|
|
|
|
|
|
Факультет: Горно-геологический
Научный руководитель: проф.Волкова Т.П.
E-mail: spitsa_elen@ukr.net
Со стремительным ростом потребления все более актуальной становится проблема обращения с накапливающимися отходами. С каждым годом количество твердых бытовых отходов неуклонно возрастает, и в настоящий момент составляет 200-800 кг/год на душу населения.
Удаление и обезвреживание твердых бытовых отходов (ТБО) является одним из наиболее значимых неблагоприятных экологических факторов, важнейшим показателем санитарного благополучия населения и общественной гигиены.
Состав ТБО в различных странах принципиально не отличается (ил.1), в связи с чем, проблемы их складирования, ликвидации, обезвреживания или переработки во многом идентичны. Однако это не означает, что при решении этих проблем возможно использовать какой-либо универсальный метод управления ТБО. Даже в странах Европы, где установлены единые принципы управления отходами, существуют различия в направлениях потока ТБО. Среди методов ликвидации отходов в настоящее время первое место принадлежит полигонам твердых бытовых отходов, на которые вывозят порядка 90-95% отходов.
В нашей стране проблеме размещения ТБО не уделяется должного внимания, несмотря на то, что в виде полигонов и свалок в Украине размещается более 80% всех образующихся отходов. Среди существующих 750 полигонов (точнее свалок), многие заполнены на 60-90%, а некоторые - переполнены и должны быть закрыты [2]. Подавляющее большинство полигонов твёрдых бытовых отходов не отвечают условиям санитарных норм.
Существующие полигоны, а точнее свалки ТБО представляют собой значительную экологическую опасность, которая будет действовать еще десятки лет.
По результатам работ различных авторов, исследовавших все аспекты размещения ТБО на полигонах, отмечается не только сильное поверхностное загрязнение почв на больших территориях, но и подземных вод и грунтов до глубин более 20 м. При этом установлено, что воды фильтратов являются также источником загрязнения поверхностных вод по: Fe, Ba, Cr, P, Ti, Ni, нитратам, аммонию, Cl от 2 до 100 ПДК. Кроме того, в состав загрязняющих компонентов при многократном превышении ПДК входят: Co, W, Mo, V, Zr, Pb, Bi, Zn, Li, Sr и т. д. Воды эти токсичны для живых организмов.
Помимо этого на природную среду оказывает влияние выделение биогаза - метана, кислорода, углекислого газа, содержание которых может составлять десятки процентов. Эти величины превышают санитарные нормы и могут вызвать удушье человека. Биохимическое разложение и химическое окисление материала свалки может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75°С, т.е. возможно самовозгорание отходов. Гниение материала ТБО сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км.
Однако, основная проблема такого метода обращения с ТБО как размещение их на полигонах состоит в том, что при складировании многокомпонентных отходов в определенных благоприятных условиях в теле полигона ТБО протекают непредсказуемые физико-химические и биохимические процессы, продуктами которых являются многочисленные токсические химические соединения в твердом, жидком и газообразном состоянии. Данные соединения представляют собой дополнительную экологическую опасность.
Несмотря на значительное разнообразие существующих методов утилизации ТБО, в нашей стране в силу ряда причин еще многие годы основным направлением обращения с отходами будет размещение их на полигонах. Поэтому основные разработки должны быть направлены на модернизацию старых и строительство новых экологически безопасных объектов складирования ТБО (ил.1). Такие объекты должны прежде всего обеспечивать максимальную защиту окружающей среды. Однако, прежде чем разрабатывать новые безопасные технологии переработки твердых бытовых отходов, необходимо выявить конкретные направления, требующие модернизации. Поэтому первым этапом в процессе усовершенствования складирования и переработки ТБО является проведение мониторинга окружающей среды в зоне влияния полигона ТБО. Таким образом, представится возможность не только оценить степень воздействия полигона на ОС, но и попытаться установить взаимосвязь между составом отходов и характером существующих загрязнений. Полученные результаты позволят более эффективно разрабатывать новые технологии по утилизации ТБО. Всестороннему рассмотрению данного подхода уменьшения комплексного влияния полигонов ТБО и будет посвящена данная квалификационная работа.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования стали:
Наибольшую значимость и научную новизну при решении поставленной задачи играет оценка комплексного влияния полигонов ТБО на окружающую среду на конкретных примерах, а также установление связи между конкретными видами бытовых отходов и характером существующих загрязнений. Это вызвано тем, что имеющаяся информация по данной проблематике явно недостаточна и неоднозначна.
В прошлом, когда все образующиеся отходы свозились на городскую свалку, выяснение степени экологической опасности складируемых отходов не являлось первостепенной задачей. Вся информация о ТБО, попадавшая на страницы Национальных докладов о состоянии окружающей среды неполна и, видимо, не вполне точна. Так, в Государственном докладе СССР 1989 года верхние и нижние оценки определенных категорий отходов, в общем составе ТБО, различаются в 2-3 раза. А достоверные данные по ТБО в бывшем СССР и в Украине практически отсутствуют.
Сегодня же при разработке многих современных подходов в решении проблем обращения с отходами, во избежания ошибок, которые могут повлечь за собой серьезные последствия, требуются обширная информация об отходов.
Поэтому точную информацию о выяснении влияния полигонов ТБО на окружающую среду трудно переоценить.
При выполнении работы, будет предпринята попытка установления основных источников загрязнения окружающей среды при эксплуатации полигонов, а также степени уменьшения данного загрязнения в результате применения новой концепции размещения отходов на полигоне.
Основная практическая ценность диссертации заключается в возможности дальнейшего применения полученных результатов при разработке новых технологий складирования и переработки твёрдых бытовых отходов.
А также, в проведённой оценки влияния полигонов ТБО. Подобные исследования могут служить ориентиром для многих правительственных и общественных организаций. В конечном счёте, эти исследования могут стать отправной точкой для дальнейших разработок в данном направлении.
Проблема обращения с твердыми бытовыми отходами на сегодняшний день приобрела глобальный характер и является одной из наиболее важных экологических проблем. Стремительный рост образования отходов заставляет общественность отнестись к этой проблеме с особым вниманием. Поэтому в последние годы количество публикаций и исследований в области отходов резко возросло.
Естественно наибольший опыт исследований и новейших разработок в этой области принадлежат научным работникам высокоразвитых стран, в которых гораздо раньше осознали всю серьезность проблемы накопления отходов в мире. Все основные западные технологии постепенно внедрялись и в нашей стране, (естественно при условии их возможной адаптации к нашим условиям). Обзор наиболее распространенных методов удаления бытовых отходов можно найти в большом количестве научных трудов и публикаций [1-5].
Что же касается исследования одного из наиболее применяемых в мире и в нашей стране в частности, метода удаления отходов посредствам складирования их на полигонах, то особо следует отметить материалы М.Е. Краснянского [2,6,7] и Ф.В Стольберга [1]. Здесь представлен наиболее полный обзор данного метода, начиная с выбора участка под строительство полигона и заканчивая завершающей стадией эксплуатации полигонов - рекультивацией территории. Материалы М.Е. Краснянского представляют особую практическую ценность, так как посвящены исследованию полигонов Донецкого региона. В частности, особое внимание он уделяет Ларинскому полигону ТБО, который также будет рассматриваться в данной магистерской работе. Однако здесь, основным направлением исследований было изучение биогаза, выделяющегося в процессе эксплуатации полигона. Исследования по оценке влияния полигона на различные сферы ОС проведены не были.
Вопросам общего характера загрязнения окружающей среды в зоне влияния полигонов посвящены различные литературные и интернет-источники [1, 2, 6-9]. В них приводится информация об основных элементах-загрязнителях, характерных для полигонов твердых бытовых отходов и существующих методах уменьшения либо предотвращения вредного воздействия мест складирования ТБО. Особо подчеркивается существования большого разнообразия токсических элементов и их соединений в ТБО в зависимости от их состава.
Вопросы выявления и картирования техногенных и природных аномалий рассматриваются В.А. Алексеенко, автором первого в странах СНГ учебника по "Экологической геохимии" [10]. Одним из ключевых показателей, с помощью которого он предлагает выявлять и картировать техногенные аномалии, он называет величину аномального содержания элементов (т.е. отклонение их содержания от сформировавшегося в пределах территории "фонового" значения). Во избежания ошибок при выявлении аномалий в его методике используются методы математической статистики, в частности, корреляционный анализ. Практика многолетних исследований, проводимых В.А. Алексеенко на территории стран СНГ, в том числе и в Украине, говорит в пользу предложенного им метода. Однако вопрос о генетической принадлежности выделенных аномалий к возможным источникам загрязнения в его работах поднят не был.
Проблеме классификации бытовых отходов также уделяли свое внимание многие авторы. По мере роста количества и разнообразия отходов, усложнения отношений, связанных с их утилизацией, были выработаны различные классификации и определения типов отходов. Отходы классифицируют как по происхождению: бытовые, промышленные, сельскохозяйственные и т.д., так и по свойствам. Самое известное разделение по свойствам, принятое в законодательствах большинства стран. Это деление на "опасные" т.е. токсичные, едкие, воспламеняющиеся и прочие и "неопасные" отходы [1,2].
Бытовые отходы, о которых пойдет речь в данной магистерской работе, имеют различное происхождение, поэтому информации о таком условном разделении отходов явно недостаточно для проведения полноценного исследования. Основой для решения ряда задач, поставленных в работе послужат результаты по исследованию ресурсной базы бытовых отходов Донецкой области на примере Ларинского полигона ТБО, проведенного Калинихиным О.Н. и Краснянским М.Е. [7]. Эти данные позволят продолжить проведение исследование полигонов ТБО, в частности попытаться установить взаимосвязь между составом отходов и характером существующего загрязнения. Исследования такого рода до сих пор не проводились, хотя их результаты составляют большую практическую ценность для разработки методик модернизации полигонов ТБО и методов переработки отходов на полигонах.
Из технологий переработки бытовых отходов на полигонах особо можно выделить методики, описанные в издании Ф.В. Стольберга [1], а также новую технологию утилизации бытовых отходов путем использования их термически высушенных остатков на полигонах в качестве удобрений, предложенную А.С. Грининым и В.Н. Новиковым [8]. Однако, комплексного подхода к решению проблемы переработки отходов на полигонах твердых бытовых отходов пока не существует.
Предварительное исследование и анализ аналитических данных по мониторингу окружающей среды в районе влияния Ларинского полигона ТБО позволили получить следующие результаты.
На первом этапе исследования были обработаны химико-аналитические данные, полученные в результате опробования почво-грунтов в зоне влияния полигона ТБО. Для выделения зон повышенных концентраций элементов использовались методы статистической обработки программы "Statgraf".
По полученным результатам статистической обработки, можно сделать следующие выводы относительно степени воздействия наблюдаемого объекта на окружающую среду:
1. При рассмотрении мер положения (среднее, мода, минимум, максимум), по каждому показателю получаем, что Pb (максимум =43.6), Zn (максимум=267.9), Hg (максимум=2.29992), которые относятся к первому классу опасности, Ni (максимум=98.789), Mo (среднее=3.98571, максимум=11.1), Ge (максимум=6.696), относящиеся ко второму классу опасности, - превышают ПДК, равные соответственно 32, 100, 2.1, 85, 1.2, 1.44, а Cu, относящийся ко второму классу опасности, не превышает ПДК, равной соответственно 55, так как ни одно из значений мер положения не превышает значения ПДК. Таким образом были определены основные элементы-загрязнители исследуемой территории.
2. Расчет коэффициентов вариации позволил определить элементы с однородным распределением (коэф-нт вариации от 0 до 50 %) - это Ni и Cu; с неоднородным распределением (коэф-нт вариации от 50 до 100 %) - это Zn и с крайне неоднородным распределением (коэф-нт вариации больше 100%) - это Pb, Hg, Mo.
Исходя из полученных значений коэффициентов вариации можно сделать вывод, что заключения, сделанные по первому пункту имеют высокую точность относительно показателей Ni и Co. По Zn, Pb, Hg, Ge и Mo для повышения точности следует провести дополнительные опробования на прилегающих площадях с отсутствием опробования, либо необходимо сгустить сеть на опробованных площадях для проверки соответствия ПДК.
Наиболее изменчивым показателем среди исследуемых является Ge, его коэффициент вариации равен 165,26.
С целью выявления значимых связей между показателями были рассчитаны коэффициенты корреляции посредствам пакета "Statgraf" (ранговая корелляция ). В результате выявлены следующие значимые положительные связи: Ge-Hg (коэффициент корреляции 0,8326), Zn-Ni (коэффициент корреляции 0,6210), Cu-Ni (коэффициент корреляции 0,5549), Mo-Zn (коэффициент корреляции 0,5933), Mo-Cu (коэффициент корреляции 0,6104), x-Zn (коэффициент корреляции 0,5541), Ni-x (коэффициент корреляции 0,4665), Mo-Ni (коэффициент корреляции 0,4622).
Исходя из полученных результатов была выделена следующая ассоциация элементов: Zn-Ni-Mo.
Для построения карт геохимических полей элементов были выбраны коэффициенты концентраций Zn и Мо, так как они превышают ПДК, имеют соответственно неоднородное и крайне неоднородное распределение, значимые связи с рядом элементов и координатой x, а также относятся ко второму классу опасности. Интерпретации полученных карт геохимических полей, а также построению новых будут посвящены дальнейшие исследования.
Для определения суммарного загрязнения почв района Ларинского полигона был рассчитан комплексный геохимический показатель по элементам выбранной ассоциации. Показатель представляет собой произведение элементов, связанных значимыми положительными связями. Затем по полученным данным была построена карта суммарного загрязнения почв посредством программы "Surfer".
Предварительные результаты свидетельствуют о наличии значительного загрязнения почво-грунтов зоны влияния полигона твердых бытовых отходов. Ореолы загрязнения распространены как в непосредственной близости от полигона ТБО (наиболее интенсивное загрязнение), так и на прилегающей территории. Причем повышенные концентрации различных токсических элементов не всегда совпадают по пространственному распространению, это свидетельствует о наличии определенной геохимической зональности, природа которой будет выявлена в последующих исследованиях. Для большей обоснованности полученных результатов необходимо также проведение комплексных исследований с оценкой уровня и характера загрязнения водной среды и атмосферного воздуха. Это позволит создать геохимическую модель регионально проявленного техногенного процесса в полном объеме, определить условия миграции и локализации широкого спектра макро- и микрокомпонентов. Данный комплекс экологических работ позволит оценить степень опасности загрязнения компонентов природной среды, выявить источники загрязнения и наметить мероприятия по снижению негативного воздействия с их стороны.
В дальнейшем планируется исследования по проведение анализа состава твердых бытовых отходов на Ларинском полигоне ТБО; установлению взаимосвязи между составом отходов и характером загрязнения; установлению пространственной и генетической связи между источниками и очагами загрязнения посредством интерпретации геохимических карт распределения элементов и проведения корреляционного анализа; оценке интенсивности и масштаба воздействия каждого из выделенных источников загрязнения территории; исследованию влияния физико-механических свойств пород на увеличение зоны влияния полигона.
Таким образом, практическая ценность данной квалификационной работы очевидна. Полученные результаты могут быть использованы как непосредственно после окончания исследования (например, для целей реконструкции существующего полигона, а также для определения основных направлений мониторинговых исследований в будущем), так и могут служить основой для дальнейшего развития данного направления или других направлений в области исследования твердых бытовых отходов.
Следует отметить также, что теоретическая и расчетно-методическая базы, представленные в данной работе, являются одной из первых попыток решения одной из наиболее сложных и в то же время актуальных проблем экологии - выявления генезиса техногенных аномалий. В реальной ситуации исследователи зачастую имеют дело с ореолами загрязнения, сформированными в результате наложения различных по геохимическим параметрам процессов загрязнения, которые при этом усреднялись, что значительно усложняло задачу разделения зон влияния непосредственно каждого источника. В связи с этим необходимо продолжать исследования по установлению закономерностей развития техногенного процесса, рассматривая при этом также подземные воды в их тесной взаимосвязи с вмещающими породами, фиксируя и анализируя последствия техногенного преобразования пород.
Установление же взаимосвязи между составом отходов и характером существующего загрязнения в зоне влияния мест складирования отходов позволит в дальнейшем разрабатывать более совершенные технологии переработки отходов с учетом вклада конкретного вида отхода в общее загрязнение окружающей среды. Возможно, исследования такого рода в перспективе найдут свое применение в процессе разработки комплексного подхода к переработке твердых бытовых отходов вообще и на полигонах в частности.