Помощь студентам в учебе
Экологические основы биоремедиации полигонов ТКО
|
Введение 4
Глава 1. Теоретические аспекты организации полигонов ТКО и биологические методы их рекультивации 9
1.1 Теоретический анализ исследований в области рекультивации
полигонов 9
1.2 Факторы и показатели, влияющие на выбор способов ремедиации
почв 14
1.3 Общие подходы к ремедиации почв полигонов ТКО 16
1.4 Рекультивация полигонов с использованием биоремедиации 22
1.5 Технологии биорекультивации (биоремедиации), применяемые в
России 26
1.6 Анализ состава твердых коммунальных отходов 30
Выводы по 1 главе 34
Глава 2. Разработка технологической схемы биоремедиации полигонов
ТКО 36
2.1 Анализ накопления заполнения полигонов на территории
г.о.Тольятти 36
2.2 Методологические основы проведения оценки воздействия на
окружающую среду полигона ТКО на примере полигона «Узюково» 39
2.2.1 Общее расположение полигона 39
2.2.2 Генезис формирования и состояние свалочного тела 40
2.2.3 Результаты газогеохимических исследований свалочного тела 42
2.2.4 Климатические особенности местности 44
2.2.5 Геология и почва 46
2.2.6 Гидрографические и гидрогеологические условия 48
2.2.7 Химический состав подземных вод 48
2.2.8 Отказ от намечаемой деятельности 51
2.3 Основные этапы биоремедиационных работ 53
2.4 Основные технологические решения по реализации намечаемой
деятельности по рекультивации полигона «Узюково» 56
2.4.1 Технологическая схема очистки почвы полигона методом
промывки и отдувкой 61
2.5 Обоснование решений по защите прилегающей территории от
поступления загрязненного поверхностного стока с территории полигона на период производства восстановительных работ 64
2.5.1 Земляные работы по усилению устойчивости грунтовой насыпи 65
2.5.2 Обоснование выбора варианта намечаемой хозяйственной
деятельности 65
2.5.3 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
атмосферный воздух 66
2.5.4 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
поверхностные и подземные воды 67
2.5.5 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
почвенно-земельные условия района 67
2.5.6 Способ обработки рекультивируемых полигонов твердых
бытовых отходов и свалок 68
2.5.7 Разработка схемы рекультивации полигона и обоснование
создания поверхностного защитного покрытия тела полигона 73
2.5.8 Технология создания защитного экрана на поверхности тела
полигона 74
Выводы по II главе 78
Заключение 79
Список используемых источников 81
Глава 1. Теоретические аспекты организации полигонов ТКО и биологические методы их рекультивации 9
1.1 Теоретический анализ исследований в области рекультивации
полигонов 9
1.2 Факторы и показатели, влияющие на выбор способов ремедиации
почв 14
1.3 Общие подходы к ремедиации почв полигонов ТКО 16
1.4 Рекультивация полигонов с использованием биоремедиации 22
1.5 Технологии биорекультивации (биоремедиации), применяемые в
России 26
1.6 Анализ состава твердых коммунальных отходов 30
Выводы по 1 главе 34
Глава 2. Разработка технологической схемы биоремедиации полигонов
ТКО 36
2.1 Анализ накопления заполнения полигонов на территории
г.о.Тольятти 36
2.2 Методологические основы проведения оценки воздействия на
окружающую среду полигона ТКО на примере полигона «Узюково» 39
2.2.1 Общее расположение полигона 39
2.2.2 Генезис формирования и состояние свалочного тела 40
2.2.3 Результаты газогеохимических исследований свалочного тела 42
2.2.4 Климатические особенности местности 44
2.2.5 Геология и почва 46
2.2.6 Гидрографические и гидрогеологические условия 48
2.2.7 Химический состав подземных вод 48
2.2.8 Отказ от намечаемой деятельности 51
2.3 Основные этапы биоремедиационных работ 53
2.4 Основные технологические решения по реализации намечаемой
деятельности по рекультивации полигона «Узюково» 56
2.4.1 Технологическая схема очистки почвы полигона методом
промывки и отдувкой 61
2.5 Обоснование решений по защите прилегающей территории от
поступления загрязненного поверхностного стока с территории полигона на период производства восстановительных работ 64
2.5.1 Земляные работы по усилению устойчивости грунтовой насыпи 65
2.5.2 Обоснование выбора варианта намечаемой хозяйственной
деятельности 65
2.5.3 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
атмосферный воздух 66
2.5.4 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
поверхностные и подземные воды 67
2.5.5 Оценка возможного воздействия намечаемой деятельности на
почвенно-земельные условия района 67
2.5.6 Способ обработки рекультивируемых полигонов твердых
бытовых отходов и свалок 68
2.5.7 Разработка схемы рекультивации полигона и обоснование
создания поверхностного защитного покрытия тела полигона 73
2.5.8 Технология создания защитного экрана на поверхности тела
полигона 74
Выводы по II главе 78
Заключение 79
Список используемых источников 81
Актуальность темы обусловлена следующим: в настоящее время, как для Российской Федерации, так и для г.о.Тольятти актуально решение вопроса о размещение твердых коммунальных отходов (ТКО) и, соответственно, последующая рекультивация земель находящейся под ними (полигонов). С каждым годом в регионах страны наблюдается положительная динамика увеличения площадей, отчуждаемых под полигоны, уменьшение сельскохозяйственных площадей.
«Твердые коммунальные отходы образуются в результате хозяйственной деятельности человека и способствуют дестабилизации геоэкологической обстановки. Ежегодно в России образуется более 200 млн. м3 твердых коммунальных отходов, с каждым годом объемы их образования возрастают. При этом нужно учитывать изменение физико-химического состава отходов, так как увеличивается количество соединений искусственного происхождения, таких как пластики, препараты бытовой химии, которые содержат вещества с высокой степенью токсичности» [1].
Оценка накопления ТКО проводится на основе их образования на один квадратный километр в год. По статистическим данным в некоторых объем образования ТКО достигает на до 200 - 300 м3 отходов 1 м2, из них подлежат 40 % подлежат захоронению. «В Европейской части России эти объемы составляют: 25м3 отходов на один квадратный километр в год, на Урале - 10,7 м3, в Сибири - 3,2 м3, что определяет земельных ресурсов для размещения полигонов, особенно в Уральском регионе и Сибири. В Европейских странах 40 % отходов превращают биологической обработкой в биологические удобрения, 10 % сжигают на мусоросжигательных заводах, 40% - отправляют на захоронение, остальные 10 %, в основном активный ил, сбрасывают в моря.
В России, где образуется в среднем около 5 м3/км2 в год отходов, процесс захоронения отходов является приоритетным способом их утилизации, что определяет рост полигонов, увеличение процента отчуждаемых территорий и, как правило, не осуществляется процесс возврата земель в хозяйственный оборот».
Так, например, в Самарской области планируют построить двенадцать полигонов для размещения отходов, двенадцать комплексов по переработке и размещению отходов. В 2017 году на территории Самарской области в хранилищах было накоплено около 6,4 млн т отходов, образовано почти 3,8млн т, утилизировано 29% от общего объема — около 1,1 млн т. Кроме того, в 2016 году обезврежено 27,5% общей массы отходов — около 1 млн т. Еще 47% (1,8 млн т) было захоронено. На территории Самарской области отходы жизнедеятельности (твердые коммунальные отходы) размещаются на 16 полигонах и на 8 полигонах размещены промышленные отходы. Действуют 57 накопителей, шлакохранилищ и амбаров для временного хранения отходов. На территории городского округа Тольятти образуется порядка 1,4млн м3 если учитывать районы, г.Жигулевск , то общий объем по городскому округу Тольятти составляет 2 млн м3(около 0,4 млн т).
В условиях урбанизации существует потребность в возвращении земель закрытых полигонов, несанкционированных свалок в хозяйственную деятельность города для строительства социальных объектов.
Необходимо отметить и неблагоприятный экологический аспект, как действующих полигонов, которые введены в эксплуатацию при отсутствии на тот период требований к рекультивации с учетом близкого расположения с жилым сектором, так и закрытых в настоящее время полигонов. В составе газов на полигоне присутствуют метан, углекислый и угарный газ, аммиак, сероводород и многие другие. В жаркую и сухую погоду, они склонны к воспламенению, происходят постоянные пожары на полигоне, которые не так легко потушить. Запах аммиака привлекает крыс, мух и тараканов, что создает крайне опасную санитарно-эпидемиологическую обстановку. Образуется фильтрат, который формируется под действием инфильтрации атмосферных осадков в толщу отходов, он поступает в подземные и поверхностные водоемы. Содержание таких металлов, как кадмий, кобальт, мышьяк, железо, 5
никель, свинец и ртуть в десятки раз превышает предельно допустимые концентрации.
Территория Самарской области, в частности г.о.Тольятти, с учетом климатических особенностей, способностью почв к аккумуляции загрязнителей, является проблемной в плане самовосстановления, так как миграция по профилю полигона загрязняющих веществ значительно замедлена, а негативное влияние сохраняется долгие годы. Длительность преобразования веществ, обуславливает невозможность хозяйственного использования территории полигонов. С использованием методов биологической рекультивации, эти процессы ускоряются.
«Биологическая рекультивация земель - это комплекс фитомелиоративных и агротехнических мероприятий по восстановлению плодородия и народно-хозяйственной ценности нарушенных земель, направленных на улучшение агрофизических, биохимических и других свойств рекультивационного слоя почвы. Она предусматривает систему обработки и удобрения насыпного слоя, посадку деревьев, кустарников и многолетних трав» [20].
Проблема исследования - ежегодное увеличение площадей, отчуждаемых под полигоны, увеличение количества закрытых полигонов и отсутствие системы их восстановления.
Объект исследования: полигоны твердых коммунальных отходов.
Предмет исследования: методы биоремедиации полигонов ТКО.
Цель: снижение уровня экологической опасности от полигонов ТКО за счет возращения земель в хозяйственную деятельность при использовании методов биоремедиации.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
1. Провести анализ современных технологий ремедиации почв полигонов ТКО с использованием биотехнологий.
2. Провести анализ методологических основ организации работы и дальнейшей рекультивации полигонов ТКО.
3.Обосновать возможность использования методов биоремедиации для полигонов ТКО, с учетом физико-химических свойств почвенного покрова (субстрата), биохимические особенности полигонов.
4.Разработать технологическую схему биоремедиации полигонов ТКО.
Научная новизна исследования заключается в комплексном методологическом подходе к решению вопроса рекультивации полигонов биологическими методами.
Теоретической и методологической основой исследования являются
1. Оценка эффективности процесса биоремедиации полигонов ТКО в зависимости от различных факторов.
2. Анализ методологических основ организации работы и дальнейшей биорекультивации полигонов ТКО.
Практическая значимость работы:
1. Предложена технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО на примере полигона «Узюково».
Методы исследования. Основные этапы исследования: информационно-поисковый, аналитический. В процессе исследования использованы общепринятые в микробиологии и почвоведении методики.
Защищаемые положения:
1. Методологические основы биорекультивации полигонов ТКО.
2. Технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО на примере полигона «Узюково».
Апробация результатов. Достоверность научных положений и выводов базируется на достаточных по своему объему данных, использовании современных методов исследования и статистической обработке результатов. Результаты докладывались на областной конференции «Зеленые технологии» в 2017г.
Внедрение результатов исследования. Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» в курсы лекций по дисциплинам «Технологии переработки и утилизации отходов -1» и магистров по направлению «Химическая технология» по дисциплине «Способы переработки и утилизации отходов».
Структура магистерской диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованных источников, который включает 59 наименований, из них 21 иностранных. Объем работы составляет 87 страниц машинописного текста, содержит 23 рисунков, 13 таблиц.
«Твердые коммунальные отходы образуются в результате хозяйственной деятельности человека и способствуют дестабилизации геоэкологической обстановки. Ежегодно в России образуется более 200 млн. м3 твердых коммунальных отходов, с каждым годом объемы их образования возрастают. При этом нужно учитывать изменение физико-химического состава отходов, так как увеличивается количество соединений искусственного происхождения, таких как пластики, препараты бытовой химии, которые содержат вещества с высокой степенью токсичности» [1].
Оценка накопления ТКО проводится на основе их образования на один квадратный километр в год. По статистическим данным в некоторых объем образования ТКО достигает на до 200 - 300 м3 отходов 1 м2, из них подлежат 40 % подлежат захоронению. «В Европейской части России эти объемы составляют: 25м3 отходов на один квадратный километр в год, на Урале - 10,7 м3, в Сибири - 3,2 м3, что определяет земельных ресурсов для размещения полигонов, особенно в Уральском регионе и Сибири. В Европейских странах 40 % отходов превращают биологической обработкой в биологические удобрения, 10 % сжигают на мусоросжигательных заводах, 40% - отправляют на захоронение, остальные 10 %, в основном активный ил, сбрасывают в моря.
В России, где образуется в среднем около 5 м3/км2 в год отходов, процесс захоронения отходов является приоритетным способом их утилизации, что определяет рост полигонов, увеличение процента отчуждаемых территорий и, как правило, не осуществляется процесс возврата земель в хозяйственный оборот».
Так, например, в Самарской области планируют построить двенадцать полигонов для размещения отходов, двенадцать комплексов по переработке и размещению отходов. В 2017 году на территории Самарской области в хранилищах было накоплено около 6,4 млн т отходов, образовано почти 3,8млн т, утилизировано 29% от общего объема — около 1,1 млн т. Кроме того, в 2016 году обезврежено 27,5% общей массы отходов — около 1 млн т. Еще 47% (1,8 млн т) было захоронено. На территории Самарской области отходы жизнедеятельности (твердые коммунальные отходы) размещаются на 16 полигонах и на 8 полигонах размещены промышленные отходы. Действуют 57 накопителей, шлакохранилищ и амбаров для временного хранения отходов. На территории городского округа Тольятти образуется порядка 1,4млн м3 если учитывать районы, г.Жигулевск , то общий объем по городскому округу Тольятти составляет 2 млн м3(около 0,4 млн т).
В условиях урбанизации существует потребность в возвращении земель закрытых полигонов, несанкционированных свалок в хозяйственную деятельность города для строительства социальных объектов.
Необходимо отметить и неблагоприятный экологический аспект, как действующих полигонов, которые введены в эксплуатацию при отсутствии на тот период требований к рекультивации с учетом близкого расположения с жилым сектором, так и закрытых в настоящее время полигонов. В составе газов на полигоне присутствуют метан, углекислый и угарный газ, аммиак, сероводород и многие другие. В жаркую и сухую погоду, они склонны к воспламенению, происходят постоянные пожары на полигоне, которые не так легко потушить. Запах аммиака привлекает крыс, мух и тараканов, что создает крайне опасную санитарно-эпидемиологическую обстановку. Образуется фильтрат, который формируется под действием инфильтрации атмосферных осадков в толщу отходов, он поступает в подземные и поверхностные водоемы. Содержание таких металлов, как кадмий, кобальт, мышьяк, железо, 5
никель, свинец и ртуть в десятки раз превышает предельно допустимые концентрации.
Территория Самарской области, в частности г.о.Тольятти, с учетом климатических особенностей, способностью почв к аккумуляции загрязнителей, является проблемной в плане самовосстановления, так как миграция по профилю полигона загрязняющих веществ значительно замедлена, а негативное влияние сохраняется долгие годы. Длительность преобразования веществ, обуславливает невозможность хозяйственного использования территории полигонов. С использованием методов биологической рекультивации, эти процессы ускоряются.
«Биологическая рекультивация земель - это комплекс фитомелиоративных и агротехнических мероприятий по восстановлению плодородия и народно-хозяйственной ценности нарушенных земель, направленных на улучшение агрофизических, биохимических и других свойств рекультивационного слоя почвы. Она предусматривает систему обработки и удобрения насыпного слоя, посадку деревьев, кустарников и многолетних трав» [20].
Проблема исследования - ежегодное увеличение площадей, отчуждаемых под полигоны, увеличение количества закрытых полигонов и отсутствие системы их восстановления.
Объект исследования: полигоны твердых коммунальных отходов.
Предмет исследования: методы биоремедиации полигонов ТКО.
Цель: снижение уровня экологической опасности от полигонов ТКО за счет возращения земель в хозяйственную деятельность при использовании методов биоремедиации.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
1. Провести анализ современных технологий ремедиации почв полигонов ТКО с использованием биотехнологий.
2. Провести анализ методологических основ организации работы и дальнейшей рекультивации полигонов ТКО.
3.Обосновать возможность использования методов биоремедиации для полигонов ТКО, с учетом физико-химических свойств почвенного покрова (субстрата), биохимические особенности полигонов.
4.Разработать технологическую схему биоремедиации полигонов ТКО.
Научная новизна исследования заключается в комплексном методологическом подходе к решению вопроса рекультивации полигонов биологическими методами.
Теоретической и методологической основой исследования являются
1. Оценка эффективности процесса биоремедиации полигонов ТКО в зависимости от различных факторов.
2. Анализ методологических основ организации работы и дальнейшей биорекультивации полигонов ТКО.
Практическая значимость работы:
1. Предложена технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО на примере полигона «Узюково».
Методы исследования. Основные этапы исследования: информационно-поисковый, аналитический. В процессе исследования использованы общепринятые в микробиологии и почвоведении методики.
Защищаемые положения:
1. Методологические основы биорекультивации полигонов ТКО.
2. Технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО на примере полигона «Узюково».
Апробация результатов. Достоверность научных положений и выводов базируется на достаточных по своему объему данных, использовании современных методов исследования и статистической обработке результатов. Результаты докладывались на областной конференции «Зеленые технологии» в 2017г.
Внедрение результатов исследования. Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» в курсы лекций по дисциплинам «Технологии переработки и утилизации отходов -1» и магистров по направлению «Химическая технология» по дисциплине «Способы переработки и утилизации отходов».
Структура магистерской диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованных источников, который включает 59 наименований, из них 21 иностранных. Объем работы составляет 87 страниц машинописного текста, содержит 23 рисунков, 13 таблиц.
В процессе работы над диссертацией решены следующие вопросы и получены результаты:
1. Проведен теоретический анализ в области рекультивации полигонов, изучены результаты исследования российских и международных научных школ в этой области, определено, что для проведения эффективной рекультивации полигонов необходим междисциплинарный подход.
2. Проведен детализированный анализ полигонов, как антропогенно-геологической системы и ее воздействия на окружающую среду с позиции геохимических процессов воздушной и водной миграции веществ, выщелачивания и выветривания, уплотнения грунтов, изменения их физико-химических характеристик.
3. В работе представлены основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе технологии ремедиации почв полигонов, к ним относятся: свойства веществ-загрязнителей, свойства почвенной среды, скорость миграции загрязнений.
4. Проведен сравнительный анализ технологий ремедиации и биоремедиации полигонов ТКО по показателям: применимости технологий, воздействия на почву, длительность очистки, надежность, стоимость, экологическая опасность, в результате использования технологии биоремедиации определены существенные недостатки, а именно высокая стоимость проведения работ, возможное образование опасных продуктов, необходимость длительных и тщательных исследований для выбора микроорганизмов-деструкторов. Но результатом длительной и многостадийной является экологически безопасная и в дальнейшем малозатратная технология биоремедиации.
5. В работе определены основные показатели процесса биоремедиации: оптимальная температура субстрата 20-30оС, влажность 40-80%, питание микроорганизмов-деструкторов - соотношение C:N:P 100:10:1, значение показателя кислотности 6,5-8,0, аэрация субстрата, объемная доля структуратора 25-30%.
6. В работе обоснована и предложена к использованию технология «in- siti» с использованием метода продувки и откачки.
7. Разработан методологический подход к организации и проведению рекультивационных работ на примере закрытого полигона «Узюково», который включает все стадии анализа состояния полигона, воздействия его на окружающую среду и этапы рекультивационных работ с учетом особенностей устройства полигона.
8. Разработана технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО.
1. Проведен теоретический анализ в области рекультивации полигонов, изучены результаты исследования российских и международных научных школ в этой области, определено, что для проведения эффективной рекультивации полигонов необходим междисциплинарный подход.
2. Проведен детализированный анализ полигонов, как антропогенно-геологической системы и ее воздействия на окружающую среду с позиции геохимических процессов воздушной и водной миграции веществ, выщелачивания и выветривания, уплотнения грунтов, изменения их физико-химических характеристик.
3. В работе представлены основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе технологии ремедиации почв полигонов, к ним относятся: свойства веществ-загрязнителей, свойства почвенной среды, скорость миграции загрязнений.
4. Проведен сравнительный анализ технологий ремедиации и биоремедиации полигонов ТКО по показателям: применимости технологий, воздействия на почву, длительность очистки, надежность, стоимость, экологическая опасность, в результате использования технологии биоремедиации определены существенные недостатки, а именно высокая стоимость проведения работ, возможное образование опасных продуктов, необходимость длительных и тщательных исследований для выбора микроорганизмов-деструкторов. Но результатом длительной и многостадийной является экологически безопасная и в дальнейшем малозатратная технология биоремедиации.
5. В работе определены основные показатели процесса биоремедиации: оптимальная температура субстрата 20-30оС, влажность 40-80%, питание микроорганизмов-деструкторов - соотношение C:N:P 100:10:1, значение показателя кислотности 6,5-8,0, аэрация субстрата, объемная доля структуратора 25-30%.
6. В работе обоснована и предложена к использованию технология «in- siti» с использованием метода продувки и откачки.
7. Разработан методологический подход к организации и проведению рекультивационных работ на примере закрытого полигона «Узюково», который включает все стадии анализа состояния полигона, воздействия его на окружающую среду и этапы рекультивационных работ с учетом особенностей устройства полигона.
8. Разработана технологическая схема биоремедиации полигонов ТКО.