CC BY
134
УДК 628.4.03
Г. Ш. Шамсиева, С. М. Найман, Ю. А. Тунакова ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД САМОСЫРОВСКОЙ СВАЛКИ ГОРОДА КАЗАНИ КАК ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Ключевые слова: отходы, фильтрационные воды, подземные воды, биодеградация ТБО.
Исследуется влияние фильтрационных вод Самосыровской свалки твердых бытовых отходов города Казани на компоненты природной среды. Рассчитан годовой объем образования фильтрата. Определен этап биодеструкции твердых бытовых отходов на основании результатов количественного химического анализа фильтрационных вод. Выполнена качественная оценка защищенности подземных вод в зоне влияния Самосыровской свалки от загрязнения фильтрационными водами
Keywords: waste, leachate, groundwater, biodégradation of municipal solid waste.
Samosyrovo landfill leachate influence on environmental components has been investigated. Annual leachate calculated. The stage of biodegradation of municipal solid waste was determined on the basis of quantitative chemical analysis of leachate. A qualitative assessment of groundwater protection in the areas affected by pollution Samosyrovo landfill leachate.
Введение
Основная масса твердых бытовых отходов, образующихся в Российской Федерации, размещается на санкционированных свалках и полигонах. В России в 2011 г. было организовано 14 684 санкционированных места размещения отходов общей площадью более 4 млн. га [1]. Свалки и полигоны ТБО являются природно-техногенной системой, способной оказывать негативное воздействие на такие компоненты природной среды, как земля, недра, почвы, поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух, растительный и животный мир. Элементом такой природно-техногенной системы, представляющим наибольшую опасность для окружающей среды, являются фильтрационные воды (фильтрат).
Фильтрат - это сточные воды сложного химического состава, представленного как органическими, так и неорганическими примесями. Фильтрат формируется в анаэробных условиях в толще свалки в результате процессов деполимеризациии, гумификации органического вещества, сбраживания и т.п. Источниками образования полигонного фильтрата являются атмосферные осадки, избыточная влага складируемых отходов (отжимная влага, удаляемая из отходов при их уплотнении), хозяйственно-бытовые сточные воды полигона, а также вода, образующаяся в результате биогенной деструкции отходов [2].
Целью данного исследования является анализ фильтрационных вод как источника загрязнения природной среды на примере Самосыровской свалки города Казани. В рамках исследования проведен теоретический анализ процессов взаимодействия фильтрационных вод с компонентами природной среды; рассчитан годовой объем фильтрата; определен этап биодеструкции твердых бытовых отходов; проведена качественная оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения фильтрационными водами.
Описание объекта исследования
Самосыровская свалка города Казани функционирует с 1960 года. Площадь свалки составляет
22 га, объем накопленных отходов - 45 млн.м . Про-тивофильтрационные экраны, предназначенные для защиты компонентов окружающей среды от негативного воздействия свалки, отсутствуют. При эксплуатации свалки не осуществлялась надлежащим образом пересыпка уплотненных отходов изолирующим слоем грунта. Системы отвода биогаза отсутствуют. Санитарно-защитная зона составляет 500 метров. Ближайший водный объект - река Крутовка
- находится в 3 км от свалки.
Климат в районе расположения объекта исследования умеренно-континентальный и определяется наличием двух резко различающихся между собой периодов — теплого (апрель-октябрь) с положительными температурами воздуха и холодного (ноябрь-март) с отрицательными температурами и образованием устойчивого снежного покрова. Среднегодовая сумма осадков - 539 мм. Наибольшее количество осадков приходится на июль, наименьшее — на март. Количество осадков, выпадающих в жидком виде (дожди), составляет около 70%, в твердом (снег) — 20%, смешанные осадки — 10% [3].
Для целей данного исследования свалка твердых бытовых отходов рассматривается как при-родно-техногенная система (далее - ПТС), включающая искусственно созданное тело свалки и окружающую его область природной среды. Взаимодействие массива отходов с окружающей средой происходит на граничащих с ним областях литосферы и атмосферы и проявляется в различных атмосферных, биологических, геохимических и иных процессах. В ПТС можно выделить следующие подсистемы: «тело свалки», «поверхность тела свалки -атмосфера», «тело свалки - литосфера», «литосфера
- гидросфера». В рамках данной работы рассматриваются только процессы, связанные с образованием и движением фильтрационных вод.
Водный баланс свалки твердых бытовых отходов
В теле свалки в результате биохимических процессов разложения отходов, выделения отжимной воды и инфильтрации атмосферных осадков происходит образование фильтрата. Объем фильт-
рационных вод определяется водным балансом полигона ТБО, который можно описать следующими элементами: входной поток - атмосферные осадки, собственная влага отходов, увлажнение ТБО в жаркое время года, поверхностный сток; выходной поток - испарение с поверхности полигона, отжимная влага отходов, образование фильтрата.
В научной литературе нет единого мнения о порядке расчета объема образующегося на свалках фильтрата. Исследователями из Пермского национального исследовательского политехнического университета формула для расчета объема фильтрационных вод выведена на основании водного баланса полигона [4]. Отличительной особенностью предлагаемой формулы является учет потерь воды с биогазом, поверхностного стока и отжимной влаги отходов. В основу формулы, предложенной Смета-ниным В.И., положен учет сезонности: объем фильтрата определяется для зимне-весеннего и летне-осеннего расчетных периодов [2]. Исследователями Разнощиком В.В., Абрамовым Н.Ф. установлено, что в климатических зонах, где годовое количество атмосферных осадков превышает не более чем на 100 мм количество влаги, испаряющейся с поверхности, при складировании ТБО влажностью менее 52% фильтрат не образуется. Разработанная ими формула учитывает объем поступающих на свалку твердых бытовых отходов, снижение нормы стока на 100 мм/год за счет воды, испаряющейся с поверхности свалки и среднегодовую влажность отходов [5]. В «Рекомендациях по сбору, очистке и отведению сточных вод полигонов захоронения ТБО» в основном уравнении водного баланса полигона ТБО учитываются разница между биохимически образуемой и потребляемой водой и вода, скапливаемая в отходах [6].
Годовой объем образования фильтрационных вод для Самосыровской свалки определен по формуле [5]:
У=0,01 (Ъ-100)Р+0,01р^-52), где И - среднегодовая сумма осадков, 539 мм/год; 100 - снижение нормы стока за счет испаряющей способности полигона, мм/год; 0 - объем поступающих на свалку ТБО, 1938 тыс.м3/год; W - среднегодовая влажность отходов, 55%; Б - площадь свалки, 22 га.
Среднегодовая сумма осадков для города Казани определена по СП 131.13330.2012. Строительная климатология [7]. Объем поступающих на свалку ТБО рассчитан как среднее за 2005-2008 года по данным Государственного доклада о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан.
Расчетный объем образования фильтрационных вод для Самосыровской свалки составляет 154,72 тыс.м3/год.
Химический состав фильтрационных вод
Фильтрационные воды имеют сложный химический состав. В таблице 1 приведены результаты количественного химического анализа сточных вод Самосыровской свалки. Отбор проб осуществлялся в ноябре 2013 года.
Таблица 1 - Результаты количественного химического анализа сточных вод
Ингредиенты Значение
рН 8,2
взвешенные вещества 839
ХПК, мг02/дм3 6100
БПК5, мг02/дм3 2340
сухой остаток, мг/дм3 12170
хлориды, мг/дм3 2250
нитриты, мг/дм3 0,73
железо, мг/дм3 6,6
сульфаты, мг/дм3 6,4
цинк, мг/дм3 0,428
хром общ, мг/дм3 0,86
Фильтрационные воды Самосыровской свалки характеризуются высокими показателями БПК и ХПК, взвешенных веществ. Известно, что БПК5 характеризует содержание в воде легкоусвояемого (легкоразрушаюшегося) органического вещества. Содержание трудноразлагаемого органического вещества в воде можно косвенно оценить по ХПК, а по отношению БПК/ХПК можно судить о направленности этих процессов в водной среде. Соотношение величин БПК5/ХПК~0,38 свидетельствует о накоплении в воде трудноразлагаемого органического вещества.
Химический состав фильтрационных вод зависит от фазы биодеструкции ТБО. Выделяют следующие фазы биодеструкции ТБО: аэробную, анаэробную - гидролиз, ацетогенез и активный ме-таногенез, стабильную фазу метаногенеза и полную ассимиляцию. Этап жизненного цикла полигона и стадия биодеградации отходов могут быть определены по индикаторным показателям загрязнения фильтрационных вод: рН, соотношению величин БПК5/ХПК, содержанию ионов железа и цинка. Ацетогенной фазе соответствуют значения рН 5-6,5; соотношения БПК5/ХПК в пределах 0,8-0,6; содержания ионов железа 50-100 мг/дм ; содержания ионов цинка (II) - до 70 мг/дм3. Для метаногенной фазы характерны значения рН 7,5-8,5; соотношения БПК5/ХПК в пределах 0,6-0,06; содержание ионов железа 5-10 мг/дм3; содержание ионов цинка (II) -0,1-3 мг/дм3 [6].
Сопоставление результатов химических анализов с индикаторными показателями загрязнения фильтрационных вод приводит к выводу, что происходящие в толще свалки процессы соответствуют метаногенной фазе биодеструкции отходов.
Защищенность почвы и подземных вод
В подсистеме «тело свалки - литосфера» происходит движение фильтрата от основания свалки к граничащим с ним областям литосферы. Отсутствие защитных экранов в основании Самосыров-ской свалки может привести к инфильтрации сточных вод в почву. Почва обладает способностью аккумулировать попадающие в нее загрязняющие вещества. При длительном поступлении вредных ве-
ществ ухудшаются физические и химические свойства почвы. Ашихмина, Овчинникова [8] отмечают двоякую роль почвы в процессах загрязнения подземных вод: с одной стороны, она выполняет защитные функции по отношению к горизонту грунтовых вод; с другой - будучи загрязненной, она в течение длительного времени может быть источником вторичного загрязнения подземных вод даже при ликвидации основного техногенного источника загрязнения.
Основными способами защиты подземных вод от полигонного фильтрата является оборудование противофильтрационного экрана и дренажной системы в основании полигона, организация сбора фильтрата, его очистки, отвода поверхностного стока. Несмотря на проведение необходимых защитных мероприятий, загрязнение подземных вод фильтратом возможно вследствие просачивания его через защитные устройства в результате воздействия на противофильтрационный экран химических соединений (сильных кислот и оснований), из-за дефекта компонентов противофильтрационного экрана и ряда других причин.
Защищенность подземных вод зависит от многих факторов, которые В.М. Гольдбергом были объединены в три группы - природные, техногенные, физико-химические [9]. К техногенным факторам защищенности подземных вод от загрязнения фильтрационными водами можно отнести следующие условия захоронения отходов: наличие проти-вофильтрационных экранов основания полигона, наличие и материалы изолирующих слоев, предварительное извлечение вторичных ресурсов и опасных компонентов
Качественная оценка защищенности грунтовых вод от загрязнения проведена по методике, разработанной В.М. Гольдбергом. Выделяют шесть категорий защищенности, определяемых суммой баллов £, зависящих от градации глубин залегания грунтовых вод, мощности и литологии слабопроницаемых отложений. Категории I с показателем £<5 соответствует наименьшая защищенность. Верхняя граница показателя защищенности £ каждой последующей категории на пять баллов выше предыдущей. Таким образом, категории VI с показателем £>25 соответствует наибольшая защищенность подземных вод.
Баллы, соответствующие градациям глубин залегания грунтовых вод, распределяются следующим образом. Чем больше глубина залегания грунтовых вод, тем лучше они защищены от загрязнения. Каждая последующая градация отличается от предыдущей в среднем на 10 м. Наименьшей глубине залегания Н<10 м соответствует 1 балл, второй градации (10<Н<20) соответствует два балла, наибольшей глубине залегания (Н>40 м) соответствует пять баллов [9].Баллы, соответствующие мощности слабопроницаемых отложений, приведены в табл. 2.
Грунтовые воды на исследуемом участке залегают на глубине 7,5 м, что соответствует 1 баллу. В разрезе зоны аэрации имеется слой суглинков мощностью 3 м (4 балла), глины мощностью 3 м (4 балла). Итого сумма баллов составляет 9, что соот-
ветствует II категории защищенности (слабо защищенные).
Таблица 2 - Градации мощностей слабопроницаемых отложений зоны аэрации и соответствующие им количества баллов [9]
Номер Мощность Группа отло-
града- отложений жений
ции Шо, м а Ь с
1 <2 1 1 2
2 2<Ш0<4 2 3 4
3 4<Ш0<6 3 4 6
4 6<Ш0<8 4 6 8
5 8<Ш0<10 5 7 10
6 10<Ш0<12 6 9 12
7 12<Ш0<14 7 10 14
8 14<Ш0<16 8 12 16
9 16<Ш0<18 9 13 18
10 18<Ш0<20 10 15 20
11 >20 12 18 25
В таблице 2 под группами а, Ь, с объединены схожие по фильтрационным свойствам и литологии слабопроницаемые отложения:
а - супеси, легкие суглинки, коэффициент фильтрации к~0,1-0,01 м/сут;
Ь - смесь пород групп а и с, к~0,01-0,001
м/сут;
с - тяжелые суглинки и глины, к<0,001
м/сут.
В подсистеме «литосфера - гидросфера» рассматриваемой природно-техногенной системы вследствие слабой защищенности подземных вод фильтрационные воды могут достигнуть уровня грунтовых вод. Согласно Государственному докладу «О состоянии окружающей среды в Республике Татарстан в 2012 году», Самосыровская свалка ТБО является одним из трех очагов чрезвычайно опасного загрязнения подземных вод в Республике Татарстан (наряду с полигоном ТБО г. Набережные Челны и полигоном промышленных отходов ОАО КАМАЗ) [10]. На участках загрязнения подземных вод, связанных с деятельностью Самосыровской свалки ТБО, отмечается загрязнение тяжелыми металлами [11].
Заключение
Таким образом, фильтрационные воды Са-мосыровской свалки города Казани характеризуются высокой степенью загрязнения и большими объемами образования. Качественная оценка защищенности грунтовых вод показала, что подземные воды слабо защищены от загрязнения фильтрационными водами. В результате исследований также определены техногенные факторы защищенности подземных вод от загрязнения фильтрационными водами свалок твердых бытовых отходов; определено, что химический состав фильтрационных вод соответствует метаногенной фазе биодеструкции твердых бытовых отходов.
Восстановление качества подземных вод, ликвидация ареалов загрязнения подземных вод -сложная и зачастую неразрешимая задача. Поэтому необходима реализация мероприятий по предупреждению фильтрации загрязненных вод из тела свалки в почву. В случае невозможности технического осуществления или экономической нецелесообразности исключения фильтрации снижение негативного влияния можно добиться уменьшением количества образующегося фильтрата или регулированием его качественного состава.
Литература
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2011 году». Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Москва, 2012. 351 с.
2. В.И. Сметанин, Защита окружающей среды от отходов производства и потребления. Колос, Москва, 2000. 232 с.
3. Климатическая характеристика Казани. http://www.tatarmeteo.ru/ru/meteorologiya-i-к1та1/к1тайсИе8кауа-11агак1еп8Йка-КТ.1Лт1 [электронный ресурс, дата обращения 22.05.2014]
4. Я.И. Вайсман, С.Ю. Чудинов, Д.С. Кравченко, Вестник ПНИПУ. Урбанистика, 1, 43-57 (2012)
5. В.В. Разнощик, Н.Ф. Абрамов, В сб. Совершенствование управления жилищно-коммунальным хозяйством. Отдел научно-технической информации АКХ, Москва, 1982, С. 57 - 62
6. Рекомендации по сбору, очистке и отведению сточных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов. Государственный комитет Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному комплексу, Москва, 2003. 49 с.
7. СП 131.13330.2012. Строительная климатология / Мин-во регион. развития Рос. Федерации. - М., 2012.
8. Т.В. Ашихмина, Т.В. Овчинникова, В.И. Федянин, Фундаментальные исследования, 7, 78-80 (2009)
9. В.М. Гольдберг, Взаимосвязь подземных вод и природной среды. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987. 248 с.
10. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2012 году». Казань, 2013. 504 с.
11. Р.Н. Давыдов, Международная научно-практическая конференция «Казанская геологическая школа и её роль в развитии геологической науки в России» (Казань, 9-11 сентября 2009), Казань, 2009. С. 127-129.
Г.Ш. Шамсиева - асп. каф. общей химии и экологии КНИТУим.А.Н. Туполева-КАИ, tarazova@mail.ru; С. М. Найман -канд. биол. наук, проф. той же кафедры, nsofa@rambler.ru; Ю.А. Тунакова - д-р хим. наук, проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ, juliaprof@mail.ru.
G. Sh. Shamsieva - postgraduate, Department of General Chemistry and Ecology, KNRTU nam. A.N. Tupolev - KAI, tarazova@mail.ru; S. M.Nayman - Candidate of Biological Sciences, professor, Department of General Chemistry and Ecology, KNRTU nam. A.N. Tupolev - KAI, nsofa@rambler.ru; Ju. A.Tunakova , Doctor of Chemical Sciences, professor, Department of Plastics Technology, KNRTU, juliaprof@mail.ru.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 15.11.14. по 20.01.15.
