Моделювання питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів від забруднення важкими металами

Размещено на http://allbest.ru

Вінницький національний технічний університет

УДК 628.4

Моделювання питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів від забруднення важкими металами

О.В. Березюк, , кандидат технічних наук, доцент

Вінниця

Вступ

Постановка проблеми. Щорічний об'єм твердих побутових відходів (ТПВ), що утворюються в українських населених пунктах перевищує 46 млн. м³ [1]. Після збирання та транспортування ТПВ міськими комунальними службами, переважна їх більшість захоронюються на 4530 полігонах та сміттєзвалищах, які займають площу майже 7,7 тис. гектарів та лише частково утилізуються на сміттєспалювальних заводах або перероблюються. Лише протягом 1999-2007 рр. загальна площа полігонів та сміттєзвалищ в Україні зросла в 2,5 рази.

Крім того, більше ніж в 2,5 рази зросла площа перевантажених, а також особливо тих полігонів та сміттєзвалищ, що не відповідають нормам екологічної безпеки [1], в тому числі й через забруднення ґрунтів важкими металами, які разом із фільтратом можуть потрапляти до підземних вод, забруднюючи їх, що становить загрозу для безпеки життя і діяльності людини. Постанова Кабінету Міністрів України № 265 [2] сформувала базис для розробки Національної стратегії поводження з ТПВ в Україні. Тому побудова математичної моделі питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів ТПВ від забруднення важкими металами, що може бути використана під час розробки стратегії, комплексу машин та обладнання для поводження з ТПВ, є актуальною науково-технічною задачею.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. В роботах [3-6] вказано про значне забруднення важкими металами ґрунтів через захоронення ТПВ. Автори [7] наводять огляд найбільш поширених методів ремедіації важких металів в ґрунті. В роботі [8] наведені дані щодо питомих затрат електроенергії на зменшення концентрацій методом електрохімічної ремедіації таких важких металів в ґрунті полігонів ТПВ, як кадмій, свинець та цинк. Цей метод оснований на використанні електричного струму для виділення відповідних забруднюючих речовин і дозволяє відновлювати ґрунти безпосередньо на поверхні землі без їх відбору у спеціальні ємності. В роботі [9] наведено регресійні залежності, які дозволяють описувати динаміку збільшення площ полігонів та сміттєзвалищ в Україні. Автор [10] наводить регресійні залежності площі полігона від основних параметрів впливу та збору за їхнє розміщення в залежності від класу небезпеки відходів. Однак конкретних математичних моделей питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів ТПВ від забруднення важкими металами, в результаті аналізу відомих публікацій, нами не виявлено.

Метою дослідження є розробка математичної моделі питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів ТПВ від забруднення важкими металами для розробки стратегії, комплексу машин та обладнання для поводження з ТПВ.

Виклад основного матеріалу

Дані табл. 1 демонструють ефективність технології очищення ґрунтів від важких металів методом електрохімічної ремедіації.

Таблиця 1. Питомі затрати електроенергії на зменшення концентрацій важких металів в ґрунті [8]

На основі даних табл. 1 планувалось отримати парні регресійні залежності питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів ТПВ через забруднення важкими металами від зменшення концентрацій кадмію, свинцю та цинку. Вибір виду залежностей парних регресій проводився із 16 найбільш поширених математичних залежностей за критерієм максимального значення коефіцієнта кореляції за допомогою розробленої комп'ютерної програми "RegAnaliz", яка захищена свідоцтвом про реєстрацію авторського права на твір [11]. За допомогою даних табл. 1 та регресійного аналізу отримано логарифмічні залежності питомих затрат електроенергії Е від зменшення концентрацій ДС важких металів в ґрунті:

; (1)

; (2)

.(3)

При цьому коефіцієнт кореляції склав 0,99955; 0,98992; 0,99998 відповідно, що свідчить про високу точність одержаних рівнянь.

Графічно залежності питомих затрат електроенергії від зменшення концентрацій важких металів в ґрунті, отримані за допомогою рівнянь (1_3), показані на рис. 1. полігон електроенергія очищення свинець

Порівняння фактичних та теоретичних даних показало, що теоретичні питомі затрати електроенергії від зменшення концентрацій важких металів в ґрунті, розраховані за допомогою регресій (1-3), несуттєво відрізняється від фактичних даних, що свідчить про високу точність отриманих залежностей.

Рис. 1. Залежності питомих затрат E електроенергії від зменшення концентрацій C важких металів в ґрунті: кадмію (); свинцю (); цинку (^)

Підставивши у формули (1-3) значення ГДК важких металів у ґрунті, отримано затрати електроенергії на очищення від них до рівня ГДК (ДС_i = = C_i - ГДК_i), які становлять 96,5; 112,8; 141,5 кВтгод/м³, відповідно, а сумарні затрати електроенергії складають 350,8 кВтгод/м³.

Рівняння регресії (1-3) в загальному вигляді можна записати так:

,(4)

де a, b - коефіцієнти регресії;

ГДК - граничнодопустима концентрація важких металів у ґрунті, мг/кг.

За допомогою додаткового регресійного аналізу визначено коефіцієнти регресії a та b як функції від ГДК важких металів у ґрунті:

;(5)

.(6)

Для опису залежності a = f(ГДК) жодна із 16 функцій не забезпечила необхідний коефіцієнт кореляції, тому для цієї залежності проведено додатковий регресійний аналіз із використанням поліному другого порядку.

Отже, після підстановки функцій (5, 6) в рівняння (4) остаточно виглядає так

(7)

При цьому коефіцієнт кореляції склав 0,99571, що свідчить про високу точність одержаної математичної моделі (7).

На рис. 2 показана залежність питомих енерговитрат E очищення ґрунтів полігонів ТПВ через забруднення важкими металами від зменшення їхніх концентрацій ДC та значень ГДК в ґрунті, отримана за допомогою математичної моделі (7).

За допомогою математичної моделі (7) можна визначати питомі затрати електроенергії Е в залежності від зменшення концентрацій ДС важких металів, знаючи їхню ГДК у ґрунті, що може бути використано під час розробки стратегії, комплексу машин та обладнання для поводження з ТПВ.

Рис. 2. Залежність питомих енерговитрат E очищення ґрунтів полігонів ТПВ через забруднення важкими металами від зменшення їхніх концентрацій ДC та значень ГДК в ґрунті

Висновки

Визначено логарифмічні регресійні залежності питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів через забруднення важкими металами від зменшення концентрацій кадмію, свинцю та цинку, які використані для побудови математичної моделі питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів від забруднення важкими металами.

Запропоновано математичну модель питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів від забруднення важкими металами, що може бути використана під час розробки стратегії, комплексу машин та обладнання для поводження з твердими побутовими відходами.

Література

Портал України з поводження з твердими побутовими відходами [Електронний ресурс]. - Режим доступу : http://www.ukrwaste.com.ua.

Постанова Кабінету Міністрів України від 4 березня 2004 року № 265 «Про затвердження Програми поводження з твердими побутовими відходами» [Електронний ресурс] / Кабінет Міністрів України : http://zakon1.rada.gov.ua/laws/ show/265-2004-%D0%BF.

Impact Assessment of Contamination Pattern of Solid Waste Dumpsites Soil: A Comparative Study of Bauchi Metropolis / D. S. Buteh, I.Y. Chindo, E. O. Ekanem, E. M. Williams // World Journal of Analytical Chemistry. - 2013. - Vol. 1, No. 4. - P. 59-62.

Chao Su. A review on heavy metal contamination in the soil worldwide: Situation, impact and remediation techniques / Chao Su, LiQin Jiang, WenJun Zhang // Environmental Skeptics and Critics. - 2014. - No 3(2). - P. 24-38.

Heavy metal distribution in soil and plant in municipal solid waste compost amended plots / F. Ayari, H. Hamdi, N. Jedidi, N. Gharbi, R. Kossai // Int. J. Environ. Sci. Tech. - 2010. - No 7 (3). - P. 465-472.

Tripathi A. A study of physico-chemical properties and heavy metals in contaminated soils of municipal waste dumpsites at Allahabad India / A. Tripathi, D. R. Misra // International Journal Of Environmental Sciences. - 2012. - Vol. 2, No 4. - P. 1-10.

Nanda S. Remediation of heavy metal contaminated soil / S. Nanda, J. Abraham // African Journal of Biotechnology. - 2013. - Vol. 12(21). - P. 3099-3109.

Лысенко Л. Перспективы решения проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами / Л. Лысенко, М. Пономарев, Б. Корнилович // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2001. №4. С. 59-63.

Березюк О. В. Математичне моделювання прогнозування об'ємів утворення твердих побутових відходів та площ полігонів і сміттєзвалищ в Україні / О. В. Березюк // Сучасні технології, матеріали і конструкції у будівництві: Науково-технічний збірник. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2009. -№ 2. - С. 88-91.

Березюк О. В. Встановлення регресій параметрів захоронення відходів та потреби в ущільнювальних машинах на основі комп'ютерної програми "RegAnaliz" / О. В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2014. - № 1. - С. 40_45.

Березюк О. В. Комп'ютерна програма "Регресійний аналіз" ("RegAnaliz") / О. В. Березюк // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 49486. - К. : Державна служба інтелектуальної власності України. - Дата реєстрації : 03.06.2013.

Анотація

Моделювання питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів від забруднення важкими металами. Олег Володимирович, Вінницький національний технічний університет, Вінниця, кандидат технічних наук, доцент, E-mail - berezyukoleg@yandex.ru. Кількість публікацій в українських виданнях - 95

Рецензент: д-р техн. наук, проф. В.І. Савуляк, Вінницький національний технічний університет, Вінниця

Визначено логарифмічні регресійні залежності питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів через забруднення важкими металами від зменшення концентрацій кадмію, свинцю та цинку. Запропоновано математичну модель питомих енерговитрат очищення ґрунтів полігонів твердих побутових відходів від забруднення важкими металами.

Ключові слова: відходи, полігон, сміттєзвалище, забруднення, ґрунт, ремедіація, регресія.

Аннотация

Моделирование удельных энергозатрат очистки грунтов полигонов твердых бытовых отходов от загрязнения тяжелыми металлами. Березюк О.В.

Определены логарифмические регрессионные зависимости удельных энергозатрат очистки грунтов полигонов твердых бытовых отходов через загрязнение тяжелыми металлами от уменьшения концентраций кадмию, свинца и цинка. Предложена математическая модель удельных энергозатрат очистки грунтов полигонов твердых бытовых отходов от загрязнения тяжелыми металлами.

Ключевые слова: отходы, полигон, свалка, загрязнение, грунт, ремедиация, регрессия.

Annotation