Управление отходами. Полигонные технологии захоронения твердых бытов

–возможность моделирования сейсмических воздействий;

–возможность задавать слоистость грунтов;

–оптимизация круглоцилиндрической и полигональной поверхности скольжения;

–расчет по теории предельных состояний и коэффициента запаса;

–возможность ввести в расчет геоарматуры;

–расчет в эффективных и полных параметрах грунтов;

–возможность ограничения оптимизация поверхности скольжения; Пример расчета устойчивости откоса с помощью программы Geo 5 пред-

ставлен на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Пример использования программы Geo 5

Оптимальной программой для расчета устойчивости массива отходов является PLAXIS, поскольку данный программный комплекс позволяет:

– создавать расчетные схемы с учетом неоднородности строения грунтового основания, геометрии сооружения, действующих нагрузок и граничных условий;

41

–моделировать этапы строительства, темпы возведения, условия работы конструкции и грунтового основания;

–моделировать грунты, применяя апробированные в современных геотехнических расчетах модели (упругопластическую модель Кулона – Мора, модель слабого грунта типа Cam-Clay, реологическую модель с учетом ползучести грунта, упругопластическую модель упрочняющего грунта, упругопластическую модель анизотропного скального грунта);

–выполнять расчеты напряжений и деформаций в элементах системы «основание – фундамент – сооружение»;

–выполнять расчеты начального напряженного состояния грунтового массива с учетом процесса его формирования;

–выполнять расчеты несущей способности грунтовых оснований и устойчивости грунтовых сооружений (плотин, насыпей);

–выполнять расчеты избыточного порового давления в процессе консолидации водонасыщенных глинистых грунтов;

–выполнять расчеты напорной и безнапорной фильтрации при установившемся и неустановившемся режимах;

–проводить оперативный анализ развития напряженно-деформированного состояния в любом элементе расчетной схемы (конструкция, грунт) на любом этапе расчетов.

Программа PLAXIS рекомендована Международным обществом по механике грунтов и геотехнике для решения различных геотехнических задач и является признанным программным продуктом среди специалистов в области фундаментостроения, сертифицированным в России.

1.3. Воздействие полигона ТБО на окружающую среду

Полигон ТБО, как комплекс сооружений, предназначенный для размещения и обезвреживания отходов, концентрирует на ограниченной территории большое количество загрязняющих веществ и тем самым создает опасность для окружающей среды.

Основными видами антропогенного воздействия полигона на окружающую среду являются: привнос в атмосферный воздух газообразных веществ от выбросов биогаза с участка депонирования ТБО, технологических машин, функционирующих на полигоне; в поверхностные воды – свалочного фильтрата, отводимого из тела полигона, промливневых и хозбытовых сточных вод от хозяйственной зоны полигона; изъятие земельных ресурсов и загрязнение почв (рис. 1.10).

Потенциальная опасность загрязнения становится реальностью, если не создаются защитные барьеры на пути развития вредных воздействий. Для того

42

Рис. 1.10. Воздействие объекта захоронения ТБО на окружающую среду

чтобы создавать эти барьеры или эффективно использовать существующие природные, необходимо иметь представление о возможных видах вредных воздействий полигона ТБО на окружающую среду.

Полигон ТБО оказывает воздействие на водные экосистемы. Практически изменяется водный режим на территории, площадь которой на один-два порядка превышает площадь самого полигона, в частности:

а) изменяется распределение по территории поверхностного стока вследствие отвода части его от площади полигона и изменения водного режима на территории полигона (сводка леса, застройка, искусственные покрытия, канализование части стока);

б) существенно изменяется режим подземных вод вследствие изменения баланса «осадки – инфильтрация – сток» на территории полигона и вокруг него; в) изменяется режим питания ближайших к полигону малых рек и ручьев;

возможно исчезновение одних родников, возникновение новых; г) существует потенциальная опасность утечки с территории полигона за-

грязненных стоков. Утечки могут происходить в виде растекания по земной поверхности, приводя к загрязнению поверхностного стока на прилегающей территории, или путем инфильтрации через проницаемое грунтовое основание полигона с загрязнением горизонтов подземных вод.

Рассмотренные выше воздействия (пп. а, б, в) сами по себе не являются отрицательными, поскольку приводят в основном к количественным изменениям водного режима на территории вокруг полигона. Однако они могут негативно повлиять на существующие в зоне влияния водозаборы поверхностных и подземных вод, а при определенном (хотя и маловероятном) стечении об-

43

стоятельств привести к подъему уровней грунтовых вод на локальных участках, подтоплению земель и строений [85].

Наиболее негативное влияние на окружающую среду оказывают утечки с территории полигона загрязненных стоков, поскольку они приводят к качественным изменениям водных объектов, прежде всего – изменениям химического и бактериологического состава поверхностных и подземных вод [10]. Основным источником загрязнения прилегающих территорий является фильтрат, мигрирующий через тело полигона. Фильтрат представляет собой сложный насыщенный высокоминерализованный раствор различных загрязнителей [11].

Формирование в толще отходов фильтрата начинается при массовой влажности отходов 30 %. Сроки выхода фильтрата из тела полигона зависят от гидрогеологического строения участка и могут колебаться от нескольких месяцев до нескольких лет [11].

Практика свидетельствует об ухудшении гидрохимических и санитарнобактериологических показателей качества воды водных объектов вокруг любой свалки ТБО, не имеющей специальных защитных сооружений.

Воздействие на состояние атмосферного воздуха и биосферы вокруг полигона оказывает газовый режим полигона. При депонировании ТБО в теле полигона происходят анаэробные микробиологические процессы, в результате которых образуется биогаз. Выбросы биогаза, содержащего 50–60 % метана, на 30-й год эксплуатации полигона могут достичь 20 % от массы размещенных за этот период ТБО. Особенно негативно (при отсутствии специальной системы дегазации) влияет выделяющийся с полигона биогаз на зеленый покров массива полигона. При эмиссии в атмосферу биогаз вытесняет воздух, содержащийся в верхних слоях отходов и укрывающей их почве. В результате у большинства растений, особенно культурных, возникают задержки роста вплоть до их гибели.

По визуальному обследованию существующих свалок ТБО установлено, что выделяющийся из них биогаз непосредственного отрицательного (угнетающего) влияния на древесно-кустарниковую растительность вокруг свалок не оказывает.

Помимо биогаза, на полигоне ТБО образуются выбросы от работающих на нем машин, механизмов и транспортных средств, однако их валовые выбросы составляют (по массе) менее 1 % от массы биогаза.

Расчетами установлено, что зона влияния газовых выбросов полигона ТБО ограничена радиусом 500 м от границ полигона. За пределами этой зоны концентрации всех загрязняющих веществ в воздухе не превышают ПДК(без учета фона).

Потенциальная опасность образования биогаза в массиве заскладированных отходов не сводится к выбросу в атмосферу большой массы загрязняющих веществ, содержащихся в самом биогазе. Биогаз горюч, и при отсутствии системы противопожарных мероприятий высока вероятность возникновения пожа-

44

ров. При горении ТБО в низкотемпературном режиме (порядка 300–600 °С) образуются высокотоксичные продукты распада, в частности диоксины. Этот процесс на организованных полигонах ТБО должен быть исключен [10].

Эпидемиологическая опасность. Полигон ТБО является потенциальным (при отсутствии специальных защитных мероприятий) источником бактериологического заражения местности. Перенос болезнетворных микроорганизмов может происходить через: загрязненные стоки полигона; разнос легких фракций отходов (ветром с рабочих карт или с подъезжающих мусоровозов); птиц; насекомых; грызунов; биомассу растений, растущих на полигоне.

Распространение биологических и химических компонентов обусловливает загрязнение почвы. Почва считается биологически загрязненной, если в ней присутствуют возбудители инфекционных заболеваний, яйца глистов, яйца и куколки паразитирующих насекомых. Все эти биологические загрязнения могут попадать в почву вместе с ТБО. Наиболее опасным биологическим загрязнением считается занос в почву возбудителей таких инфекций, как сибирская язва, газовая гангрена, ботулизм, столбняк.

Биологическое загрязнение почвы оценивается с помощью прямых и косвенных показателей. В качестве прямых показателей используются данные о количественном содержании в пробах почвы патогенных микробов, в качестве косвенных – содержание кишечной палочки и анаэробов (содержание бактерий Perfingens). Эти бактерии являются санитарно-показательными (индикаторными) микроорганизмами, по их содержанию можно судить о присутствии или отсутствии патогенных микробов.

В качестве количественного критерия используется титр – наименьшее количество материала среды (вода, почва), в котором содержится одна кишечная палочка или бактерия Perfingens. В соответствии с этим титр обозначается как коли-титр или титр Perfingens. В табл. 1.5 приведены показатели биологического загрязнения почвы.

45

Впочве обычно имеются благоприятные условия для развития домашней

идругих видов мух. Наилучший способ борьбы с мухами – исключение возможности их контакта с гниющими ТБО, так как самки мух откладывают в них огромное количество яиц. В гниющих отходах есть все условия для развития яйца до личинок, куколок и окрыленной мухи.

Учет процессов самоочищения почвы от экзогенных химических веществ

и управление ими открывает большие возможности для использования их в практике [1].

Специфическим видом воздействия полигона на окружающую среду является нарушение ландшафта местности – сводка леса, изменение рельефа на значительной территории.

Одним из видов отрицательного воздействия является нарушение земель при создании полигона. Причем, помимо собственно полигона, необходимо учитывать еще и карьеры грунтовых материалов для полигона.

Малоизученным пока видом воздействия на окружающую среду является нарушениеприродного биогеоценоза на значительной территории вокругполигона.

Существует ряд природных и техногенных факторов, неучет которых может значительно снизить эффективность защитных мероприятий и повысить вероятность реализации потенциальных отрицательных воздействий полигона на окружающую среду.

К числу природных «факторов риска» прежде всего относятся тектонические условия площадки и сейсмическая активность района. Техногенные факторы могут усиливать или ослаблять их влияние.

При прохождении в пределах участка захоронения отходов линий тектонических нарушений (разломы, сбросы и т.п.) высока вероятность относительных вертикальных или горизонтальных смещений крупных блоков полигона с нарушением сплошности и работоспособности защитных устройств.

Пермская область не относится к числу регионов с высокой сейсмической активностью (7 баллов и более), однако вероятность землетрясений до 5–6 баллов, особенно в горнодобывающих районах, не исключается.

При одной и той же мощности сейсмических колебаний в очаге землетрясения и при одинаковом удалении от него сила толчков в месте расположения сооружения и их последствия могут существенно различаться. При прочих равных условиях степень отрицательного воздействия землетрясения на сооружение возрастает, если:

–контур сооружения пересекается линиями тектонических нарушений;

–толща четвертичных отложений под сооружением обводнена;

–нижняя часть насыпного сооружения (в данном случае – полигона ТБО) обводнена;

–в основании сооружения залегают грунты, способные при динамических

воздействиях разжижаться (например, пылеватые обводненные пески-плывуны);

46

–сооружение располагается на подработанной территории;

–защитные элементы сооружения выполнены по жесткой схеме. Напротив, степень отрицательного воздействия землетрясения на соору-

жение будет минимальной, если:

–все сооружения располагаются в пределах одного тектонического блока;

–уровни подземных вод залегают ниже подошвы четвертичных отложений;

–обеспечивается эффективное обезвоживание насыпного сооружения, исключающее формирование в нем водонасыщенной зоны;

–в основании сооружения залегают прочные грунты, имеющие наиболее низкую сейсмическую категорию по СНиП II-7–81;

–площадка сооружения располагается за пределами зон активной отработки месторождений полезных ископаемых, в том числе горных работ;

–защитные элементы сооружения выполнены по гибкой схеме и сохраняют работоспособность при больших относительных деформациях.

Согласно СНиП II-7–81 «Строительство в сейсмических районах» сейсмичность сооружения в пределах обозначенных выше границ по условиям его расположения и конструкции может изменяться до 2 баллов, что означает изменение реальной силы воздействия землетрясения на сооружение на два порядка.

Гидрогеологические условия площадки, как отмечено, являются катализатором ее потенциальной сейсмичности. В то же время оно представляют собой самостоятельный природный фактор, влияющий на степень воздействия полигона на окружающую среду. Вероятность загрязнения поверхностных

иподземных вод возрастает при высоком (близком к земной поверхности) расположении уровней подземных вод и, напротив, существенно снижается при глубоком их залегании. Вероятность ухудшения качества воды на водозаборах и у других водопотребителей высока, если полигон ТБО располагается относительно них выше по потоку подземных вод, даже на значительном расстоянии от них. Напротив, при расположении площадки полигона ниже по потоку подземных вод его влияние на водопотребителей может отсутствовать даже при очень близком их расположении.

К числу благоприятных природных факторов, значительно снижающих отрицательное воздействие полигона на водные объекты, относится наличие

вего основании естественного геологического барьера – слоя пород (например, глинистых), который способен эффективно препятствовать выносу загрязнений полигона в горизонты подземных вод.

Такой барьер одновременно выполняет функции естественного противофильтрационного экрана, уменьшающего общий объем инфильтрации загрязненных стоков; природного сорбционного и ионообменного фильтра, задерживающего значительную часть загрязнений из фильтрующихся через него стоков. Основной является функция очистки стоков, поэтому нельзя сводить

47

понятие геологического барьера только к его экранирующему эффекту. Защитный эффект естественного геологического барьера оценивается использованием аналогов или по результатам специальных исследований, проводившихся в сопоставимых условиях. Отчасти функции такого барьера выполняет также и глинистый подстилающий слой пленочного экрана.

Для максимального использования защитного эффекта геохимического барьера при выборе площадки под полигон предпочтение следует отдавать вариантам с глубоким залеганием подземных вод [87].

1.4. Оптимизация размещения объектов захоронения ТБО

Совершенствование природоохранительного законодательства привело к повышению роли органов государственного управления субъектов РФ в области охраны окружающей среды. Одним из важных аспектов их деятельности становится создание и эффективное функционирование региональной системы управления обращением с отходами (СУО) производства и потребления. В рамках указанной проблемы территориальные и муниципальные органы власти несут ответственность за обеспечение экологической безопасности захоронения отходов. Исторически в РФ объекты захоронения отходов (полигоны) находятся на балансе муниципалитетов и в силу несовершенной тарифной политики постоянно дотируются из муниципальных бюджетов. Инвестиции в создание новых полигонов требуют объединения усилий бюджетов субъекта федерации и муниципалитетов.

В 2001 году на территории Пермской области была проведена инвентаризация объектов размещения отходов. Инвентаризация показала, что из более чем 600 муниципальных объектов размещения отходов потребления, ни один объект не удовлетворяет всем экологическим, санитарно-гигиеническим и техническим требованиям, т.е. захоронение отходов потребления производится некорректно. Полигоны не имеют противофильтрационной защиты оснований, вследствие чего все они являются источниками загрязнения гидросферы.

По результатам инвентаризации все муниципальные полигоны должны быть закрыты к приему отходов по санитарно-гигиеническим, экологическим, градостроительным или техническим причинам. Часть из них может быть реконструирована в соответствии с действующими техническими нормами, но большинство требует немедленной консервации и санирования. Выполнить весь комплекс природоохранных мероприятий на требующих ликвидации свалках невозможно ни с технической, ни с экономической точки зрения. Для строительства новых современных полигонов, соответствующих требованиям экологической безопасности, необходимы значительные инвестиционные ресурсы. Поэтому развитие сети объектов захоронения отходов должно подчиняться интересам не от-

48

дельных населенных пунктов и даже не муниципальных образований, а всего субъекта федерации в целом.

Региональный подход в решении проблемы позволяет исключить местнические интересы, аккумулировать и объединить средства муниципальных бюджетов и эффективно использовать средства областного бюджета.

Региональная сеть полигонов приведет к их укрупнению, что позволит снизить удельные затраты на захоронение, но повысит затраты на транспортировку отходов. Возникает задача оптимизации количества и мест расположения полигонов захоронения с целью минимизации суммарных затрат.

Для решения поставленной оптимизационной задачи необходимо определить оптимальное количество, местоположение и емкости полигонов на территории края, схему вывоза отходов с точки зрения минимизации экономических затрат на транспортировку и захоронение отходов. Источниками отходов являются населенные пункты. Полигоны должны соответствовать нормативным требованиям и обеспечивать всю потребность в захоронении отходов.

Поставленная задача относится к классу задач нелинейного программирования. Для ее решения была создана технико-экономическая модель полигона захоронения отходов потребления, модель транспортировки отходов и разработан метод решения данной задачи.

1.4.1. Модель транспортировки отходов. Зависимость удельных затрат на транспортировку от расстояния

Анализ информации по существующим мусоровозам показал, что все мусоровозы по своим технико-экономическим показателям могут быть разделены на четыре группы:

1)малые собирающие мусоровозы (емкость 15–20 м3) типа КО-413;

2)большие собирающие мусоровозы (емкость 45–48 м3) типа КО-415;

3)малые транспортные мусоровозы (емкость 48 м3) типа КО-415 без загрузчика;

4)малые транспортные мусоровозы (емкость 100 м3) типа КО-416. Удельные затраты на транспортировку определены как функция от рас-

стояния (в километрах). При транспортировке транспортными мусоровозами учитываются затраты на перегрузку на мусороперегрузочных станциях (МПС).

На основании методики расчета нормативных затрат на вывоз отходов на территории г. Перми [9] были определенны удельные затраты для каждой группы мусоровозов:

–малые собирающие мусоровозы – 2,32S;

–большие собирающие мусоровозы – 0,78S;

–малые транспортные мусоровозы – 6,45 + 0,72S;

–большие транспортные мусоровозы – 4,85 + 0,42S.

49

Как видно из рис. 1.11, наименьшие экономические затраты при транспортировке имеют большой собирающий мусоровоз и большой транспортный мусоровоз.

Рис. 1.11. Удельные затраты на транспортировку отходов разными типами мусоровозов

При транспортировке на расстояния менее 13,47 км расчет ведется для больших собирающих мусоровозов, при транспортировке на расстояния более 13,47 км – для больших транспортных мусоровозов.

При этом математическое выражение модели принимает следующий вид:

1.4.2. Модель полигона захоронения отходов потребления. Зависимость удельных затрат на захоронение отходов от емкости полигона

Удельные затраты на захоронение единицы отходов находят по формуле

где V – емкость полигона; Суд – удельные затраты на захоронение единицы отходов на полигоне емкостью V.

50