Совершенствование противофильтрационного барьера для снижения эмиссии загрязняющих веществ полигонов захоронения твердых бытовых отходов

Анализ проблем, возникающих при захоронении твёрдых бытовых отходов (ТБО) показал, что по масштабам воздействия и необходимым финансовым и техническим ресурсам, ведущее место занимает локализация загрязнений и снижение эмиссий загрязняющих веществ в окружающую среду.

Полигон, эксплуатирующийся 20−30 лет, отвечающий современным нормативным требованиям, неспособный удовлетворить потребности даже одного поколения, загрязняет окружающую среду, нанося ущерб здоровью и благосостоянию людей в течении нескольких сотен лет. А ликвидация последствий от загрязнения потребует значительных финансовых затрат.

Эмиссии загрязняющих веществ от полигона захоронения ТБО с фильтратом и биогазом, изменения химического состава фильтрата на различных этапах деструкции ТБО, длительный жизненный цикл полигона, измеряющийся столетиями позволяют рассматривать полигон ТБО как источник загрязняющих веществ непрерывного действия. В то же время вследствие постоянного взаимодействия полигона с объектами окружающей среды, влияния климатических, орографических и других природных факторов на формирование фильтрационных вод полигона, их объём и состав, позволяют установить существование двусторонних связей в системе полигон — объекты окружающей среды и определять полигон как открытый природно-антропогенный объект.

Представление полигона как открытого антропогенного объекта непрерывного действия ставит в необходимость разработку новых экологически эффективных и экономически приемлемых технологий изоляции объектов окружающей среды от отходов и фильтрата, как основного негативного фактора полигона. Основным технологическим приёмом в решении таких задач является устройство противофильтрационного барьера в основании полигона, который призван предотвратить загрязнение почвы и грунтовых вод. При этом под противофильтрационным барьером понимают совокупность природных гидрогеологических условий и инженерных мероприятий, направленных на предотвращение эмиссии фильтрата в объекты окружающей среды. Анализ состояния проблемы показал, что основную сложность проектирования системы противофильтрационной защиты основания (ПФЗО) полигона представляет подбор материала и конструкции противофильтра-ционного экрана, поскольку современными нормативными документами практически не регламентируется их качество. Вместе с тем, недостаточно изучены факторы воздействующие на противофильтрационный экран и закономерности изменения свойств экрана под воздействием этих факторов. Несмотря на большое количество материалов и конструкций гидроизоляционных экранов, практически отсутствуют критерии оценки эффективности работы того или иного материала или конструкции. Также отсутствуют методические подходы по выбору материала с учётом особенностей полигона и условий его расположения.

В то же время не решена проблема утилизации многих промышленных отходов, в частности нефтеотходов — асфальтопарафинистых смоло-отложений (АСПО), доля которых в общем объёме отходов нефтедобычи составляет 30 — 50%. Существующие исследования по использованию органом инеральных экранов на основе АСПО (Ручкинова О.И., Тагилов М.А.) позволяют рассматривать их как достойную альтернативу традиционно применяющимся материалам, поскольку обладая высокими противо-фильтрационными свойствами, обеспечивают утилизацию некоторых видов отходов, путём использования вторичных продуктов в качестве компонента гидроизоляционной смеси.

Работа базируется на исследованиях процессов образования фильтрационных вод и методов защиты окружающей среды от загрязнения фильтратом, проведенных специалистами Венского технического университета.

P.Brunner), агентства по охране окружающей среды США (US Environmental Protection Agency — H. Belevi, P. Baccini), кафедры охраны окружающей среды ПермГТУ (Я.И. Вайсман, В. Н. Коротаев, О. И. Ручкинова, М.А. Тагилов), и собственных исследований в области противофильтраци-онной защиты основания полигонов, проведенных в 2001—2008 гг. г.

Целью работы является совершенствование противофильтрационно-го барьера основания полигона захоронения твёрдых бытовых отходов для снижения эмиссии загрязняющих веществ путём определения оптимальных технологических параметров системы противофильтрационной защиты.

В соответствии с поставленной целью были решены основные задачи:

1. Исследованы условия функционирования полигона захоронения твёрдых бытовых отходов как источника долговременного химического загрязнения окружающей среды, дана оценка эффективности традиционно используемых материалов противофильтрационных экранов.

2. Разработан метод расчёта водного баланса основания полигона захоронения ТБО, учитывающий технологические параметры участка захоронения отходов и методика оценки эффективности системы противофильтрационной защиты.

3. Разработана технология устройства противофильтрационного экрана на основе АСПО в промышленных условиях. Экспериментально обоснована конструкция экрана, дана его оценка по эколого-экономическим показателям.

4. Разработан состав полимерорганического гидроизоляционного материала с использованием отходов нефтедобычи — асфальтосмолопарафи-нистых отложений (АСПО). Проведены исследования химических и физико-механических свойств материала.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использован комплекс методов, включающий: экспериментальные исследования в лабораторных условиях, математическую статистику, материальный баланс, ранжирование, химические и физико-химические методы, используемые для исследования структуры и свойств материалов.

Научная новизна:

1. Разработан метод расчёта гидравлической проводимости противо-фильтрационного барьера основания полигонов захоронения ТБО, позволяющий оценить объём фильтрата попавшего в грунтовые воды через про-тивофильтрационный экран.

2. Установлена зависимость гидравлической проводимости противо-фильтрационного барьера от толщины и коэффициента фильтрации экрана, уклона основания и конфигурации дренажной системы. Полученная зависимость позволит научно-обоснованно определять технологические параметры системы ПФЗО.

3. Для устройства противофильтрационного экрана полигонов захоронения ТБО разработан гидроизоляционный материал, обладающий пониженным водопоглощением 0,05 — 0,08%, пониженным коэффициентом.

1 7 фильтрации 1,2−1,9×10″ м/с по сравнению с традиционно применяемыми гидроизоляционными материалами. Новизна разработанного технического решения подтверждена патентом РФ № 2 211 817 на состав гидроизоляционного покрытия.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований, сравнением полученных результатов с результатами работ других авторов в близких областях исследований, большим объёмом лабораторных и опытно-промышленных экспериментов, выполненным по общепризнанным методикам.

Практическое значение и внедрение результатов работы.

1. Разработана методика экологически обоснованного выбора оптимальной системы противофильтрационной защиты основания полигона, учитывающая. индивидуальные особенности площадки захоронения.

2. Разработана методика расчёта водного баланса основания, использование которой позволяет оценить объём просочившегося через экран и собранного дренажной системой фильтрата, а также получить исходные данные для проектирования участка захоронения отходов и оценки его воздействия на окружающую среду.

3. Разработана технология производства и применения полимерорга-нических гидроизоляционных материалов на основе АСПО и отходов полиэтилена. Разработаны технические условия ТУ 25 893−001−20 690 652 004 «Полимерорганические гидроизоляционные материалы», согласованные ФГУП Федеральный центр благоустройства и обращения с отходами Госстроя России.

4. Выполнено «Технико-экономическое обоснование устройства гидроизоляционного экрана на основе нефтеотходов для системы противо-фильтрационной защиты опытного участка полигона захоронения ТБО гора Ермашева Пермского района Пермской области». Разработан «Технологический регламент использования асфальтосмолопарафинистых отложений (АСПО) при устройстве гидроизоляционных экранов».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология и научно-технический прогресс» г. Пермь, 2002 г., всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Уфа, 2006 г.), V Международном конгрессе по управлению отходами и природоохранными технологиями ВэйстТэк-2007 Москва, 2007 г., международной научно-практической конференции «Инновации и управление рисками в теории и практике обращения с отходами» (г. Пермь, 2009 г.).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Повышение эффективности противофильтрационной защиты оснований полигонов захоронения ТБО должно производиться с учётом особенностей условий эксплуатации противофильтрационного барьера на протяжении жизненного цикла полигона захоронения ТБО и с учётом индивидуальных гидрогеологических особенностей площадки захоронения отходов.

2. Поступление фильтрата в подземные воды описывается разработанной моделью водного баланса основания полигона захоронения ТБО и зависит от толщины и коэффициента фильтрации экрана, уклона площадки и конфигурации дренажной системы.

3. Результаты лабораторных экспериментов по разработке оптимального состава гидроизоляционной смеси с использованием АСПО и технологии её применения для устройства противофильтрационных экранов полигонов захоронения ТБО.

4. Применение органоминерального материала на основе АСПО позволит снизить себестоимость строительства противофильтрационного экрана в 2,6 раз по сравнению с экраном из полиэтиленовой плёнки.

Публикация результатов. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 патент и одна работа в издании, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит список литературы из 134 наименований. Объем работы составляет 153 страниц машинописного текста, включающих 22 рисунков и 23 таблиц.

1.8 Основные выводы по анализу состояния проблемы обеспечение экологической безопасности захоронения ТБО.

Полигон является долговременным источником загрязнения объектов окружающей среды, в частности почв и подземных вод, длительность негативного воздействия которого измеряется столетиями. Следовательно противофильтрационная защита оснований должна функционировать на протяжении всего периода разложения отходов и выделения фильтрационных вод, что в соответствии с представленными расчётами измеряется для полигонов Пермского края от 100 до 800 лет. Существующие требования и рекомендации по проектированию противофильтрационной защиты оснований полигонов основаны только на использовании противофильтрационных экранов и не учитывают гидроизоляционные свойства естественного геологического барьера, который может обеспечить защиту подземных вод от загрязнения фильтратом в период когда искусственный противофильтрационный экран выйдет из строя.

В настоящей работе, в качестве эффективного инструмента защиты почв и грунтовых вод от негативного воздействия фильтрата, предлагается рассматривать противофильтрационный барьер, который представляет из себя совокупность геологического барьера и технических средств противофильтрационной защиты.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПОДХОДОВ К ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ ОСНОВАНИЯ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЁРДЫХ БЫТОВЫХ.

ОТХОДОВ.

2.1 Особенности эксплуатации противофильтрациоииых экранов на протяжении жизненного цикла полигонов захоронения ТБО.

Анализ условий эксплуатации противофильтрационных экранов, создаваемых в основании полигонов ТБО, направлен на выявление возможных нагрузок на них, которые могут стать причиной ухудшения их качества, сказывающегося в снижении гидроизоляционной эффективности. Под гидроизоляционной эффективностью противофильтрационного экрана понимается вероятность утечек фильтрата через экран при различных видах его повреждений. В процессе укладки и эксплуатации противофильтрационного экрана под действием внешних факторов, могут измениться физико-механические свойства материалов экрана, что скажется на снижении его гидроизоляционной эффективности. [32,33].

С тем, чтобы облегчить выбор материала для создания противофильтрационного экрана полигона ТБО, необходимо рассмотреть все виды внешних воздействий на него на каждом этапе жизненного цикла полигонов и выдвинуть требования к качеству материалов, используемых для его создания. В том случае, если материалы будут отвечать выдвинутым требованиям, можно будет считать, что противофильтрационный экран обладает необходимой гидроизолирующей эффективностью.

Проведённый обзор технических и технологических решений по противофильтрационной защите оснований полигонов захоронения ТБО показал, что несмотря на большое количество материалов и конструкций гидроизоляционных экранов, практически отсутствуют критерии оценки эффективности работы, того или иного материала или конструкции. Также отсутствуют методические подходы по выбору материала с учётом особенностей полигона и условий расположения площадки. Обзор нормативных документов показал, что в настоящее время нормируется только коэффициент фильтрации глинистого грунта (0,086 м/сут при мощности слоя 5 м). Проведённый анализ условий эксплуатации экранов показал, что этого не достаточно, так как под действием внешних воздействий на экран могут меняться его свойства и технические характеристики (в том числе и коэффициент фильтрации). Поэтому при выборе материала для создания противофильтрационного экрана рекомендуется тщательно изучить способность материала противостоять внешним воздействиям не изменяя своих свойств на протяжении всего жизненного цикла полигона захоронения ТБО.

Анализ нормативно-методических документов, действующих в области проектирования, строительства и эксплуатации полигонов ТБО показал, что экологические и санитарно-гигиенические требования безопасности предъявляются к полигонам только на стадии их строительства, эксплуатации и рекультивации (как правило, этот временной период составляет 30−40 лет). Однако период потенциального негативного воздействия, которое полигон способен оказывать на окружающую природную среду, выходит за рамки указанного временного интервала и измеряется сотнями лет, проходящими до полной ассимиляции массива заскладированных отходов окружающей природной средой. Следовательно возникает необходимость на основе изменяющихся в процессе жизненного цикла внешних воздействий на экран разработать систему критериев оценки эффективности противофильтрационных экранов. Для формулировки таких критериев необходимо рассмотреть все виды внешних воздействий на экран.

Опасность загрязнения подземных вод фильтратом особенно возрастает на постэксплуатационном этапе функционирования полигонов, когда возможен выход из строя искусственных гидроизолирующих экранов. Это определяет актуальность экологической оценки полигонов захоронения ТБО как источников загрязнения водных объектов с целью разработки рекомендаций по обеспечению долговременной экологической безопасности.

Жизненным циклом полигона ТБО считается временной период от начала процедуры выбора площадки под строительство полигона до полной ассимиляции массива отходов окружающей средой и достижения стабильного и экологически безопасного состояния. Выделяют следующие этапы жизненного цикла полигонов ТБО: инвестиционный, эксплуатационный, рекультивационный, ассимиляционный активный и ассимиляционный пассивный. [34]. Для каждого из этапов жизненного цикла характерны специфические виды воздействия на противофильтрационный экран. Нами были выделены и проанализированы основные факторы снижения гидроизоляционной эффективности противофильтрационных экранов в соответствии с выделенными этапами жизненного цикла полигона (табл. 2.1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе осуществлено научное обобщение теоретических, методических, экспериментальных и опытно-экспериментальных исследований автора по проблеме снижения эмиссии загрязняющих веществ путём совершенствования противофильтрационного барьера полигонов захоронения твёрдых бытовых отходов. Результаты их позволяют сделать ряд выводов, имеющих теоретическую и практическую значимость.

1. Разработан способ выбора оптимальной противофильтрационной системы, основанный на принципе обеспечения долговременной защиты объектов окружающей среды от негативного влияния полигонов.

2. Разработан метод расчёта водного баланса основания полигона захоронения ТБО, позволяющий оценить потоки фильтрата просочившегося через экран и поступившего в дренажную систему. В результате разработанного метода установлены аналитические зависимости гидравлической проводимости основания от основных технологических параметров системы противофильтрационной защиты.

3. Разработана методика оценки эффективности системы противофильтрационной защиты, основанная на оценке количества фильтрата, просочившегося через экран. Разработана классификация систем противофильтрационной защиты.

4. Разработана технология устройства органоминерального противофильтрационного экрана в промышленных условиях. Обоснована экологическая безопасность применения данного материала.

5. Разработан состав гидроизоляционной смеси для устройства противофильтрационной защиты оснований полигонов ТБО с применением отходов нефтедобычи при следующем соотношении компонентов в мае. %: (АСПО) — 40 — 50, полиэтилен — 50- 60. Проведённые исследования физико-химических и механических свойств полученного материала показали, что он обладает пониженным водопоглощением 0,05 — 0,08%, пониженным.

13 коэффициентом фильтрации 1,2−1,9×10″ м/с, высокой прочностью — до 120 кг/см. Разработаны технические условия ТУ 25 893−001−2 069 065−2004 на гидроизоляционную смесь. Новизна разработанного технического решения подтверждена патентом РФ № 2 211 817 на состав гидроизоляционного покрытия. Использование гидроизоляционного материала на основе АСПО позволит предотвратить размещение нефтеотходов в окружающей среде в количестве 6 тыс. тонн при экранировании полигона, площадью 20 гаснизить эмиссию загрязняющих веществ в подземные водысократить затраты на строительство экрана в 4,4 раза по сравнению с экраном из полиэтиленовой плёнки.