Эколого-геологические условия полигонов твердых бытовых отходов Среднего Урала (09.02.2009)

Автор: Гуман Ольга Михайловна

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.

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 (?Al(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.


загрузка...