агломераций дефицита свободных территорий, доступных для освоения. При этом, как показывает практика, в ареале потенциального развития агломераций расположены десятки объектов размещения и захоронения отходов, отработанных карьеров, участков аварийных проливов загрязняющих веществ, бездействующих зданий и сооружений. Общая площадь территорий, занятых подобными объектами, достигает десятков гектар и требует производства комплекса мероприятий с целью снижения уровня существующей техногенной нагрузки и возврата земель в хозяйственное использование. По генезису все перечисленные объекты являются техногенными и в совокупности с компонентами окружающей среды образуют природно-техногенные системы (ПТС), развивающаяся во времени и пространстве как единое целое.
Известные методы и технологии восстановления подобных ПТС часто неэффективны. Не учитывается сложность структуры и состава ПТС, обусловленная неорганизованными условиями их формирования и продолжительным жизненным циклом в естественных условиях. Ресурсные и геоэкологические особенности промышленного кластера как основного источника генерации ПТС не принимаются во внимание. В результате, даже после производства восстановительных работ ПТС продолжают оказывать отрицательное воздействие на компоненты окружающей, а восстановленная территория не находит целевого использования. При этом отсутствует теоретическая база комплексной оценки состояния нарушенных ПТС для разработки технологий их управляемого восстановления с целью последующего освоения, а существующие отраслевые требования и принципы производства восстановительных работ предполагают наличие исчерпывающих сведений о структуре, составе и свойствах, компонентов их формирующих. Решение проблемы эффективного восстановления и освоения ПТС в условиях неопределенности их структуры, состава и генезиса формирования требует разработки теоретических положений комплексной оценки и технологий восстановления и освоения нарушенных территорий, выходящих за рамки понятия "рекультивация".
Степень разработанности проблемы. Следует высоко оценить научные работы отечественных авторов, посвященные оценке состояния и восстановления ПТС: по методологическому обеспечению - В.В.Дмитриева, И.И. Мазура, В.И. Осипова, Н.Ф.Реймерса, В.Д.Кальнера и др.; по реализации системного подхода в управлении экологической безопасности ПТС при строительстве - В.И. Теличенко, М.Ю. Слесарева и др.; по теории и методам оценки геоэкологической безопасности создаваемых и восстанавливаемых ПТС - Т.Г.Середы, М.В. Графкиной, В.В. Гутенева, Ю.В. Трофименко; по направлениям и технологиям восстановления нарушенных ПТС, в том числе при строительстве и обращении с отходами - И.К. Яжлева, К.Л. Чертеса, Е.В. Щербины, В.Ф. Ку-тенева, В.А. Звонова, В.Н. Коротаева, Д.Ю. Ступина, И.М. Сенющенковой и др.
Известные системы оценки нарушенных ПТС, предполагают проведение комплекса инженерных изысканий, при этом отсутствует система комплексной оценка ПТС в границах ее расположения и потенциального влияния. Не учитываются характер сопряженных геосистем, состав и структура техногенных образований и транспортно-логистическая доступность источников производства рекультивационных материалов, что сопровождается удорожанием стоимости восстановительных работ при неопределенности направлений целевого освоения территории. Актуальной остается проблема развития крупных градопромышленных агломераций в условиях дефицита свободных территорий и значительного уровня аккумулированной техногенной нагрузки в резуль-3
тате реализации строительно-хозяйственной деятельности. Отсутствие комплексного подхода в области оценки состояния нарушенных ПТС и разработки технологий управляемого восстановления зачастую нивелирует их эффективность при достаточной высокой стоимости работ и отсутствии перспектив возможного хозяйственного освоения земель. Актуальность исследования данной проблемы чрезвычайно высока, так как методология исследования и результаты ее практического решения затрагивают интересы общества, предприятий, институтов государственной власти и направлены на обеспечение инвестиционной привлекательности и благоприятной окружающей среды крупных градопромышленных агломераций.
Цель диссертационной работы: разработка комплексной оценки и технологий восстановления природно-техногенных систем, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью, для последующего освоения. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработаны теоретические положения и методологическая база оценки состояния ПТС позволяющая обосновать направлений их восстановления и последующего освоения;
разработана этапная система оценки ПТС с учетом трансформации на выделенных стадиях жизненного цикла и перспективой освоения в условиях регионального кластера;
разработаны технологические основы, базовые принципы и технологии управляемого восстановления ПТС для последующего освоения;
разработаны конструктивно-технологические оформления и апробированы технологии восстановления и освоения ПТС в виде комплексов рециклирования.
Рабочая гипотеза диссертационного исследования, основана на предположении о возможности вовлечения нарушенных природно-техногенных систем в хозяйственный оборот путем направленного воздействия на их структуру и состав с использованием технологий восстановления. Причем, использование подобных технологий с минимальными экологическими издержками возможно в условиях комплексов рециклирования территорий, а создание которых сопряжено с необходимостью учета пространственно-временного позиционирования, структурной организации и потенциальной рецикли-рующей способности нарушенных ПТС.
Научная новизна
1. Предложена методология оценки ПТС на основе бинарного подхода: как террито
риальных единиц геосреды и как объектов трансформации техногенных образований.
Оценка ПТС как территориальных единиц геосреды производится с учетом взаимного позиционирования объектов и анализа ресурсных возможностей региона для определения направлений перспективного освоения. Оценка ПТС как объектов трансформации техногенных образований, с дифференцированием на базовые составляющие, отнесением к стадии жизненного цикла, выделением фрагментов неоднородной структуры и состава и индикацией способности к биоразложению, позволяет разработать технологии управляемого восстановления.
-
Для ПТС в условиях достижения сродства базовых составляющих выделены стадии жизненного цикла: диссипация, агломерация и ассимиляция. Отнесение ПТС к стадии жизненного цикла производится с использованием групп характеристик: структурно-геометрических, хронологических, геоэкологических, геомеханических и биохимических.
-
Учет стадий жизненного цикла ПТС определяет набор технологий восстановления и перспективные направления освоения нарушенных территорий.
4. Предложены базовые принципы восстановления нарушенных ПТС с созданием на их основе комплексов рециклирования ПТС: «доминирования техногенного образования», «обеспечения условий природного подобия базовых составляющих», «кластерный», «конструктивно-компоновочный».
Практическая значимость и реализация результатов работы:
-
На основе результатов предложенной методологии оценки ПТС как бинарной системы возможна разработка научно обоснованных технологий управляемого восстановления с минимальным воздействием на природную геосреду.
-
Использование параметрических групп характеристик позволяет оценить состояние нарушенных ПТС на выделенных стадиях жизненного цикла, установить соответствие направления освоения территории выделенной стадии и предложить технологии управляемого восстановления с минимальными геоэкологическими и финансовыми издержками.
-
Базовые принципы восстановления положены в основу создания новых технологий управляемого воздействия на ПТС, в частности: агрегационной технологии геоконтейнерной обработки шламов, конверсионных технологий обработки углеводородсодер-жащих техногенных образований, жидких техногенных образований накопителей с использованием станций аэрации, инокуляции массивов твердых коммунальных отходов.
-
Показана возможность использования технологий управляемого восстановления нарушенных ПТС в составе инженерных комплексов рециклирования: агрегации шламов ТЭЦ, конверсии нефтезагрязненных материалов и реконструкции сооружений.
Перечисленные комплексы запроектированы и внедрены в составе мероприятий по восстановлению нарушенных ПТС в агломерациях «Куйбышевская», «Новокуйбышевская» и «Отрадненская» с общим экономическим эффектом 273 млн. руб.
Положения, выносимые на защиту
-
Комплексный подход к оценке ПТС как бинарных систем по признакам пространственно-временного позиционирования, структурной организации и потенциальной ре-циклирующей способности доминирующих базовых составляющих.
-
Теоретические положения и методология оценки ПТС для обоснования экологически целесообразных технологий их восстановления и перспективных направлений освоения.
-
Базовые принципы восстановления нарушенных природно-техногенных систем с целью перспективного освоения их территорий в качестве функциональных зон комплексов рециклирования.
-
Технологии направленного воздействия на ПТС при их восстановлении с учетом результатов оценки стадии их жизненного цикла, структуры и состава.
Личный вклад автора состоял в определении основных направлений, методов и объектов исследований, разработке методического обеспечения, организации и проведении исследований с систематизацией, обсуждением и интерпретацией полученных результатов. Все представленные в диссертации технологии восстановления и освоения природно-техногенных систем теоретически обоснованы, разработаны и внедрены под руководством автора в качестве главного специалиста проекта и при его непосредственном участии. Эмпирическую базу работы составляют материалы исследований по проблемам оценки состояния территорий, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью и направлениям их перспективного освоения, а также результаты научно-исследовательских работ, выполненных при участии автора в 2011-2012 г.г. в рамках государственных программ развития высшей школы РФ, а именно:
- «Исследование кинетических закономерностей интенсификации биодеструкции
многокомпонентных гетерогенных углеводородсодержащих отходов» (2011,
№ гос.регистрации:01201153846);
- «Разработка комплексной системы переработки и утилизации сильнообводненных
и пастообразных отходов» (2012, № гос.регистрации:01201257752).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается и подтверждается использованием современных методов при проведении полевых, камеральных и лабораторных исследований, в области обработки массивов многомерных данных, теоретической и графической интерпретации и аппроксимации полученных результатов. Основные научные результаты исследований подтверждены патентами, внедрены на практике в составе конструктивно-технологических решений проектно-сметной документации, получивших положительные согласования государственных экспертных организаций.
Апробация результатов исследований. Положения диссертационной работы были представлены и обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (г. Санкт-Петербург, 2003); II Всероссийской научно-практической конференции «Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов» (г. Самара, 2003); X Международной конференции по хемометрике в аналитической химии (Линдоя, Бразилия, 2006); V Международном симпозиуме РФФИ «Современные методы анализа многомерных данных» (г. Самара, 2006); VIII Международной научно-практической конференции «Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (г. Пенза, 2006); X Скандинавском симпозиуме по хемометрике (Лаппеенранта, Финляндия, 2007); Х Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (г. Пенза, 2009); Петербургской технической ярмарке (г. Санкт-Петербург, 2011, 2012); Международном форуме по управлению отходами, природоохранным технологиям и возобновляемой энергетике WasteTech/ВэйстТэк (г. Москва, 2011, 2013); Международном экологическом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT (г. Тольятти, 2011, 2013); Промышленном салоне «Экспо-Волга» (г. Самара, 2012); выставке «Нефтедобыча. Нефтепереработка. Химия», «Экспо-Волга» (г. Самара, 2011,2012,2013)
Разработанные положения апробированы в ходе выполнения проектных работ и внедрены для объектов: ОАО «Самаранефтегаз» (2008–2011), ОАО «Куйбышевский нефтеперерабатывающий завод» (2006, 2009, 2011), ОАО «Новокуйбышевский нефтеперерабатывающий завод» (2010), ОАО «Сызранский нефтеперерабатывающий завод» (2000, 2006). Осуществлена подготовка территории промышленных площадок ОАО «Куйбышевский НПЗ» и ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» к новому строительству, а также рекультивация полигонов размещения коммунальных отходов «Тимофеевский» и «Отрадный».
Восстановлено и подготовлено для хозяйственного использования более 200 га территорий, нарушенных строительством и деятельностью жилищно-коммунального комплекса (2002–2012). Новизна технических решений подтверждена 4 патентами на изобретения и 1 свидетельством на полезную модель Российской Федерации. Материалы диссертации используются в учебном процессе СамГТУ.
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 50 работ, из них 15 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента на изобретение и 1 свидетельство на полезную модель, 5 монографий.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 323 листах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, библиографического списка из 409 наименований, содержит 57 рисунков, 46 таблиц и приложения.
Генезис формирования и типы птс, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью
Под природно-техногенной геосистемой (далее ПТС или геосистема) понимается совокупность двух взаимосвязанных элементов: техногенного образования и нарушаемой геологической среды [12, 41, 116, 274].
Техногенные образования представляют собой здания, конструкции, массивы отходов, выемочно-насыпные формы грунта различной степени загрязнения, позиционированные в границах территории с выделенными ресурсными и геоэкологическими особенностями. Геологическая среда охватывает элементы рельефа, почв, грунтов зоны аэрации, подземных и поверхностных вод. Данные элементы трансформируются в пространстве и во времени под воздействием техногенного образования, а геосреда из природной превращается в нарушенную.
В свою очередь, нарушенная геосреда обладает функциями «отклика» [74]. Отклик проявляется в обратном воздействии геосреды на техногенное образование с формированием в нем фрагментов неоднородной структуры, состава и свойств. Также отклик геосреды приводит к появлению в техногенном образовании вторичных изменений, таких как обводнение, потеря сплошности, устойчивости, химическая и биохимическая конверсия вещества [41, 45].
Нарушаемая геосреда и техногенное образование обозначены в качестве базовых составляющих ПТС. При этом техногенное образование рассматривается как доминирующая базовая составляющая, выступающая в качестве источника эмиссий в геосреду загрязнений физической, химической и биологической природы. Главенство техногенного образования, кроме того, обусловлено более высокими затратами на его обработку или ликвидацию при восстановлении ПТС по сравнению с рекультивацией геосреды.
ПТС является частным случаем урбосистем, охватывая геологическую среду в качестве природной составляющей. Однако генезис происхождения позволяет рассматривать ПТС несколько шире, чем урбосистему. Последняя связана исключительно с градостроительной деятельностью. В отличие от урбосистемы, ПТС продуцируются не только градостроительной, но и специфической хозяйственной деятельностью на удаленных от поселений предприятиях.
В зону влияния отдельных ПТС попадают другие геосистемы, обозначенные в качестве сопряженных.
При этом, ПТС как объекты исследования охватывают практически все виды строительно-хозяйственной деятельности, за исключением агроландшафтов и геосистем, формируемых предприятиями ядерно-топливного цикла.
Необходимо отметить, что в природе имеет место нарушение состояния геологической среды, вызванное проявлением неблагоприятных природных процессов, таких как землетрясения, извержения вулканов, оползни, сели, засухи или, наоборот, избыточные осадки, привнесение ценозов, несвойственных для данного биотопа и др. [20, 144, 326] Данные процессы приводят к деградации почв, нарушению сплошности грунтов зоны аэрации, водного режима и изменению форм естественного рельефа. Однако отсутствие техногенного образования повышает способность геосистем к самовосстановлению до первоначального состояния за счет биотических и абиотических факторов среды по прошествии определенного промежутка времени.
Формирование и типизация ПТС, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью (СХД), сопряжены с этапами развития человеческого сообщества. Появление первых цивилизаций сопровождалось экстенсивным антропогенным воздействием на земную поверхность. При этом, в отличие от природного воздействия, изменение элементов геосреды стало приобретать необратимый характер. Достаточно упомянуть заиление почв в результате агрокультурного освоения пойменных участков водотоков [392, 407].
Первые техногенные образования, сформированные строительством, возникли с появлением городов древности. Тогда же возникли проявления отклика геосистем на техногенные образования. Появление разветвленной сети каменоломен и катакомб в Древнем Риме привело к потере устойчивости земной поверхности и разрушению акведуков [349]. В этот период в границах селитебных территорий появляются первые «техногенные образования» минеральной природы в виде осыпей зданий. В границах античных и средневековых европейских городов (Нюрнберг, Кельн, Париж, Лондон) в связи с отсутствием канализации формируются скопления нечистот – прообразы современных техногенных образований ор-гано-минеральной природы [359, 388].
Метод обработки многомерных данных как инструмент оценки жизненного цикла
Подавляющее большинство существующих параметров оценки геосистем сопряжено с их рассмотрением в качестве географических объектов или экономическим обоснованием стоимости земель [38, 40, 225, 288].
В географии ПТС рассматривается как ландшафт. В связи с этим оценка геосистемы проводится с использованием характеристик местности: геомы, фации и урочища [45, 218].
ПТС как территориальный комплекс оценивается набором экономических параметров: издержек, чистой цены или текущей стоимости [225]. Кроме того, в оценку ПТС включены отдельные ресурсные показатели, такие как величина истощения месторождения [172], рента за ресурс и годовые объемы запасов и добычи [162]. Отдельные исследователи для параметрической оценки природных систем предлагают использовать индексы состояния – как математические функции нескольких переменных, а также индикаторы геосреды – функции одной переменной. Под индикаторами понимают векторы состояния экосистем, а под индексами – количественное сравнение вектора с неким стандартом [38].
В. В. Дмитриев под «индексом» дает расширенное толкование результата свертывания информации о геосистеме и представляет классификационную схему различных индексов [82].
Применительно к последующему восстановлению с использованием инженерных методов ПТС рассматривается как территориальная область, имеющая размерность [40, 113], как источник эмиссий загрязнений в окружающую среду [72, 218] и как основание для строительства [146, 152, 285]. ПТС как территорию, имеющую размерность, как правило, принято оценивать линейными и плоскостными размерами [40, 113, 261]. Техногенные образования в границах ПТС оцениваются объемными величинами и массой. Применительно к полигонам ТКО геометрическими оценочными параметрами выступают мощность и вместимость [9, 34, 112, 265]; к участкам аварийных проливов – глубина проникновения токсиканта [26, 240, 328]; к демонтируемым зданиям – потенциальный объем и масса строительных отходов [44, 148, 343, 344], к карьерам стройсырья – объем и глубина выработки [41, 89]. Использование данных параметров необходимо для планово-высотной оценки базовых составляющих и учета их вклада в общее состояние геосистемы.
Для оценки источников загрязнения в границах ПТС используют концентрационные и эмиссионные параметры. Их количественным выражением, с учетом эффектов суммации и аккумуляции, выступают индекс загрязненности и бонитет почв, комбинаторный индекс загрязненности водоемов, степень защищенности подземных вод, индекс загрязнения атмосферы [285] и др.
Одним из целевых направлений освоения нарушенной территории выступает строительство на восстанавливаемых ПТС сооружений пониженной ответственности: открытых складов, установок переработки вторичного сырья, малых архитектурных форм (применительно к рекреационному использованию территории) [75, 146, 218, 344, 356]. В этом случае ПТС должна отвечать требованиям, предъявляемым к строительным основаниям [284]. Аналогичные требования предъявляются к геосреде, нарушенной промышленными предприятиями на стадии их реконструкции или технического перевооружения. Здесь в качестве оценочных параметров выступают физико-механические и геомеханические характеристики грунтов: влажность, плотность, гранулометрический состав, числа текучести и пластичности, другие прочностные и деформационные характеристики [146, 283].
Концентрационные, эмиссионные и геомеханические параметры позволяют оценить степень загрязненности ПТС, а также деформационные свойства базовых составляющих. Однако эти важные показатели явно недостаточны для определения барьерных функций и отклика геосреды на нарушающее воздействие техно 41
генного образования. Очевидной выступает необходимость совместного использования данных параметров с такими показателями, как степень обустройства территории водоотводными и газодренажными системами, очистными сооружениями, установками рециклирования отходов и др. В настоящей работе данные параметры обозначены как ресурсные.
В литературе отсутствует параметрическая оценка геосистем органо-минеральной природы. Она необходима для анализа способности базовых составляющих к стабилизации с использованием технологий управляемого биоразложения. Данные технологии характеризуются фактором максимального природного подобия методам природного восстановления нарушенных геосистем.
Имеются отдельные сведения об использовании хронологических показателей ПТС. В основном они применяются для технико-экономической оценки территории и обоснования инвестиций в строительстве. К ним относят нормативную продолжительность эксплуатации сооружений, срок окупаемости, нормативный период эксплуатации, продолжительность ремиссии деградированных почв, продолжительность рекультивации отработанных карьеров в зависимости от размера выемки и материального рекультивирующего потока [9, 72, 146, 328, 339].
Ресурсный и логистический анализ освоения птс
В аэробных мезофильных условиях (Т 20 оС) разложение органики производят в нефтезагрязненных грунтах, массивах отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, лигнина [331]. Продолжительность обработки в мезофильных условиях составляет несколько теплых сезонов года.
Оформление технологий биоконверсии осуществляется по слоевой, штабельной и аппаратной схемам [107, 288, 316]. Слоевые методы применяют для мезо-фильного разложения нефтесодержащих грунтов, а также других почвозагрязнен-ных техногенных образований непосредственно на участках проникновения пол-лютантов. Данные методы производят без экскавации и перемещения техногенных образований или их отделения от нарушаемой геосреды. Штабельные методы характерны для техногенных образований с повышенным содержанием органики: в нефтегрунтах и шламах – более 5 % масс., в коммунальных отходах – не менее 10 % масс. [303] Штабелирование осуществляется после предварительного разрыхления исходного материала порообразующими добавками на основе растительных остатков, гидролизного лигнина, коры, опилок, рециркуляционного компоста и др. Объемное соотношение исходных смесей с добавками – в пределах 1:0,5–1:2; соотношение углерода к азоту – 10:1–25:1, влажность – в пределах 60– 75 %. Высота штабелей должна составлять не менее 2,5 м для устранения тепло-потерь [303, 398].
Слоевые и штабельные методы биодеструкции могут применяться в полевых условиях непосредственно на территориях аварийных проливов, в периметральных полосах полигонов и накопителей, а также на поверхности свалочных техногенных образований. Недостатком полевых и штабельных методов выступает необходимость использования больших объемов привозных наполнителей, а также опасность вторичного загрязнения геосреды на территориях, не занятых техногенными образованиями. Поэтому устройство участков штабельно-слоевого обезвреживания базовых составляющих целесообразно проводить непосредственно на их поверхности с применением агрегационных технологий компактирования, планировки и изоляции. Аппаратное компостирование или стабилизация техногенных образований в аэробных и анаэробных условиях используется для жидких слоевых элементов накопителей ТКО, осадков станций аэрации (включая избыточные активные илы), а также для агропромышленных отходов [25, 195]. При этом используют реакторы смесительного и вытеснительного типа, выполненные в виде емкостных сооружений, биотермических барабанов, жалюзийных башен, туннельных камер и др. [398] Их достоинством является высокий технологический уровень исполнения, а также возможность управляемой деструкции органики в относительно короткое время (не более нескольких суток). Недостаток – необходимость реализации на производственных площадках с развитой инженерной инфраструктурой и большим резервом энергоресурсов (в условиях заводов компостирования ТКО, станций аэрации, цехов механизированной переработки агропромышленных отходов и др.) [21, 190].
Для восстановления ПТС без отделения техногенного образования от геосреды применяют конверсионные технологии инокуляции [41, 287]. Они получили распространение при рекультивации массивов свалочных тел большой вместимости [9, 21, 22, 31, 34, 165, 216, 242, 266, 299, 398].
Примером инокуляционной обработки полигонов ТКО для ускорения трансформации органики выступает глубинная закачка сырых осадков сточных вод влажностью не менее 97 % в толщу полигона через систему нагнетательных скважин с последующей аэрацией [179, 337].
Инокуляционная обработка с использованием обезвоженных осадков была предложена при послойном формировании полигона г. Тольятти. Осадки, размещаемые совместно с ТКО, одновременно выполняли функции материала санитарной засыпки [89, 235, 338, 339].
Без отделения техногенного образования проводили рекультивацию полигона твердых нефтеотходов ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» [243], шламонакопителей № 1 и 2 ОАО «Куйбышевский НПЗ» [247], несанкционированной свалки ТКО г. Отрадного Самарской области [246], участка пролива полихлорбифенилов ОАО «Тольяттивторчермет» [293] и др. Основной технологический этап азовых составляющих при восстановлении указанных ПТС был сопряжен с предварительной агрегацией путем компактирования, водопонижения, экранирования нарушенной геосреды, а также ее рыхления и внесения инокулирующих добавок.
Конверсионная обработка ПТС может осуществляться с использованием ре-культивационных материалов. Их производство и доставка на территорию ПТС сопряжены со значительными транспортными издержками. Сократить их возможно путем конверсии отдельных фрагментов техногенного образования непосредственно на территории восстанавливаемой ПТС с получением рекультиваци-онных материалов. Разумеется, свойства техногенного образования должны отвечать требованиям, предъявляемым к грунтам и вторичному щебню. При этом восстановленная территория может выступить геоэкологическим ядром производства рекультивационных материалов, используемых для агломерации нарушенных геосистем, сопряженных с данной ПТС.
Обоснование целевого освоения восстановленной территории в качестве комплексов рециклирования должно осуществляться с использованием предлагаемых в настоящей работе базовых принципов и технологических подходов (см. главу 6).
Оценка трансформации техногенных образований методом биоразложения
Процессы, инициированные техногенным образованием, сопровождаются изменением состава и свойств геосреды и могут быть классифицированы как ее отклик на воздействие. Бинарный подход к оценке ПТС положен и в основу теоретической базы исследования. ПТС рассматривается как территориальная единица целевого освоения и как объект трансформации техногенного образования.
Основной идеей работы является поиск соответствия направлений целевого освоения нарушенной геосреды и методов обработки техногенных образований выделенным стадиям жизненного цикла нарушенных ПТС. При этом затраты на восстановление и уровень отрицательного воздействия на компоненты геосреды должны быть минимальными.
Основными элементами системы оценки нарушенных ПТС являются: – оценка ПТС как территориальной единицы в региональном промышленном кластере. Она предполагает типизацию и иерархическое ранжирование ПТС, оп 74 ределение их пространственных, ресурсных и геоэкологических особенностей, а также оптимизацию потоков рекультивационных материалов методами логистического анализа. В результате можно предложить предпочтительные направления целевого освоения территории с учетом стадии жизненного цикла ПТС;
– оценка ПТС как объекта трансформации техногенного образования с определением значений его основных параметров для каждой стадии жизненного цикла. Это необходимо для верификации оценки этапа жизненного цикла и последующей разработки соответствия набора технологий восстановления выделенным стадиям;
– разработка объемных моделей строения нарушенных ПТС с выделением неоднородных фрагментов содержания органики и индикации их способности к биотрансформации. Это необходимо для разработки технологий управляемого восстановления.
В настоящей работе под жизненным циклом понимается временной интервал, в течение которого достигается геомеханическое и биохимическое сродство между базовыми составляющими или с компонентами окружающей среды. При этом вектор жизненного цикла может быть ориентирован как «положительно» – с восстановлением базовых составляющих до ассимиляции компонентами природной среды, так и «отрицательно» – на дальнейшую деградацию ПТС.
В настоящей работе подход к жизненному циклу ПТС также осуществляется с позиций бинарности: – применительно к территориальной единице освоения под жизненным циклом понимается хронология формирования ПТС в зависимости от исторических периодов развития регионального промышленного кластера; – применительно к объекту трансформации под жизненным циклом понимается промежуток времени, в течение которого техногенное образование приобрета 75 ет геомеханическое и геохимическое сродство с компонентами природной геологической среды.
Хронологическая последовательность жизненного цикла ПТС как территориальной единицы в развитии регионального кластера представлена на примере геосистем, нарушенных размещением отходов. Генезис их формирования охватывает совокупность политических, социальных, экономических особенностей этапов развития отходообразующего пространства региона [21, 398]. Данные этапы определяются уровнем развития инфраструктуры региона, изменением концептуальных подходов к обращению с отходами и развитием нормативно-правовой базы.
В качестве иллюстрации жизненного цикла ПТС как территориальной единицы освоения в разрезе генезиса ее формирования в табл. 2.1 представлена последовательность исторических периодов развития регионального промышленного кластера.
Трансформационное взаимодействие базовых составляющих происходит на всех этапах жизненного цикла ПТС.
Начальная стадия строительно-хозяйственной деятельности сопровождается механическим изменением структуры геосреды за счет перемещения или удаления плодородного слоя, экскавации грунта зоны аэрации, изменения гидрогеологического режима и др.
В ходе освоения ПТС формируется техногенное образование. При этом наряду со структурным происходит химическое изменение геосреды: загрязнение почв, пород зоны аэрации, подземных вод. После завершения хозяйственной деятельности трансформация техногенного образования оказывает долговременное воздействие на нарушенную геосреду.
В свою очередь, на каждом этапе формирования ПТС последовательно нарушаемая геосреда, обладая функцией отклика, оказывает воздействие на техногенное образование.
Похожие диссертации на Оценка состояния и освоения природно-техногенных систем, нарушенных строительно-хозяйственной деятельностью
