CC BY
155
Редактирование справочников может производить лишь администратор базы данных. Основные типы системных справочников: единицы измерения, параметры мониторинга (с ПДК по объектам мониторинга), организации, сотрудники, типы и категории выработок, типы отверстий фильтров выработок, объекты мониторинга.
Программный продукт "Мониторинг окружающей среды" представляет собой специализированную экоинформационную систему управления базой данных (СУБД), предназначенную для долговременного хранения комплексных исходных данных локального мониторинга компонентов окружающей среды (атмосфера, подземные, поверхностные и сточные воды, снеговой покров, почвенный гор-130»гт) в районе влияния предприятия; оперативного извлечения необходимой пространственно ориентированной информации и ее комплексного статистического анализа с целью оперативного отслеживания состояния окружающей среды, экологического прогноза и создания обоснования для принятия решений на уровне администрации предприятия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горелик Д.О. и др. Экологический мониторинг: Учебник в 2-х томах. Т.2. СПб. 1998. С. 450-457.
2. Захаров А.В., Довгоио.тый В.Н., Гуман О.М. Структура базы данных мониторинга окружающей среды (на примере Полевского криолитового завода) // Мат-лы горной сессии научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Вып. 5. М.: ГЕОС, 2003. С. 470-472.
3. Карпов Ь. Microsoft Access 2000: Справочник. СПб: Изд-во Питер, 2000. 416 с.
4. Королёв В.А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд-во МГУ, 1995. 272с.
УДК 624.131
О.М. Гуман, И.А. Долинина ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛИГОНА ГКО
Полигоны твердых бытовых отходов (ТБО) являются специальными инженерными сооружениями, предназначенными для изоляции и обезвреживания ТБО и гарантирующими санигарно-эпидемиологичсскую безопасность населения. Полигоны ТБО представляют собой техногенные образования, в пределах которых в аномальных концентрациях находятся различные по генезису и составу вещества, претерпевающие глубокие и длительные биохимические и химические изменения при их накоплении. Поступающие на полигон твердые отходы взаимодействуют с воздухом и атмосферными осадками. Происходящие в толще отходов биохимические и химические реакции обусловливают выделение тепла и образование новых твердых, жидких и газообразных веществ. Жидкие и твердые вещества, находящиеся в растворенной и взвешенной формах, просачиваются в виде фильтрата в подземные водоносные горизонты: подавляющее количество газообразных веществ поступает в атмосферу. Количество фильтрата зависит от объема воды, поступающей на участок полигона, физико-химических н биологических свойств отходов и сложных деструкционных процессов гидролитического и биохимического характера, которые могут происходить в свалке. Количество газов зависит от технологии складирования отходов. Таким образом, по представлениям Л. Г. Хазаюва (8], полигоны твердых бытовых отходов являются техногенными геологическими объектами со своими прогнозируемыми законами развития, которые определяются физико-географическими условиями мест складирования, размерами полигонов, условиями их эксплуатации, составом отходов и характером микробиологических процессов, происходящих в толще отходов.
Под понятием "гидро геохимическая модель полигона ТБО" авторы работы подразумевают идеализированное инженерное представление о комплексе химических, биохимических и физических процессов, происходящих в толще отходов, в зоне аэрации под полигоном ТБО и в сфере взаимодействия фильтрата с подземной гидросферой.
иии>>№ ■ II шп1 рацпп лм>м11-1ыпм.\ ni.im.vii! па нилш ипал 1
временем их существования и динамикой перемещения отходов. Результирующий количественный эффект процессов растворения и гидролитического разложения отходов зависит, главным образом, от стабильности данного компонента отходов, положения границы раздела жидкой и твердой фаз, времени их контакта, термодинамических и окислительно-восстановительных условий, от концентрации электролитов, уже содсржашнхся в жидкой фазе. Тонкозернистые фракции отходов менее стабильны, более растворимы и. следовательно, более активны, чем крупнозернистые. Биохимическое разложение органического материала отходов протекает значительно быстрее, чем физико-химические процессы.
Присутствие в свалках ТБО большого количества органических веществ придаст им свойства биокостных систем, для которых характерна вертикальная зональная структура (2, 3]. В негорящих свалках ТБО толщиной более двух метров сверху вниз выделяют зри зоны: аэробную, переходную и анаэробную, которые различаются протекающими в них геохимическими процессами.
Аэробная зона прослеживается до глубины 1 м, т. е. до глубины проникновения кислорода тропосферы. При свободном доступе кислорода воздуха в аэробной зоне устанавливается срсда с ЕЬ - 120-160 мВ и развиваются аэробные процессы с участием многочисленных групп бактерий и других микроорганизмов.
В присутсмши кислорода биохимическому расщеплению подвергают углеводы, жиры, органические кислоты, углеводороды и другие соединения. Предварительное разрушение органических соединений происходит в результате гидролиза или окисления. Гидрогеохимическая модель разложения органических веществ з аэробной зоне пол и го»« ТБО приведена в табл. 1.
Разложение целлюлозы начинается с ферментативного гидролиза вначале до сахарида целлобиозы, а затем до глюкозы. Глюкоза далее окисляется до пировиноградной кислоты, которая вступает в цикл трикарбоновых кислот (Крсбса), в результате чего образуется диоксид углерода и вода.
Пектиновые вещества, входящие в состав оболочек растительных клеток и заполняющие межклеточное пространство, по своей химической природе яатяюгея сложными полимерными соединениями. В аэробных условиях они разрушаются некоторыми плесневыми грибами. Окисление пектиновых веществ также идет в две стадии. Вначале в результате ферментативного гидролиза образуются менее сложные водорастворимые соединения, которые затем окисляются до диоксида углерода и воды.
Разложение жиров начинается с их гидролиза под влиянием фермента липаза с образованием глицерина и жирных кислот. Глицерин легко и быстро окисляется до диоксида углерода и воды.
Высшие жирные кислоты, не растворимые в воде, окисляются значительно труднее и медленное. Под воздействием микроорганизмов в ДЭрббМьШ у С/О ВИЯХ они также окисляются до диоксида углерода и воды. Органические кислоты могут использоваться микроорганизмами в качестве источника энергии и как материал для биосинтеза.
Предельные углеводороды с различной длиной углеродной цепи разлагаются микроорганизмами в аэробных условиях цо метана или до сложных углеводородов нефти. Группа метаноокисляющих микроорганизмов \1cthanomonas под действием ферментов трансформирует метан в диоксид углерода и воду.
Углеводороды с большим числом углеродных атомов окисляются другими группами бактерий по различным механизмам; последняя стадия заключается в преобразовании кислот до простых продуктов, при полном окислении — до диоксида углерода и воды.
Многие соединения ароматическою ряда, такие, как бензол, фенол и их гомологи, являются токсичными по отношению к микроорганизмам. Но существуют специфические микроорганизмы, способные разлагать эти соединения при определенной концентрации их в окружающей среде. Наиболее полно и быстро окисление этих соединений происходит в воде при достаточном количестве кислорода. В этих условиях соединения ароматического ряда разлагаются до диоксида углерода и воды без образования промежуточных продуктов.
К производным ароматическим углеводородам огносятся фенолы, лигнин и многие другие соединения. Фенолы являются естественными продуктами обмена растительных и животных микроорганизмов. Кроме того, они образуются при очень многих производственных процессах, таких, как переработка сланцев, коксохимическое производство, термическая переработка древесины, производство синтетических смол и другие. Фенолы отличаются высокой реакционной способностью в реакциях окисления, активно участвуют в обменных процессах растений и животных, но только
микроорганизмы способны расщеплять сложные фенольные соединения до диоксида углерода и воды. Среди бактерий, расщепляющих фенолы, первое место принадлежит видам рода Pseudomonas, окисляющим многие углеводороды.
Белки непосредственно не могут усваиваться микроорганизмами, однако некоторые микроорганизмы обладают способностью под действием протеолитическнх ферментов расщеплять молекулы белка на пептидные цепочки и отдельные аминокислоты:
Белки —,И;0 > Полипептиды —> Аминокислоты
Процесс разложения продуктов гидролиза белковых соединений микрооргаиизмами-аммонификаторами с образованием аммиака называется аммонификацией. Дезаминированне аминокислот может осуществляться при участии воды (гидролитическое дезаминированне), кислорода (окислительное дезаминированне).
Образовавшийся в результате разложения азотсодержащих органических соединений аммиак подвергается воздействию особой группы нитрифицирующих микроорганизмов, окисляющих его с образованием азотистой и азотной кислот. Процесс этот идет в две фазы. Возбудитель первой фазы — нитритные бактерии (Nitrosomonas) — окисляет аммиак до азотистой кислоты. Вторая фаза — окисление нитритов в нитраты - осуществляется нитратными бактериями (Bact. nitrobactcr).
При микробной минерализации серосодержащих аминокислот ссро превращается и сероводород, свободную серу, соли серной кислоты, метилмеркаптан, днметилсульфид. Дальнейшее окисление серы и се восстановленных соединений сопровождается выделением энергии.
Окисление минеральных соединений серы происходит под воздействием серобактерий. Группу серобактерий объединяет их свойство откладывать капли серы внутри клеток или непосредственно на их поверхности. К серобактериям относятся бесцветные нитчатые бактерии, которые являются строгими аэробами. В качестве окисляемого субарата серобактерии используют сероводород. При недостатке сероводорода сера окисляется в серную кислоту.
Одновременно в аэробной зоне при наличии в воде растворенного кислорода происходит разрушение металлических предметов (коррозия металлов). Процесс окисления металлических предметов происходит с образованием сульфатов соответствующих металлов и серной кислоты, которая стимулирует процесс дальнейшего разрушения сульфидов.
По воздействию на соединения металлов можно выделить следующие группы бактерий бактерии, окисляющие закис нос железо; бактерии, разлагающие органические комплексы железа и марганца; бактерии, окисляющие сульфиды металлов и способствующие выщелачиванию метатлов из металлических предметов. Процессы кислородного окисления и растворения сульфидов металлов могут происходить и в отсутствие серной кислоты в водах.
Процессы разложения органических соединений являются более важными в аэробной зоне при функционировании полигона твердых бытовых отходов. В результате образуется широкий спектр органических кислот: гуминовых, жирных (уксусная, масляная), фульвокислот. а также спиртов и П20. Распад органических соединений сопровождается образованием большого объем* газообразных веществ, представленных в основном СО;. В атмосферу поступают летучие соединения тяжелых металлов, возникающие в результате микробиологического метилирования (установлен: для свинца, мышьяка, ртути, сурьмы, селена [2]). Образование органических кислот сопровождает« резким снижением значений pH в жидкой фазе от 7,5-7 до 5-4. Одновременно происходит окисление металлов с образованием растворимых в воде сульфатов, карбонатов и фосфатов и нерастворимых оксидов и гидроксидов. Окисляются также соединения серы, азота, фосфора с образованием сульфатов, нитратов, фосфатов и других соединений. Неорганические соединения, в том числе металлы, обладают в кислой среде высокой подвижностью и легко переходят в раствор, в большей степени Mg, Ca, Мп, Fe, Zn, в меньшей степени Pb, Cd, Cr, Ni, Си. Высокая интенсивность биохимических и химических экзотермических реакций приводит к повышению температуры тел* полигона до 90-100 °С, вплоть до самовозгорания отходов.
Таким образом, в аэробной зоне миграционный поток, направленный вверх, представле-i углекислым газом и летучими органическими веществами. Миграционный поток, направленны*) вниз, в переходную зону, содержит водорастворимые сульфаты, нитраты, карбонаты и фосфаты Ca • и тяжелых метатлов. При полном окислении органические вещества разлагаются до углекислого rasa и воды.
г
s
о
ГА
ё S
с:
2 X
ГА
'Г s
ъ
I
J
I
с-г
» г
X
I I
3
Переходная зона располагается на глубинах от 1 до 2.3 м Oi аэробной зоны она отличается более низким окислительным потенциалом и слабым развитием аэробных бактерий. Ведущими процессами здесь являются гумификация органических веществ и денигрификания оксидов азота В результате гумификации органических веществ, сохранившихся н аэробной зоне, образуются угольная, фульвнновая кислоты н металл-фульвиновыс комплексы. Денитрифицирующие бактерии восстанавливают нитраты до N0: и азота, при этом из органических веществ в раствор переходят калий, фосфор и другие бнофильные элементы В результате восходящий миграционный поток представлен СО), N0?, N;, в нисходящем потоке растворены фульвиновая кислота, металл-фульвиновые комплексы, ионы К4-. Са:\ P0.,v и др.
Апаэробнаи зона располагается ш глубинах более 2,5 м Характеризуется отсутствием кислорода и восстановительным потенциалом среды с Eh - (200-300) мВ и рН 7 - ?,5. В этих условиях развиваются анаэробные бактерии, которые осуществляют гидролиз целлюлозы, пектинов и других органических веществ, устойчивых п верхних зонах - аэробной и переходной Продуктами гидролиза органических веществ являются низкомолекулярные соединения (сахар и др.). которые подвергаются сбраживанию с образованием водорода, угольной, уксусной и других органических кислот. Образуются и другие органические соединения, п том числе алифатические и ароматические соединении. При наличии в составе отколов продуктов бытовой уимии а также фармацевтической, парфюмерной, текстильной и других отраслей промышленности, содержащих активный хлор или бром, последние превращаются а галогенозамещенные углеводороды. Гндро1еохимическая модель процессов разложения органических веществ в анаэробной зоне представлена в табл. 2.
Одним из продуктов жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов является ульминовая кислота, которая токсична по отношению к вырабатывающим ее микроорганизмам. Ульминовая кислота может денатурироваться, т е. переходить без изменения состава в нерастворимое в воле состояние, Этот переход совершается при различных условиях продолжительном кипячении, замораживании и др. Реакции денатурирования необратима При развитии в разлагающемся мусоре анаэробного процесса не образуются соединения, нейтрализующие ульмииовую кислоту, а значительное уплотнение .мусора не обеспечивает у словий для ее вымывания В природных условиях ульминовая кислоты денатурируется только при пониженной температуре, и зимни? сезон На еналках, где мусор не промерзает, создаются все условия для накопления ульмнновой кислоты, которая угнетающе действует ня роет анаэробных бакгериЙ. С затуханием роста анаэробных микроорганизмов замедляется и процесс разложения органического вещества мугора. Этим объясняется длительное разложение органическою вещества мусора на усовершенствованных свалках в условия анаэробного режима.
Необходимый для жизнедеятельности и окислительных процессов кислород изымается из водь:, нитратов, сульфатов, оксидом Не и Мп н других богатых кислородом соединений, вследствие чего в голще отходов формируется зона редукции с высоким содержанием нитритов, аммония и H;S.
Без участия молекулярного кислорода орптические соединения могут окисляться только в том случае, когда имеется какой-либо другой акцептор водорода Такими акцепторами могут быть как минеральные, так и органические соединения, способные восстанавливаться. Анаэробное окисление наблюдается в процессах брожения и дыхания. Благодаря брожениям происходит превращение сложных органических угдеродсодержащих соединений н более простые. Чаше всего исходными продуктами брожения являются углеводы (полисахарилы. сахара, клетчатка и г. д.), з конечными - органические кислоты или спирты Химизм этого процесса в начальной фазе для всех типов брожения одинаков. Подавляющее большинство живых организмов в качестве источника энергии использует сахариды и, в частности, глюкозу (4].
Маслянокислое брожение является типичным примером анаэробного окисления углеводов Маслянокнслое брожение осуществляется анаэробными бактериями, относящимися к ролу Clostridium. Маслянокислыс бактерии получают энергию, сбраживая различные соединения Моносахариды они окисляют по пути ЭМП до образования пировиноградной кислоты Среди продуктов маслянокислого брожения содержатся органические кислоты (масляная м уксусная», спирты (этиловый н бутиловый) и газы (Н» и СОД
Гидрогеохимическая модель анаэробной зоны полигона ТБО
Таблица 2
11(к)нсссы преобразования Реакции вюимолейспшМ [4] Продукт реакции
Разложение ир1 эпических ВС11КСТВ МаСЛЯНОКИСЛО« бр-ЧКСИИС 2С11 ,СОСОО! 1 -» 2СН ,СНО ♦ 2СО,; 201 ,С110 -> СИ ,С1 Ю11СН ,С1 Ю СИ,СН011СН2СН0 СН,С112СН хоом 1 со, 1 орг. К-ТЫ. СП Ир т ы
БрОЖСНИС ЦСЛЛЮЛСШ 2(С6Н10О5).+пН2О->С12Н„О,, С11На01| + Н20->2С,Н|г04 С,2НаОп -+СН,СН2СН2СООН + СН,СООН + Н2 + С02 с„наоп ->сн,сн2сн2соон+сн,соон+сн4 + С0, | СО:. Н;. СИ, 1 орг к-ты.
Ьрожсннс 1ккги1к>яих исшсон С,Н|вО, -+СН,СН2СН2СООН + СО, + Н20 С6Н|а06 ->СН,СН2СНгСООН + 2СО, + 2Н, 1 СО;. И; 1 орг к-ты
Молочнокислое Сражен НС С,Н10О5 ->СН,СНОНСООН + СН,СООН 1 орг. к-ты.
Спиртовое брожеикс СНгСОСООН->СН,СНО+СОг; СН,СНО + Н2 ->СН,СН2ОН ТСО, 1 орг. к-ты. СП Ир: и
Сбраживание жира» Жиры глицерин + жирные кислоты -♦ С0«*Н;0 ТСО, ; н;о
Сбраживание бе лкой СН3СНЫН,С00Н+2СН^Н:С00Н+2Н2 ЗСН,СООН + С0, + 3>1Н, АЛАНИИ ГЛИЦИН 5СООНСН2СН7С1Пч'Н,СООН+6И;0->5П1,СНгСН?СООН+5СО: +13, + 5М1, ГЛУТАМИНОВАЯ МАСЛЯНАЯ КИСЛОТА КИСЛОТА Г СО.. N11,. И. 1 орг. к-ты
Аммонификация белковых соединений ЯСНЫН2СООН + Н20 ЯСНОНСООН + N11, ЯСНЫЙ 2С00Н + Н2 ЯСН2СООН + N11, I N4, 1 орг. к-ты
Дснитрификаии* 5С6Н1206 + 24КЫО, ->24КНСО, +6СО, + 12Ыг + 18НгО Т СО,. N3 1 Н}0, СОЛИ угольной к-ты
Разложение органических серосодержащих соединений С11 г(8Н)С1 »(N112 )С0011 + Н20 СН ,СОСООН + И 2Б + N4, 4СН,СОСООН + Н,504 = 4СН,СООН + 4СО? + Н2Б с6 и |2о6 + 3 Н ж> 4 = 6СО 2 + 6Н 2о+3 н 2б 58 + 6Ь^03 + 2СаС0, = ЗК,504 + 2СаБ04 + 2С02 + ЗЫ2 4Н2 + СО, ->СН4 +НгО иСН,СООН-+СН4+Нг Т СО,. НгЭ. N11,. N2. Н2. СИ, 1 орг. к-ты. 1120. соли серной к-ты
Из всех полисахаридов наиболее широко распространена целлюлоза (клетчатка). Анаэробное сбраживание клетчатки в природных условиях осуществляется целлюлозными бактериями рода Clostridium. Целлюлозоразлагающие бактерии легко вступают в симбиотические отношения с другими микроорганизмами, в том числе аэробными. Спутники целлюлозоразлагающих бактерий используют моносахара и органические кислоты, образующиеся при гидролизе клетчатки и, в свою очередь, защищают анаэробных клострндиев от воздействия кислорода, обеспечивают их необходимыми витаминами и аминокислотами. Анаэробные целлюлозные бактерии сбраживают любые вещества, содержащие клетчатку: растительные остатки, бумагу, ват/, картон, хлопчатобумажные ткани и т. д.
Химизм сбраживания целлюлозы аналогичен маслянокислому сбраживанию. Конечными проду ктами брожения являются уксусная, масляная, молочная кислоты, этиловый спирт водород и диоксид углерода. Брожение целлюлозы с образованием метана идет с участием бактерий Bact. cellulosae mcthanicus, с образованием газообразною водорода - с участием бактерий Bact. cellulosae hydrogenicus.
Пектины представляют собой сложные полисахариды, состоящие из остатков галактуроновой кислоты. Пектины, заполняя межклеточное пространство растительной клетки, придают необходимую прочность растительным тканям При гидролизе пектинов наряду с галахтуронсвой кислотой образуются галактоза, арабнноза, ксилоза. Эти вещества могут сбраживаться по типу маслянокислого брожения с участием фермента пептиназа. В результате брожения пектиновых веществ образуются масляная, уксусная кислоты, водород, диоксид углерода и небольшое количество спиртов. Маслянокислые бактерии развиваются на участках с низким окнслитсльно-восстановительным потенциалом.
Сбраживать углеводы могут не только маслянокислые бактерии, но и другие микроорганизмы. При хозяйственной деятельности человека большое значение имеет молочнокислое брожение. При этом типе брожения из молочного сахара лактозы образуется молочная кислота. Молочнокислые бакгерии относятся к факультативным анаэробам. Они не нуждаются в молекулярном кислороде, но и не испытывают угнетения в его присутствии. Рагтичают i-омо- и гетероферментативное молочнокислое брожение.
Гомофсрментативное, или типичное, молочнокислое брожение осуществляется однородными ферментами, участвующими в восстановлении пировиноградной кислоты в молочную. Этот тип молочнокислого брожения осуществляется молочнокислыми стрептококками (Streptococcus lactis) и палочками из рода Lactobacillus. Эти организмы чрезвычайно требовательны к питательным веществам, в процессе формирования фильтрата полигонов твердых отходов существенной роли не играют. Гетероферментативное. или нетипичное, молочнокислое брожение осуществляется разнородными ферментами, которые вызывают кроме молочного также и спиртовое брожение с образованием в качестве побочных продуктов уксусной кислоты и этилового спирта.
Процессы спиртового брожения происходят при анаэробном разложения продуктов хлебопечения, виноделия. Основной продукт спиртового брожения — этиловый спирт. Процесс спиртовог о брожения идет до образования пировиноградной кислоты, которая подвергается процессу декарбоксилирования с образованием анетальдегида. Ацетальдегнд принимает водород и восстанавливается до этилового спирта. Основным возбудителем спиртового брожения являются дрожжи рода Saccharomyces, а также другие низшие грибы и бактерии.
Жиры труднее поддаются сбраживанию, чем углеводы, поскольку в жирах количество окисленных атомов углерода очень мало. Жиры под действием фермента липаза расщепляются на глицерин и жирные кислоты. Конечными продуктами расщепления жирных кислот являются углекислота и вода. Жирные кислоты с числом атомов углерода более пяти в анаэробных условиях расщепляются с трудом, однако практический опыт показывает, что в присутствии других органических веществ, дающих необходимый запас кислорода, жиры активно сбраживаются.
Процесс сбраживания белков происходит в несколько этапов. Первым этапом анаэробного расщепления белков является их гидролиз, который протекает в присутствии протеолитических ферментов. Этот процесс носит название - протеолиз. В результате протеолиза белки распадаются на отдельные аминокислоты, которые сбраживаются в дальнейшем под действием бактерий рода Cloctridium до органических кислот жирного ряда.
В анаэробных условиях продолжаются процессы аммонификации белковых соединений при участии микроорганизмов - реакции дезаминирования аминокислот. Дсзаминированис аминокислот в анаэробных условиях может осуществляться при участии воды (гидролитическое дезаминирование)
дорода (восстановительное дезамннированне). В реакции гидролитического дезаминировання • -т принимать участие как аэробные микроорганизмы, гак и анаэробные.
В природе су шествуют микроорганизмы, вызывающие процесс деннгрификяции. т с. < становление нитратов ло свободного азога Эти микроорганизмы о»носятся к группе акультотнвных анаэробов и называются денитрифицирующими. М|к»цесс денлгрнфикации утекает при наличии в среде безазотистых веществ: углеводов, клеп.тпеи. солей летучих жирных; «слог и др. Денитрифицирующие бактерии, отнимая кислород от нитратов, окисляют р=*родсодержашие органические вещества« нолучшог при этом необходимую жизненную энергию >> процессы протекают при отсутствии свободного кислорода, при наличии органического ства и нитратов
В анаэробных условиях под действием микроорганизмов продолжается разложение ^содержащих белков Например, цИстеин в анаэробных условиях разлагается микроорганизмами с лованнем сероводорода
Основной путь образования сероводорода при разложении твердых бытовых отходов — это агробиологическое восстановление сульфатов. Процесс этот называется сульфат редукцией, а сто удителн — сульфатрелуцируюшими бактериями
Все сульфатрелунирукшше бактерии способны получить -жиргню, пямспая ипдород, т е, по энергетического обмена они относятся к литотрофам. Помимо водорода эти бактерии могут лять простые органические вещества, кислоты, спирты, углеводы. Акцептором электронов для > афатредуцирующих бактерий служат окисленные соединения серы и некоторые органические нения Продуктами реакции являются сероводород и уксусная кислота или углекислота в ¿имости от 1ИПЭ ор| аничсскогО соединения
По Представлениям ГА Зиварзинн [Л], угольная и уксусная кислоты являются источником .•нерола для метановых бактерий, которые вырабатывают метан по схемам:
4Н2+С0, СИ 4 + Н .0 и СН5СООН СИ, » Н..
Метанообразоваиие - это конечная стадия биогенеза в негоряши.ч свалках ГКО. Если в ную зону из вышележащих зон поступает БО/'. то в анаэробной зоне разливаются **фатвосстанавливаюшие бактерии, которое образуют сероводород.
Таким образом, в состав восходящего газового потока при анаэробном разложении отходов е ¿лежащие зоны поступают С07. СН< и Н»Б: одновременно <. ними в атмосферу поступают летучие углеводороды и органические соединения тяжелых металлов Нисходящий поток ж ит гуминояую, фульвнновую кислоты, мсгалл-фульвнновые комплексы, угольную, ¿^"водородные и другие органические кислоты Гуминовые кислоты представляют собой мсокомолекулярныс образования и состоят из ароматических соединений типа двух- и трехатомных •внолов и азотсодержащих соединений. Помимо ароматическою ядра молекула (умниивых кислот ючает в себя боковые радикалы, представленные карбоксильными «рупиями СООН, фенольнмми чсфокснлами ОН. мсгаксильными группами ОСН>, карбоксильными группами С-0 Содержание ОП из групп не постоянно и меняется в зависимости от условий образования гумнновых кислот. 11л с по йс тип гумнновых кислот Сильно влияют боковые раз и калы, наличие в них СООН и ОН. >»рол которых способен к замещениям, определяет кислотные свойства и емкость обмена л миновых кислот.
В анаэробной зоне резко снижаются содержание сульфатов, химическое (ХГТК) и ■вво.юшческое (БПК-5) потребление кислорода (с 3-3,5*10' до 1-1.5* 10' мг/л), но возрастает «иичество азотных соединений (N1^, органический аэо1) от нескольких миллиграммов на литр до нескольких тысяч миллиграммов на литр, что создает особенно сильный и длительный загрязняющий ктенииал. Выделение органических кислот сменяется образованием других органических соединений, включая бензол, эти л бен зол, толуол, ксилол, дихлорметан и др. |21. Интенсивность экзотермических химических реакций в этой зоне снижается, температура падает н составляет 40-«Ч*
Наполняющаяся сватка ТБО Непрерывно развивается: биохимические процессы в ней . меняют друг друга во времени и прост ране гае. В результате границы между описанными зонами смешаются вверх. При закрытии свалки биохимические процессы затухают, и примерно через 20 лет ¿валка ТБО превращается в инертное тело (3;.
Выделение воды в процессе химических реакций, проникновение атмосферных осадко»» п -•мшу отходов, таяние снега, поверхностны»« сток, а иногда и искусственное орошение отходов для
2Ь9
предотвращения процессов самовозгорания приводят к образованию в теле полигона обогащенного химическими соединениями фильтрата, который поступает в подстилающую отходы зону аэрации
Большинство населенных пунктов Свердловской области находятся в зонах открытых складчатых структур Уральского горно-складчатого региона. Полигоны ТБО располагаются на корах выветривания метаморфических, магматических и осадочных пород, представленных следующими зонами - дисперсной, дезинтеграции и трещиноватой (кроме терригенных и мезо-кайнозойскнх отложений). Отсутствие выдержанного водоупорного основания под насыпными телами полигонов ТБО определяет незатрудненную фильтрацию сточных вод полигонов в вертикальном потоке совместно с инфильтрующимися атмосферными осадками.
Отличительной чертой элювиальных грунтов Урала является наличие стабильных слоистых силикатов, какими являются гидрослюда и хлорит. В воде глинистые минералы не растворимы, однако под действием различных кислот и некоторых щелочей многие из них разлагаются. Органическое вещество, обладая в основном кислотными свойствами, является активным агентом выветривания пород зоны аэрации в основании полигонов, разлагая силикаты и другие минералы.
При взаимодействии фильтрата полигонов ТБО с дисперсными фунтами зоны аэрации происходят процессы разрушения минералов, в основном Геь, и алюмосиликатов при процессах брожения и разложения органическою вещества, гидролиза, выщелачивания минеральных частиц грутгов, ионный обмен между фильтрующимся расгвором и горными породами, адсорбция компонентов фильтрата твердой фазой фунтов. СаСО> и РсБ выпадают из фильтрата в осадок, образуя вязкую плотную массу [2], что приводит к кольматации пор и формированию в зоне аэрации "верховодки", воды которой являются вторичным источником загрязнения подземных вод.
В зоне аэрации происходят процессы положительной (поглощается растворенное вещество) и отрицательной (поглощается растворитель) адсорбции (6). К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относятся жирные кислоты, мыла, сульфокислоты, спирты, фенолы; к повсрхностно-инактивным веществам (ПИВ) - все неорганические электролиты - кислоты, щелочи, соли, а также органические вещества. Органические вещества адсорбируются на поверхности минеральных частиц с образованием органомннеральных комплексов. В минерализованных растворах органические молекулы первоначально взаимодействуют с катионами сильных оснований (Са'\ Мй \ Ка\ К"), образуя мсталлоорганические ноны (гуматы), которые сорбируются активнее на базальных поверхностях глинистых минералов, чем неорганические. В слабоминерализованных средах образование органомннеральных комплексов идет на боковых сколах глинистых минералов, несущих положительный заряд.
При оценке загрязнения грунтов зоны аэрации необходимо учитывать, что подвижность тяжелых металлов существенно зависит от форм их нахождения в дисперсных грунтах, так как физико-химические формы существования металлов определяют их подвижность и возможность мобилизации. Исследование вертикальной миграции характерных для участков ТБО тяжелых металлов (гп, Си, РЬ, Со, N4, Сг, С(1) было выполнено на одном из полигонов ГБО Московского региона по пути проникновения техногенных растворов от подошвы свалки на глубину до 1 м в глинисто-суглинистых породах [5]. По форме нахождения в грунте выделяются металлы: поглощенные обменным комплексом грунта, сорбированные на карбонатах, сорбированные на поверхности окислов и гидроокислов Ре. Мп, А1. связанные с органическим веществом, входящие в кристаллическую решетку минералов грунта. Считается, что последние наиболее инертны и способны поступать в раствор только при специфических воздействиях.
Анализ форм нахождения металлов позволяет сделать следующие выводы. Осаждение меди, кобальта, цинка, никеля, свинца и хрома происходит главным образом на поверхности окислов Ре, Мп, А1 в количестве до 70-90 % от их общего содержания в фунте, в небольшом количестве - на поверхности карбонатов и органическом веществе (5-15 %).
Концентрация меди, поглощенной обменным комплексом фу»гта. не превышает - /о от общего содержания вне зависимости от величины емкое!и катионпого обмена (ГКО). Количество ¿п. Со и поглощенных обменным комплексом, в фунтах с малыми значениями емкости обмена (5-6 мг-экв/ЮО г) незначительно и составляет 5-8 % и менее; с возрастанием значений ЕКО в фунтах в _ раза содержание вышеперечисленных элементов увеличивается и может достигать 16-25 %.
Исследования мифации диоксинов и тяжелых металлов по глубине зоны аэрации показывают высокую степень поглощения этих элеме.гтов грунтами зоны аэрации. По данным Абдрахманова Р. Ф. (2002 г.), зафязнение почво-грунтов диоксинами и тяжелыми металлами поз
телом полигона ТБО прослеживается до глубины 4-5 м, далее по разрезу содержания элементов значительно снижаются.
Исследования авторами содержания металлов в породах зоны аэрации на полигоне ТБО г. Нижнего Тагила показали, что с глубиной происходит уменьшение концентраций свинца, хрома и никеля, причем мощность зоны загрязнения грунтовой толщи наблюдается до 8 м. Исследование распространения таких металлов, как Си, Zn, Sr, Ва, Мп, показало увеличение их концентраций с глубиной, что определяется наличием этих металлов в горных породах, т. е. присутствие этих металлов в фунтах определяется не техногенными, а природными факторами. При определении концентраций соединений азотной фуппы (NH»\ NOj", NO>) установлено, что в грунтах присутствует только аммонийная форма азота, концентрации нитритов и нифатов - ниже предела чувствительности анализа. Максимальное распределение ионов аммония наблюдается в грунтах до глубины 4-7 м.
Процессы адсорбции тяжелых металлов в зоне аэрации способствуют слабому загрязнению тяжелыми металлами подземных вод, приуроченных к зоне воздействия полигонов ТБО. По данным [2] при обследованиях старых свалок ТБО на территории Германии содержания тяжелых металлов в подземных водах в 50-75 % случаев не превышали установленных значений ПДК. При исследованиях воздействия полигонов ТБО на подземные воды в Свердловской области незначительное превышение наблюдается по железу, марганцу, свинцу и никелю.
При взаимодействии фильтрата полигонов ТБО с грунтами зоны аэрации происходят процессы обменного разложения минератов водой, когда ионы водорода Н* вытесняют ионы металлов из грунтов. В результате в растворе накапливаются гидраты К, Na. Накопление гидроксильных ионов ОН' в растворах способствует реакции гидролиза. Это приводит к образованию в зоне аэрации полигонов ТБО зоны редукции с повышенными значениями pH поровых растворов до значений 8-9.
В зоне воздействия полигонов ТБО зона аэрации представлена трех- или четырехкомпонентной системой, в которой значительная часть пор занята газами. Газы находятся в грунте в различном состоянии - свободном, адсорбированном, защемленном [6]. Когда выход вытесняемого газа в атмосферу закрыт (увлажнение фильтратом полигона ТБО сверху), газ может оказаться в защемленном состоянии, создавать поровос давление, что снижает водопроницаемость тонкодисперсного грунта.
Между толщей пород и атмосферой идет постоянный газообмен за счет диффузионных процессов, колебаний температуры, давления воздуха, инфильтрации атмосферных осадков. Часть газов может образовываться в самом грунте в результате биологических процессов. Несмотря на газообмен между фунтом и атмосферой, состав газового компонента грунта существенно отличается от состава атмосферного воздуха. Отличительной особенностью увлястся высокое содержание С02 и относительно небольшое Ог. Наличие СО? в грунте, особенно в растворенном виде, резко увеличивает агрессивность подземных вод и интенсифицирует процессы растворения карбонатсодержащих минералов. Кроме того, COj участвует в восстановительных реакциях, переводя окисные формы минералов в закисные.
Таким образом, зона аэрации является геохимическим барьером для "сточных вод" полигона, в которой происходят процессы метаморфизации состава фильфатных вод вследствие процессов растворения, выщелачивания и сорбции, сопровождающих движение загрязненных вод через зону аэрации; изменение дисперсности грунтов, снижение их водопроницаемости, накопление комплексных органомннеральных соединений металлов во взвешенной и коллоидной формах. Зона аэрации постепенно становится вторичным источником зафязнения подземных вод.
В области насыщения загрязнение подземных вод фильтратом полигонов ТБО происходит в две стадии [7]. На первой стадии происходит смешение метаморфизованного фильфата с подземными водами. Вторая стадия соответствует переносу загрязняющих веществ по водоносному горизонту. Практически она начинается одновременно с первой, в это время происходит формирование области загрязнения в водоносном горизонте и распространение зафязнения по площади.
Водоносный горизонт по латерали можно условно разделить на фи зоны: восстановительную, переходную и окислительную. В районе свалок ТБО, вследствие интенсивного органического загрязнения подземных вод, в водоносном горизонте при смыкании фильфата с водоносным горизонтом образуется восстановительная зона, характеризующаяся значительным дефицитом или отсутствием растворенного кислорода, повышенной температурой воды, увеличением содержания
СО;, аммиака, железа (2т). а иногда и дефицитом NOj. Типичными для нее являются И высокие количества мезофильных и термофильных бактерий и всех групп микроорганизмов.
Результаты микробиологических исследовали» на полигонах твердых отходов показывают наличие п воде гумусовых и фульвинювых кислот, среди микроорганизмов преобладают нитрифицирующие и маслянокислые микроорганизмы, в меньшем количестве аммонифицирующие и сульфатвосстзнавливаюшие бактерии
Химический состав подземных вод и носстановнтелыюй зоне хлоридный кальциевый. ионные соотношения главных компонентов показали, что воды соответствуют Шб гипу по классификации 13.Л. Сулина. и гидрокарбонатные магниевые, принадлежащие к Illa типу вод; минерализация подземных вод в згой зоне 1-5 г/л. величина рН изменяется от 6.4ч до 9.55. Расчет миграционных форм макрокомнонентного состава показал преобладание в воде ионных форм Na, Са. Mg, в меньшем количестве присутствуют сульфатные и гидрокар'юиатные формы элементов. При анализе зависимости концентрации мшрационных форм от рН вод выявлено, что сульфатные формы .макрокомпонентов преобладают при рЬ 6,5-7.5, а гндрокарбонатиые - при рН 8.5-9,5. Гидроксильные, карбонатные формы ионов в растсоре при существующей физико-химической обстановке практически отсутствуют
Переходмам тони отличается пэмижр.нным количеством практически всех видов микроорганизмов, увеличением содержания растворенного кислорода и значительно пониженным содержанием железа (2-+) и аммиака.
В окислительной зоне происходит полная минерализации органических веществ микроорганизмами и окисление всех оставшихся восстановительных форм азота и серы. Гак как расход кислорода для указанных процессов велик, его содержание обычно невысокое и существенно повышается только у внешней границы зоны. Железо к марганец переходят п более высоковалентные формы и осаждаются в форме гидроокисей. Внешняя граница окислительной зоны определяется выравниванием окислительно-восстановительного потенциала и остальных гидрохимических параметров цо уровня показателя 1рунтовыч вод, не затронутых влиянием свалки В скважинах, расположенных в 400-600 м ниже по потоку подземных вод от полигона, основных физиологических групп бактерий не выделено, я показатели окисляемостн и содержания общею органического вещества соответствуют чистым питьевым водам. Это свидетельствует о присутствии процессов очищения водоносного горизонта, таких, как разбавления, адсорбции и др.
Химический состав воды в ttoü зоне сульфапю-гилрокарбонатный. по катионам -смешанный, за счет процессов мсгаморфизгини происходит изменение пита подземных вод с Шб до Illa и с Illa до II типа Минерализация воды в окислительной зоне I r/л. рН но сравнению с восстановительной зоной повсеместно уменьшается.
Восстановительная зона прослеживается практически на всех полигонах ТБО. где выполнялись исследования состава подземных вод. величина рН о волах под полигонами превышает во всех случаях рН фоновых код и составляет 6,4-9.55.
Дальность действия от дельных зон у каждой сзалки различна и даже у одной и гой же может меняться со временем. Это зависит от характера загрязнения, качества грузовых вод. гидрогеологических условии в окрестностях свалки
Загрязнение подземных вод седел :;а собой важные экологические последствия: ухудшение питьевых свойств подземных вод, условий водоснабжения, загрязнение биологически актниныма веществами, влияющими на кроветворную систему и генетический механизм человека, уменьшение содержание кислорода и подземных водах, что снижает самоочищающую способность воды 11J
БИБЛИО "РАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гольдберг В.М., Газда С, Гидрогеологические основы охраны подземных вод сг загрязнения. М.: Недра, 1984. 261 с.
2. Дементьев С.Ю. Трансформация процессов преобразования гвердых бытовых отходов Известия вузов. Геология и разведка. 20Ü0. .Чк 1 (Январь-Февраль). С. 135-142.
3. Кроначен А.М. Геохимические процессы в юродских свалках гвердых бытовых отхолов Экология города: Материалы НТК. Пермь. 1$98.С. 85-86
4 Липунов И.Н. Основы химии и микробиологии природных и сточных вод; Учебное пособие/УГЛТА. Екатеринбург, 1995. 21: с. ISBN 5-230-i 683М.
5. Муст A.A., Самарина E.H. Анализ физико-механических форм нахождения тяжелых металлов в грунтах основания полигона захоронения ТБО // Сергеевские чтения: Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Вып. 3. М., 2001. С. 303-306.
6. Теоретические основы инженерной геологин. Физико-химические основы / Под ред. акад. Сергеева Е. М. М.: Недра. 1985. 283 с.
7. Тютюнова Ф.И., Пантелеев И.Я. и др. Прогноз качества подземных вод в связи с их охраной от загрязнения. М.: Наука, 1978.
8. Хазанов Л.Г. Полигон твердых бытовых отходов как техногенный геологический объекг// Сергеевские чтения: Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. Зып. 5. М., 2003. С. 195-197.
УДК 550.41
H.H. Нечаева, О.Н. Грязнов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ГРУНТОВ УРАЛА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ОБУСТРОЙСТВЕ ПОЛИГОНОВ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ НА ТЕРРИТОРИИ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
В результате хаотичного несанкционированного складирования отходов производства во многих районах Свердловской области меняется характер окружающего ландшафта (растительный покров, рельеф, состояние поверхностных и подземных вод). Необходимо наиболее рационально подходить к проблеме расположения и обустройства полигонов бытовых и промышленных отходов.
Полигоны бытовых отходов представляют собой техногенные образования, в пределах которых в аномальных концентрациях находятся различные по генезису и составу вещества, претерпевающие глубокие и длительные, биохимические и химические изменения при хранении.
Поступающие на полигон твердые отходы взаимодействуют с воздухом и водой. Происходящие в толще отходов биохимические реакции обусловливают выделение тепла и образование новых веществ, большое количество газообразных веществ поступает в атмосферу.
В качестве материалов для сооружения противофильтрационных экранов наиболее широкое применение нашли искусственные материалы. Со временем прочностные и эластичные свойства этих материя пои снижаются, вследствие взаимодействия с фильтратом и при возгорании отходов.
Природный материал менее подвержен действию химических и биохимических реакций. Более рационально в качестве защитных экранов использовать природные |рунгы с учетом некоторых их физико-механических свойств.
Четвертичные отложения Свердчовской области разнообразны по генезису.
Аллювиальные отложения распространены в пределах аккумулятивных, эрозионно-аккумулятивных террас и речных пойм; в пределах террас представлены в основном суглинками, глинами, супесями и песками с включениями гравия и галечника; в пределах пойм -крупнообломочными и песчаными грунтами с суглинистым заполнителем.
Озерные отложения встречаются в понижениях, котловинах, старицах, погребенных долинах рек. но гранулометрическому составу преобладают пылеватые и глинистые разности.
Коллювиальные отложения чаше встречаются в горной части Урала и представлены крупнообломочными грунтами с суглинистым заполнителем.
Элювиальные грунты встречаются повсеместно, более мощные толщи наблюдаются на восточном склоне и в зоне пенеплена. Они представлены неустойчивыми к выветриванию компонентами горных пород. Элювий постепенно переходит в коренные породы., из которых он образовался, поэтому его минеральный состав зависит от состава этих пород, гидроокислы железа придают элювию буроватую окраску. Физико-механические свойства по результатам лабораторных исследований 50 проб представлены в табл. 1.
