Эколого-геологические условия полигонов твердых бытовых отходов Среднего Урала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эколого-геологические условия полигонов твердых бытовых отходов Среднего Урала

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Во введении показаны актуальность исследований, цели и задачи работы, научная новизна и практическая значимость. В первой главе «Состояние проблемы утилизации отходов» приведены условия размещения полигонов бытовых отходов на Среднем Урале, в России и за рубежом, выделены факторы, их определяющие, основные способы обращения с отходами, анализ оценки воздействия полигонов на окружающую природную среду. Во второй главе «Особенности полигонов твердых бытовых отходов и их размещения в геологических структурах Среднего Урала» выполнена типизация полигонов Среднего Урала на примере Свердловской области, дана их инженерно-геологическая характеристика с оценкой степени опасности, выполнен анализ условий размещения полигонов ТБО в геологических структурах Среднего Урала. В третьей главе «Закономерности трансформации эколого-геологических систем Среднего Урала при размещении в них полигонов твердых бытовых отходов» рассмотрены процессы, происходящие в системе «полигон - окружающая среда», включающие процессы в атмосфере, в теле полигона, в породах основания полигона. В четвертой главе «Принципы организации мониторинга окружающей среды при складировании твердых бытовых отходов в структурах Среднего Урала» определены принципы экологического мониторинга на полигонах, методические основы режимных наблюдений на разных этапах существования полигонов, рассмотрены методы обработки экологической информации с использованием баз данных, инженерно-экологические прогнозы состояния геологической среды. В пятой главе предложены методы и способы решения инженерно-геологических и экологических проблем при управлении полигонами твердых бытовых отходов Среднего Урала с использованием глинистых грунтов Среднего Урала в качестве оснований полигонов и осадков водоподготовки и водоочистки как изолирующих экранов, предложена рациональная схема обустройства полигонов. В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.

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).

Уральский регион - это горнодобывающий и горноперерабатывающий регион, который насчитывает более чем 300-летнюю историю добычи и переработки полезных ископаемых. Крупные населенные пункты на Среднем Урале развивались вблизи осваиваемых месторождений. Число жителей в них редко превышает 50000 - 150000 человек (кроме гг. Екатеринбурга и Нижнего Тагила). Средние полигоны формируются в городах и районных центрах с населением более 50000 человек, мелкие - в остальных населенных пунктах. В области преобладают средние (4 - 10 га) и мелкие ( 4 га) по размерам полигоны ТБО. Крупные полигоны ( 10 га) сформировались в гг. Екатеринбурге и Нижнем Тагиле (рис.1).

Факторы, влияющие на условия размещения ТБО на Среднем Урале: численность населенных пунктов, их местоположение в региональном аспекте, наличие земельных ресурсов, история развития региона, характер промышленного освоения региона. Большинство свалок (полигонов) ТБО здесь расположены в бывших карьерах, зонах сдвижения горных пород, на отвалах, шламохранилищах, т.е. их местоположение связано с «горнодобывающими элементами рельефа». Доля полигонов ТБО относительно площадей хранилищ отходов мала - менее 10 % (рис.2).

Рис.2. Соотношение площадей хранилищ отходов в Свердловской области

Наличие нарушенных земель позволяет рассматривать процесс захоронения отходов на Среднем Урале как основной процесс их утилизации.

Суммарная площадь официально учтенных полигонов ТБО на Среднем Урале составила 1248,2 га. Строительство крупных мусороперерабатывающих заводов здесь экономически не выгодно, рациональнее использовать существующие заводы для переработки вторичного сырья.

В настоящее время существует значительное количество способов переработки ТБО: предварительная сортировка, санитарная земляная засыпка, выщелачивание, сжигание, биотермическое компостирование, низкотемпературный и высокотемпературный пиролиз. Все эти

Рис. 1. Местоположение полигонов ТБО на Среднем Урале

способы не совершенны, так как после каждого из них остаются отходы, причем токсичность и опасность их выше, чем у перерабатываемых отходов. Процесс сортировки сопровождает любую технологическую схему переработки и позволяет подвернуть рециклингу от 30 до 40 % отходов. Это относится и к отходам Свердловской области, морфологический состав которых идентичен составу отходов в России и мире. В сезонном и среднегодовом разрезе в составе твердых бытовых отходов преобладают пищевые отходы (35 %), бумага (21 %), стекло (12 %), полимерные материалы (10 %), пластиковые баллоны (7 %), металлолом (5 %), т.е. в основном те исходные составляющие отходов, которые должны попадать во вторичную переработку путем сортировки отходов до их захоронения (рис.3).

Рис. 3. Среднегодовой морфологический состав твердых бытовых отходов Свердловской области (Б.П. Ширшов, 2000)

Крупными недостатками процесса захоронения, по мнению многих авторов, являются необходимость значительных площадей земли, землеройной техники и грунта для изолирующих слоев. В горнодобывающих регионах Урала, где имеются нарушенные горными работами и местами размещения отходов добычи земли, а также минеральные нетоксичные отходы, которые можно использовать в качестве изолирующего грунта, последний недостаток не актуален. В качестве изолирующих грунтов полигонов ТБО на Среднем Урале используются вскрышные породы и отходы процесса обогащения руд. Первые - отходы добычи полезных ископаемых, не меняют существенно своих природных свойств и используются преимущественно в качестве строительных материалов (А.Б. Макаров, 2003). Отходы процессов обогащения руд, размещаемые в хвосто- и шламохранилищах, имеют достаточно однородный, фракционированный состав, преимущественно уже не в виде обломков горных пород, а мелко- и тонкообломочных частиц минералов. Отходы металлургического производства, образование которых связано с металлургическим переделом, формируются из продуктов, образующихся при высоких температурах. Шлаковые отвалы черной и цветной металлургии состоят преимущественно из искусственных, в том числе стекловатых, фаз и существенно отличаются от природных образований. Для создания изолирующих слоев могут быть использованы также отходы очистки сточных и питьевых вод и т.п.

Распределение промышленных отходов в разрезе полигонов зависит от условий эксплуатации полигона: при возникновении бытовых свалок в местах скопления промышленных отходов шлаки, шламы и другие промышленные отходы располагаются в нижней части разреза техногенных отложений (полигоны на территории завода АО «Михалюм», в п.Верх-Нейвинский, «Прометей» в г. Каменск-Уральский, полигоны в городах Верхняя Салда, Качканар и др.); если промышленные отходы использовались как изолирующий материал, техногенные грунты с поверхности перекрывают толщу бытовых отходов (полигоны в поселках Б. Седельниково, Горный Щит, Дзержинский и Ленинский в г. Нижний Тагил и др.); на части полигонов промышленные и бытовые отходы размещаются бессистемно (Широкореченский, Северный в г. Екатеринбурге).

Главной особенностью строения полигонов ТБО является их неоднородность. Насыпная плотность ТБО в местах их образования в среднем составляет 0,198 г/см³ и колеблется в пределах 0,150- 0,287 г/см³, плотность в уплотненном состоянии от 0,8 до 1,5 г/см³ (Г.М. Батракова, 2003). С глубиной увеличиваются плотность, влажность и степень влажности отходов, уменьшаются их фильтрационные свойства. Подобная закономерность прослеживается практически на всех полигонах Свердловской области. В нижней части полигонов, расположенных на водоупорном основании, отходы, как правило, водонасыщенные. Фильтрационные свойства отходов также неоднородны: при изучении отходов на полигоне в г. Реж методом наливов в шурфы (20 опытов) коэффициенты фильтрации изменялись по поверхности полигона от 0,038 до 2,02 м/сут. Прочностные и деформационные свойства низкие, со временем происходит увеличение плотности свалочных грунтов, уменьшается влажность, улучшаются прочностные и деформационные свойства (А.М. Гальперин, 1997, Р.С. Зиангиров, 1980). Особенность полигонов ТБО Среднего Урала - наличие техногенной составляющей, типичной для добывающего или перерабатывающего комплексов территорий, где формируются полигоны (полигоны г. Нижний Тагил - отходов черной металлургии, г. Верхняя Салда - титановой промышленности, городов Михайловский и Каменск-Уральский - алюминиевой промышленности, городов Реж и Полевской - никелевые отходы и т.д.). Техногенная составляющая полигонов ТБО зависит от вида промышленных отходов, так, для полигона г. Верхняя Салда она представлена включениями обломков бетона (цемент с кварцевым песком), обломками стружки и сплавов белого цвета, черными силикатными сферами; в районах алюминиевого перерабатывающего комплекса (г. Михайловский) - корундом (Al₂O₃), байеритом (вAl(OH)₃), байерит-гиббситом и карборундом (SiC).

По составу складируемых отходов полигоны подразделяются на принимающие: собственно твердые бытовые отходы; твердые бытовые и промышленные отходы (доля промышленных отходов менее 30 %); твердые промышленные и бытовые отходы (доля промышленных отходов более 30 %); твердые и жидкие бытовые отходы (соотношения не регламентируются); полигоны с несанкционированным поступлением отходов, когда не ясны их состав, токсичность, радиоактивность.

Основными природными факторами, определяющими масштабы загрязнения от полигонов ТБО, являются климат, рельеф, густота речной сети. Физико-географические условия Среднего Урала создают благоприятные предпосылки для разложения отходов. В пределах Свердловской области происходит закономерное уменьшение количества осадков с запада на восток. Превышение количества осадков над величиной испарения наблюдается практически на всей территории, за исключением юго-восточной части региона. Коэффициент увлажнения на большей части Свердловской области равен 1,2 - 1,6. В горной полосе Северного Урала он еще выше. На юго-востоке увлажнение становится неустойчивым и недостаточным, коэффициент увлажнения меняется от 1,0 до 0,9-0,8.

Целесообразно в классификацию полигонов ввести характеристики водного режима геосистемы, влияющие на протекание процессов разложения отходов и загрязнения геологической среды. В пределах Среднего Урала для мест размещения полигонов ТБО можно выделить следующие типы водных режимов: промывной (атмосферные осадки промывают отходы и достигают уровня грунтовых вод), непромывной (атмосферные осадки формируют «верховодку» в теле полигона из-за наличия непроницаемых пород основания), паводковый (сезонное затопление отходов в долинах рек), водозастойный (геосистемы с атмосферным и грунтовым питанием отходов). В теплые периоды года атмосферное питание благоприятно влияет на скорость разложения ТБО.

В рельефе Свердловской области отчетливо выделяются полоса Уральских гор и равнины - на юго-западе и на востоке, в западносибирской части области. Как горный, так и равнинный рельефы имеют достаточно сложный характер, обусловленный взаимодействием эндогенных и экзогенных процессов рельефообразования. Значительные перепады высот в горной полосе Урала способствуют формированию больших объемов поверхностного и подземного стоков с территорий. Небольшие перепады высот в равнинной части Урала, относительно ровные территории приводят к тому, что доля поверхностного и подземного стоков в круговороте воды уменьшается.

Поверхностные воды на территории Свердловской области представлены стоком рек Исеть, Пышма, Тура, Тавда, Чусовая, Уфа (см. рис.1). Большая часть рек (Тавда, Тура, Исеть и др.) принадлежат к Обь-Иртышскому бассейну, к речной системе Тобола. На юге, юго-западе области протекают реки Волго-Камского бассейна - притоки р. Камы (Чусовая и Косьва) и р. Белой (Уфа). В пределах горно-складчатого Урала относительно густая речная сеть определяет ограниченность водосборных бассейнов подземных вод. Реки являются областями разгрузки подземных вод. В исследуемых условиях масштабы загрязнения подземных вод в значительной степени ограничены бортами речных долин и их притоков.

По особенностям геологического строения территория Среднего Урала принадлежит трем структурным мегазонам: Предуральского краевого прогиба, открытых структур горно-складчатого Урала и чехла мезо-кайнозойских платформенных отложений Зауралья (О.М. Гуман, С.Г. Дубейковский, А.С. Зайцев, 1986, 1991; О.Н. Грязнов, О.М. Гуман и др., 2000), определяющих условия залегания водоносных горизонтов и комплексов (см. рис.1). Наиболее благоприятная обстановка для строительства полигонов свойственна восточным районам Свердловской области в пределах мезо-кайнозойского чехла Зауралья. Менее благоприятными условиями характеризуются западные районы области в пределах Предуральского краевого прогиба. Наиболее сложная обстановка свойственна освоенным районам горно - промышленного Урала с его открытыми гидрогеологическими структурами. Здесь к выбору мест размещения и обустройству полигонов ТБО необходимо подходить с наибольшей требовательностью и осторожностью.

В пределах Предуральского краевого прогиба особое внимание следует обратить на наличие в геологическом разрезе карстующихся коренных пород - известняков и особенно легкорастворимых ангидритов, которые часто развиты в пониженных участках рельефа и являются участками, где проектирование полигонов ТБО крайне нежелательно.

В строении горно-складчатого Урала с запада на восток выделены следующие региональные структуры первого порядка: Западно-Уральская зона линейной складчатости, сложенная терригенными (обломочными) и карбонатными отложениями в возрастном интервале от кембрия до нижней перми; Центрально-Уральское поднятие, представленное древними комплексами (архейско-рифейского, кембрийского-ордовикского возраста) глубокометаморфизованных горных пород водораздельной части Урала; Тагило-Магнитогорский прогиб, выраженный в пределах области Тагильским мегасинклинорием, сложенный вулканогенно-осадочными комплексами силура - нижнего карбона, прорванными интрузивами гранитоидов, габброидов и гипербазитов; Восточно-Уральская область поднятий и сопряженных прогибов второго порядка, занимающая большую часть восточного склона Урала, отличающаяся особенно сложным строением с осадочными, осадочно-вулканогенными, вулканогенными и метаморфическими толщами возрастного диапазона от рифея до нижнего карбона включительно, широко распространены интрузивные породы разнообразного состава с преобладанием гранитоидов в Верхотурско-Верхисетском и Сосьвинско-Коневском мегантиклинориях (последний получил название Главного гранитного пояса Урала).

Открытые структуры горно-складчатого Урала необходимо оценивать с позиции трещинной нарушенности скальных массивов (О.М. Гуман; С.Г. Дубейковский; В.П. Семакин, 1988). Наиболее проницаемыми породами в зоне аэрации являются осадочные, вулканогенные и вулканогенно-осадочные горные породы. Массивы интрузивных пород гранитоидного, габброидного и ультраосновного составов в этом отношении более благоприятны. В Западно-Уральской зоне линейной складчатости и Центрально-Уральском поднятии при выборе участков под полигоны следует руководствоваться, главным образом, рельефом местности, выбирая наиболее пологие склоны с глубиной залегания уровней подземных вод более 10 м. В Тагило-Магнитогорском прогибе и Восточно-Уральском поясе поднятий и сопряженных прогибов при размещении полигонов необходимо избегать заболоченных и подтопленных участков, подработанных пространств, участков развития техногенного карста, одновременно аргументированно оценивать возможность использования старых горных выработок и отвалов для размещения полигонов.

Чехол мезо-кайнозойских платформенных отложений в условиях аккумулятивно-равнинного рельефа Зауралья в пределах Свердловской области перекрывает складчатые структуры Восточно-Уральской области поднятий и сопряженных прогибов, отчасти Зауральского поднятия и Тюменско-Кустанайского прогиба. Мощность чехла возрастает по мере погружения фундамента в восточном направлении. В разрезе мезо-кайнозоя выделяется четыре структурных яруса. В Зауральском регионе при размещении полигонов необходимо избегать выходов на поверхность водоносных горизонтов, пригодных для водоснабжения, и речные долины.

При выборе мест расположения полигонов ТБО необходимо учитывать геологические критерии размещения отходов. По геологическим признакам следует исключать следующие территории: непосредственного проявления экзогенных геологических и инженерно-геологических процессов: оползней, осыпей, овражной эрозии, карстово-суффозионных процессов, воронок обрушения на подрабатываемых территориях; на которых неизбежен контакт отходов и поверхностных вод: поймы рек, овраги, тальвеги постоянных и временных водотоков, болота; распространения с поверхности высокопроницаемых водоносных грунтов (галечники, трещиноватые закарстованные известняки и другие скальные породы, щебенистые грунты); с уклонами рельефа более 15 град.; водозаборов в границах 1 - 3 поясов зон санитарной охраны, а при наличии поверхностных водозаборов на расстоянии от 3 до 5 км от последних по боковым границам вдоль линии водозаборов; распространения полезных ископаемых. Неблагоприятными являются следующие территории: с высоким залеганием грунтовых вод (менее 3 м от дневной поверхности); с зоной аэрации, сложенной проницаемыми грунтами (дресвяно-щебенистыми, песками, галькой); с отсутствием водоупорных глинистых отложений, перекрывающих эксплуатируемые водоносные горизонты; расположенные в радиусе до 500 м от водоемов, пойм, временных водотоков; территории возможной активизации экзогенных геологических процессов. Неблагоприятные условия могут быть компенсированы устройством природоохранных сооружений, но включать данные территории в число выбранных участков допустимо лишь при полном отсутствии площадей с более благоприятными характеристиками.

Воздействие полигонов ТБО на окружающую среду проявляется в загрязнении атмосферного воздуха, почв, подземных и поверхностных вод, в изменении природных ландшафтов. Совокупность технологических параметров (масштаб полигона, способы накопления отходов и их состав, условия размещения) и геологических условий (положение в региональных структурах, состав пород основания) определяет опасность воздействия полигонов на компоненты окружающей среды. Анализ вышеперечисленных условий и факторов позволил разработать типологическую классификацию существующих полигонов Среднего Урала (табл.1). Реально оценивать процессы загрязнения природной среды в типовых геологических структурах необходимо по результатам мониторинга.

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).

Система «полигон ТБО - окружающая среда» - это единая природно-техническая система, свойства которой обусловлены процессами, протекающими в атмосфере вблизи полигона, в теле полигона, в поверхностных водах вблизи полигона, в породах и почвах основания полигона, в подземных водах в зоне влияния полигона, а также экзогенными геологическими процессами.

Таблица 1 Сводная классификация полигонов ТБО Среднего Урала

*) Здесь и ниже классификационные характеристики могут быть свойственны любым типам по крупности полигонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Трансформация окружающей среды в местах размещения отходов связана с одновременно протекающими процессами механического, физического, физико-химического, химического, биохимического и биологического характера. В результате происходят изменения рельефа, свойств и состояния грунта, состава поверхностных и подземных вод, интенсивности и характера экзогенных геологических процессов. Сложность изучения системы «полигон ТБО - окружающая среда» состоит в том, что механические, термические, физико-химические, химические и биологические воздействия в реальной обстановке накладываются, суммируются, подавляются и видоизменяются. Взаимодействие полигона с геологической средой определяется сочетанием типа полигона с типом геологической среды как принципиально различных по материалу: «материал» геологической среды «живет» по природным законам, а материал полигона - по техническим (В.А. Королев, 2007). По окончании эксплуатации полигона тело полигона совместно с окружающими породами подчиняется природным процессам, отходы становятся техногенным грунтом, и на них продолжается строительство, особенно в крупных городах.

Этапы формирования природно-технической системы (ПТС) «полигон ТБО - окружающая среда» (выбор участка для размещения отходов, складирование, реконструкция, рекультивация, ликвидация) отличаются перечнем преобладающих процессов и условиями их протекания.

Перенос загрязняющих веществ и легких фракций отходов аэрогенным путем связан с разложением отходов в теле полигона до газообразных составляющих и с процессами горения отходов. При эксплуатации мелких и средних полигонов в условиях Среднего Урала ореол загрязнения по установленным нормативам не превышает размеров санитарно-защитной зоны. В составе газов присутствуют метан, углекислый и угарный газы, азот, кислород, аммиак, водород, сероводород, тяжелые углеводороды, растворители, хлорорганические соединения. С газами могут выделяться аэрозоли различных металлов, в том числе ртути. В почвы аэрогенным путем привносятся аммиак, тяжелые металлы, диоксины, фенол, бензол и органо-минеральные соединения (А.Н. Ножевникова, 1993).

Процессы, происходящие в теле полигона, протекают в аэробных, переходных и анаэробных условиях и определяют интенсивность воздействия на компоненты геологической среды (О.В. Горбатюк, 1989). На характер протекания этих процессов влияют технология обращения с отходами, масштаб полигона, состав отходов и их влажностный режим. В теле полигона происходят окисление (аэробная зона), брожение (анаэробная зона), биодеградация отходов (И.Н. Липунов, 1995; А.И. Нетрусов и др., 2004). Формирование фильтрата происходит в результате совместного действия следующих процессов: разложения отходов, инфильтрации атмосферных осадков в толщу отходов, проникновения в отходы подземных и поверхностных вод. Образующийся фильтрат представляет собой сложную многокомпонентную систему простых, сложных и, вероятно, комплексных химических соединений, большая часть которых является нестабильной. Образование фильтрата происходит при массовой влажности органосодержащих твердых бытовых отходов от 30 до 80 %, в качестве стартовой влажности начала процесса перегнивания считают влажность 50 %. Состав воды фильтрата: минерализация варьирует от 3,0 до 13,0 г/л, преобладающие анионы - НСО₃^-, NH₄⁺ и Сl^-, катионы - Na⁺, K⁺, в меньшей степени - Ca²⁺и Mg²⁺. Содержание тяжелых металлов различно, преобладают железо, кадмий, кобальт, марганец, медь, мышьяк, никель, свинец, титан, хром, цинк. Кроме того, в фильтрате присутствуют жирные кислоты, фенолы, спирты, эфиры, парафин, алкалоиды, хлорорганические соединения, полициклические ароматические углеводороды, а также жизнеспособные микроорганизмы различных физиологических групп (сапрофиты, сульфатвосстанавливающие, метаногенные, окисляющие углеводороды) (Л.П. Грибанова, 1995, Я.И. Вайсман, 2000).

В теле полигона активно протекают процессы биоразрушения, включающие (А.И. Нетрусов и др., 2004): 1) трансформацию, 2) фрагментацию, и 3) минерализацию с превращением сложного вещества в самые простые (Н₂О, СО₂, Н₂, NH₃, СН₄ и т.д.). Основными биологическими агентами, осуществляющими биоразрушения, являются микроорганизмы, обладающие огромным разнообразием ферментных систем и большой лабильностью метаболизма. Именно они способны разлагать широкий спектр химически устойчивых соединений, тем самым возвращая основные питательные элементы в глобальные циклы и предотвращая накопление «мертвых» остатков на поверхности Земли.

При разложении отходов происходит загрязнение почв вблизи полигонов аэрогенным и гидрогенным путями. Особенностью загрязнения почв и пород зоны аэрации в отличие от воздуха и воды является то, что почвы и породы - менее подвижная среда, миграция вещества здесь происходит очень медленно, особенно миграция по площади. Породы зоны аэрации полигонов ТБО в условиях техногенных воздействий на природную среду выступают одновременно в трех формах: как накопитель и преобразователь поступающих на поверхность земли загрязняющих веществ, как экран на пути их движения вглубь и поступления в грунтовые воды и как вторичный источник загрязнения. В характеристике биогеохимических процессов, протекающих в системе вода - порода - газ - живое вещество, главными являются: 1) минералого-геохимические особенности субстрата; 2) биогеохимические параметры раствора как агента химического выветривания субстрата; 3) состав и параметры подпочвенного воздуха; 4) особенности состава и жизнедеятельности живого вещества, продукты его метаболизма и разложения органических веществ. Все это в комплексе и определяет равновесно-неравновесное состояние системы вода - порода - газ - живое вещество. Процессы преобразования фильтрата полигонов ТБО в зоне аэрации являются вторым этапом (после формирования фильтрата в теле полигона) формирования химического состава подземных вод. Концентрирование элементов в зоне аэрации обусловлено наличием в породах глинистых минералов, органических веществ и различными окислительно-восстановительными условиями. В условиях, когда породы зоны аэрации представлены глинами, суглинками, супесями, средне-, мелко- и тонкозернистыми песками, галечниками или дресвяно-щебенистыми грунтами с высоким содержанием глинистого, суглинистого, супесчаного или песчаного заполнителя, проявляются сорбционные свойства грунтов. При этом происходит диспергация глинистых агрегатов в грунтах, повышается их гидрофильность, снижается фильтрационная способность и прочность (Р.Э. Дашко, 2004). Глинистые грунты с высоким содержанием бактериальной массы переходят в квазипластичные разности. В случае трещинных коллекторов ионный обмен в связи с ограниченной поверхностью раздела твердой и жидкой фаз не оказывает существенного влияния на состав подземных вод. Газы активно участвуют во многих физико-химических процессах (окисление, растворение, восстановление, биологические процессы) в грунтах (Е.М. Сергеев и др., 1985). Роль газовой компоненты особенно велика в зоне аэрации, где грунты представляют трех- или четырехкомпонентные системы, а значительная часть пор занята газами. В слабоводонасыщенных грунтах (влажность ниже максимальной гигроскопической) значительная часть газов находится в адсорбированном состоянии. Наиболее активно адсорбируются СО₂, N₂, О₂, Н₂, но они могут вытесняться молекулами воды при увлажнении грунта, выделяясь в атмосферу.

Механизм формирования техногенных гидрогеохимических процессов на полигонах ТБО состоит из трех стадий. Первая соответствует инфильтрации загрязненных вод через зону аэрации и характеризуется метаморфизацией фильтрата вследствие процессов хелатизации, растворения, выщелачивания, обменно-адсорбционных процессов, сопровождающих движение загрязненных вод через зону аэрации. На второй стадии происходит смешение метаморфизованного фильтрата с подземными водами. Третья стадия соответствует переносу загрязняющих веществ по водоносному горизонту, которая начинается практически одновременно со второй. Важнейшими факторами миграции загрязнений являются естественная скорость потока подземных вод и активная пористость водовмещающих пород. Во время третьей стадии происходит формирование области загрязнения в водоносном горизонте и распространение загрязнения по площади. Естественное самоочищение подземных вод в пределах ореола загрязнения растягивается на многие годы - десятилетия. Прежде всего это относится к пористым и трещиновато-пористым коллекторам при низких значениях градиентов фильтрации и удаленности областей разгрузки подземных вод; к тому же, в таких коллекторах сильно загрязненными обычно оказываются не только подземные воды, но и сами породы.

Проиллюстрируем изменение состава подземных вод на примере полигона Горнощитский - Ш г. Екатеринбурга, расположенного в бывшем карьере кирпичных глин. Мощность накопленных за 30-летний период складирования отходов составила 5 м, глубина уровня подземных вод от сформированной поверхности полигона 10 м. Зона аэрации сложена в основном глинистыми грунтами. Результаты исследований фонового по отношению к полигону состава подземных вод, фильтрата в теле отходов и подземных вод в границах полигона приведены в табл. 2. Из таблицы видно, что очистка загрязненных вод начинается уже в границах полигона

Таблица 2 Результаты исследований химического состава подземных вод в районе полигона Горнощитский - Ш г. Екатеринбурга

за счет достаточной (до 5 м) зоны аэрации глинистого состава и процессов, происходящих в ней, а также за счет разбавления фильтрата подземными водами при их смешении.

В скважинах, расположенных в 200-400 м ниже по потоку подземных вод от полигонов (г. Североуральск, г. Качканар, полигоны Горнощитский - V и Горнощитский - Ш, Широкореченский, г. Екатеринбург и др.), основных физиологических групп бактерий не выделено, а показатели окисляемости и содержания общего органического вещества соответствуют чистым питьевым водам. Это свидетельствует о присутствии процессов очищения водоносного горизонта, таких как разбавление, адсорбция, деятельность микроорганизмов и др.

Рассмотрение вышеперечисленных процессов в единой системе позволяет создать идеализированную модель «полигон ТБО - окружающая среда» (рис. 4), включающую в вертикальном разрезе сверху вниз: процессы переноса веществ в атмосфере > процессы разложения отходов в аэробных, переходных и анаэробных условиях > процессы метаморфизации фильтрата в зоне аэрации, протекающие одновременно и совместно с процессами физического и биохимического выветривания > процессы смешения и разбавления загрязненных вод в зоне насыщения и перенос загрязняющих веществ по потоку подземных вод. Предложенная модель функционирования полигонов позволяет использовать методы, направленные на санацию территорий, не только в процессе размещения отходов, но и при выборе мест размещения полигонов, подготовке их основания, а также путем управления процессом захоронения с использованием природных и техногенных грунтов.