CC BY
37Оценка уровня экологической безопасности полигона твердых коммунальных отходов с применением дистанционных методов
со см о см
!Л
О Ш
т
X
<
т О X X
Козырь Дмитрий Александрович
к.т.н., доцент кафедры радиоэкологии и экологической безопасности ФГБОУ ВО «Севастопольский государственный университет», доцент кафедры природопользования и земельного кадастра ФГАОУ ВО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», kozurdmitrii@mail.ru
Основная масса твердых коммунальных отходов в Российской Федерации складируется на полигонах. Полигоны твердых коммунальных отходов имеет высокий риск возникновения пожаров и представляют опасность для людей и окружающей среды. Процессы сбраживания отходов в полигоне приводят к выбросам парниковых газов, а горение отходов приводит к выбросу канцерогенных веществ. Экологический мониторинг мест складирования твердых коммунальных отходов с применением дистанционных методов позволит своевременно локализовать утечки биогаза, предотвратить возникновение пожаров и обвалов отходов. Для оценки уровня экологической безопасности полигона твердых коммунальных отходов проведены экспериментальные исследования с применением тепловизионного контроля. Экспериментальными исследованиями подтверждено, что энергетическая светимость пропорциональна ракурсу дистанционной тепловизионной съемки очага тепловыделения в месте складирования твердых коммунальных отходов.
Ключевые слова: твердые коммунальные отходы, экологический мониторинг, ракурс, биогаз, тепловизор, дистанционные методы контроля, экологическая безопасность.
Урбанизация населения приводит к увеличению количества твердых коммунальных отходов (ТКО). Основная масса ТКО в Российской Федерации складируется на полигонах. Высокие темпы складирования ТКО могут привести к переэксплуатации полигонов [1]. В результате процесса разложения органических составляющих отходов в толще полигона ТКО, образуется биогаз. Основную объемную массу биогаза составляют метан и диоксид углерода.
Выбросы свалочного газа имеют неблагоприятные последствия как в глобальном, так и в локальном масштабе. С одной стороны, выбросы загрязняющих веществ из полигона ТКО способствуют изменению климата и оказывают вредное воздействие на здоровье человека и растительность, а с другой стороны, утечки биогаза могут привести к возгоранию или взрыву. В случае горения отходов на полигоне в атмосферный воздух выбрасываются канцерогенные вещества - диоксины и фураны. Нередки случае взрывов метана - накапливаясь в полостях полигона в смеси с воздухом метан становится взрывоопасен при концентрации от 4,4 %.
Образование метана в приповерхностном слое полигона из-за биологического разложения ТКО приводит к выделению тепла, которое может оставаться и после закрытия полигона. Если генерируемое тепло не будет эффективно рассеиваться в атмосферный воздух, то температура компонентов ТКО достигнет температуры самовозгорания, что приведет к пожарам на полигонах.
Возгорание полигона ТКО возможно при наличии следующих факторов:
1. Источник топлива, например, бумажные изделия в ТКО.
2. Окислитель, например, кислород от проникновения воздуха.
3. Источник энергии, например, тепло, выделяющееся при аэробном разложении, или другая экзотермическая реакция.
4. Самоподдерживающаяся реакция горения.
Четвертое условие предполагает, что высвобождаемая
тепловая энергия от сгорания возвращает энергию обратно в систему, позволяя большему количеству ТКО и кислорода реагировать, таким образом происходит высвобождение большего количества энергии до тех пор, пока горение не будет ограничено подачей топлива или кислорода. Поэтому крайне важно ограничить доступ кислорода к очагам самонагревания и остановить распространение горения.
Основную опасность негативного воздействия на окружающую среду представляет участок разгрузки, где выгружаются и уплотняются отходы [2]. Устойчивость откосов является одной из проблем, возникающих при проектировании полигонов ТКО. Из-за неоднородности материалов и неравномерного распределения на полигоне ТКО на склонах можно наблюдать движение от поверхностных разрывов до крупных оползней [3].
Традиционные методы экологического мониторинга полигонов, связанные с наземными полевыми исследованиями и составлением картографического материала результатов наблюдений недешевы и трудоёмки. В настоящее время с развитием технологий беспилотных тепловизионных съёмок появились перспективы применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в практике управления полигонами ТКО.
Тепловидение с применением БПЛА применяется исследователями при мониторинге полигонов ТКО. БПЛА использовались для подсчета складируемых отходов [4], для выявления источников выбросов свалочных газов [5]. Исследователями для анализа полигонов ТКО в Италии использовался мини-дирижабль с установленными тепловизором и газоанализатором. Отмечена актуальность исследований для предотвращения возгорания и локализации очагов воспламенения отходов [6]. Для оценки неорганизованных выбросов метана с полигонов ТКО в Италии был использован подход, основанный на обработке тепловых карт, полученных с применением БПЛА и тепловизора [7].
Соблюдение большинства основных требований к работе полигонов ТКО, которые перечислены как в российских, так и в зарубежных нормативных актах, можно контролировать с помощью беспилотной аэрофотосъемки [8]. Инфракрасное обследование мест захоронения отходов с помощью БПЛА отличается скоростью и простотой развертывания в полевых условиях [9].
Тепловизионный контроль с применением БПЛА также применяется и для экологического мониторинга промышленных отходов горнодобывающей промышленности [10].
Тепловой контроль полигонов ТКО позволит выявлять очаги тепловыделения на ранних стадиях и предотвращать возникновение пожаров и выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Методические подходы по определению уровня экологической опасности полигонов ТКО с применением дистанционных методов недостаточно изучены.
Для оценки теплового состояния полигона ТКО были проведены экспериментальные исследования. Исследования проводились на модельном участке временного хранения ТКО c применением тепловизора Fluke 279 FC и пирометра CEM DT-9862. Ориентировочный морфологический состав ТКО на модельном участке выбран в соответствии с территориальной схемой обращения с отходами, города федерального значения Севастополя (хвосты, в том числе пищевые отходы составляют до 60,75 %).
Температурную съемку проводили в условиях повышенной облачности. Коэффициент излучения поверхности и отраженную кажущуюся температуру определяли практическим путем в соответствии с ГОСТ Р ИСО 18434-1-2013 «Контроль состояния и диагностика машин. Термография». Оценка теплового состояния модельного участка проводилась с применением тепловизора. На выявленном очаге тепловыделения проводились измерения температуры с применением пирометра. Измерения очага тепловыделения тепловизором проводились с увеличением дистанции съемки и изменением её ракурса (900, 600, 450, 300) (рис. 1). Также выполнялись измерения скорости потоков воздуха и относительной влажности воздуха. Спектральный диапазон измерения тепловизора: 7,5-14 мкм. Коэффициент излучения модельного участка (Et) составил 0,95.
Рассмотрим температурную съемку очага тепловыделения на модельном участке с расстоянием съемки 5 м и ракурсах съемки - 900, 300, 450, 600 (табл. 1).
Примем, что поверхность модельного участка ТКО подчиняется закону Ламберта. Энергетическая яркость, соответствующая заданному спектральному диапазону (В, Вт/(смср)) равна:
В= е •R •
R0 - плотность излучения абсолютно черного тела при заданной температуре, Вт/см2; za(xa) - относительные значения плотности излучения.
Энергетическая сила света в заданном ракурсе распределяется по закону Ламберта и пропорциональна энергетической яркости, площади излучающей поверхности и косинусу
угла относительно нормали к поверхности модельного участка ТКО.
б
Рис. 1. Тепловизионные фотографии экспериментальных исследований (а - расстояние съемки 5 м, ракурс 600; а - расстояние съемки 1 м, ракурс 30°)
Таблица № 1
Темпе ратура Ракурс, 0 Дистанция, м А , мкм
0С К
58,6 331,60 90 9 9,014
57,4 328,60 30 9,047
56,0 330,40 45 9,085
55,6 328,60 60 9,096
Расчет энергетической силы света, полученной по закону Ламберта (1(а)теоретическая) и энергетической силы света, полученной при использовании экспериментальных данных (1(а)экс-периментальная) представлен в таблице 2.
Таблица № 2
а 0 10 20 30 45 50 60 70 80
Scos(a), м2 1,000 0,985 0,940 0,866 0,707 0,642 0,500 0,342 0,174
1(а)теорети- 68,6 67,6 64,5 59,4 48,5 44,0 34,3 23,5 11,9
ческая, Вт/ср
1(а)экспери- 68,6 59,9 48,0 33,9
ментальная, Вт/ср
X X
о
го А с.
X
го m
о
Зависимость энергетической силы света, полученной из закона Ламберта и энергетической силы света, полученной
ю
2 О
м
CJ
при экспериментальных исследованиях от косинуса угла теп-ловизионной съемки модельного участка ТКО представлена на рисунке 1.
fO CS
0
CS
in
01
О Ш
m
X
<
m О X X
80 70 60 50 40 30 20 10 0
■
V
ж-
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 cosa
♦ Закон Ламберта ■ экспериментальные исследования
Рис. 2. Зависимость энергетической силы света от косинуса ракурса тепловизионной съемки
Увеличение косинуса угла тепловизионной съемки модельного участка ТКО приводит к увеличению энергетической силы света по зависимости с коэффициентом детерминации R2=1: 1(a) = 68,611 cos(a) - 710-14.
В ходе исследований установлено, что энергетическая сила света, полученная при проведении экспериментальных исследований, соответствует энергетической силе света, полученной по закону Ламберта и пропорциональна ракурсу дистанционной тепловизионной съемки очага тепловыделения в месте складирования твердых коммунальных отходов. Тепловой контроль полигонов ТКО позволяет оперативно обнаруживать дефекты покрытия, которые могут привести к инфильтрации значительного количества дождевых и талых сточных вод в тело полигона, а также могут приводить к оползням, обвалам, растрескиванию и разрушению массы отходов. Применение теплового контроля позволит применять средства предотвращения самовозгорания локализовано.
Литература
1. Воропай Н.А., Кондратенко Т.О. Объемно-пространственные и конструктивные решения современных заводов по переработке твердых бытовых отходов // Инженерный вестник Дона. - 2022. - №4(88). - С. 421-434. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48573530
2. Калюжина Е.А., Самарская Н.С. Экологические особенности воздействия полигонов твердых бытовых отходов на состояние окружающей среды в районах их расположения // Инженерный вестник Дона. - 2014. - №3 (30). - С. 43. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22843891.
3. Keskin S., Kezer S. Stability of MSW Landfill Slopes Reinforced with Geogrids // Applied Sciences. - 2022. - №12 (22). - 11866. URL: 10.3390/app122211866.
4. Mudura R., Trif A., Nedelcu B., Bara C. Calculate the volume of landfill criste§ti, mure§ using the classical method and digital terrain model using pictures from UAV // 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference. - 2021. - Volume 2. - Р. 113-120. URL: https://www.researchgate.net/publication/ 290872900_Calculate_the_volume_of_landfill_cristesti_mures_us ing_the_classical_method_and_digital_terrain_model_using_pictu res_from_UAV.
5. Daugela I., Visockiene J., Kumpiene J. Detection and analysis of methane emissions from a landfill using unmanned aerial drone systems and semiconductor sensors // Detritus. -2020. - №10. - С. 127-138. URL: D0I:10.31025/2611-4135/2020.13942
6. Lega M., Napoli R. A new approach to solid waste landfills aerial monitoring // WIT Transactions on Ecology and the Environment. - 2008. - Р. 193 - 199. DOI: 10.2495/WM080211.
7. Tanda G., Balsi M., Fallavollita P., Chiarabini V. A UAV-Based Thermal-Imaging Approach for the Monitoring of Urban Landfills // Inventions. - 2020. - №5(4). - Р. 55. URL: https://doi.org/10.3390/inventions5040055
8. Filkin T., Sliusar N., Ritzkowski M., Huber-Humer M. Unmanned Aerial Vehicles for Operational Monitoring of Landfills // Drones. - 2021. - №5 (4). - 125. URL: https://doi.org/10.3390/drones5040125
9. Monster J., Kjeldsen P., Scheutz C. Methodologies for measuring fugitive methane emissions from landfills—A review // Waste Management. - 2019. - Volume 87. - Р. 835-859. URL: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.12.047
10. Высоцкий С. П., Козырь Д. А. Экологический мониторинг породных отвалов горнопромышленных агломераций // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2021. - Т. 332, №11. - С. 37-46. URL: DOI 10.18799/24131830/2021/11 /2964.
Assessment of the level of environmental safety of a landfill for municipal solid
waste using remote methods Kozyr D.A.
Sevastopol State University JEL classification: L61, L74, R53
The bulk of municipal solid waste in the Russian Federation is stored at landfills. Municipal solid waste landfills have a high risk of fires and pose a danger to people and the environment. The processes of waste digestion in the landfill lead to greenhouse gas emissions, and the burning of waste leads to the release of carcinogens. Environmental monitoring of municipal solid waste storage sites using remote methods will allow localizing biogas leaks in a timely manner, preventing fires and waste collapses. To assess the level of environmental safety of the municipal solid waste landfill, experimental studies were carried out using thermal imaging control. Experimental studies have confirmed that the energy luminosity is proportional to the angle of remote thermal imaging of the source of heat release at the place of storage of municipal solid waste. Keywords: municipal solid waste, environmental monitoring, perspective, biogas,
thermal imager, remote control methods, environmental safety. References
1. Voropai N.A., Kondratenko T.O. Volumetric-spatial and constructive solutions of modern plants for the processing of solid household waste // Engineering Bulletin of the Don. - 2022. - №4(88). - Pp. 421-434. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48573530
2. Kalyuzhina E.A., Samarskaya N.S. Ecological features of the impact of landfills of solid household waste on the state of the environment in the areas of their location // Engineering Bulletin of the Don. - 2014. - №3 (30). - P. 43. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22843891.
3. Keskin S., Kezer S. Stability of MSW Landfill Slopes Reinforced with Geogrids // Applied Sciences. - 2022. - №12 (22). - 11866. URL: 10.3390/app122211866.
4. Mudura R., Trif A., Nedelcu B., Bara C. Calculate the volume of landfill criste^ti, mure? using the classical method and digital terrain model using pictures from UAV // 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference. - 2021. -Volume 2. - Р. 113-120. URL: https://www.researchgate.net/publication/ 290872900_Calculate_the_volume_of_landfill_cristesti_mures_using_the_class ical_method_and_digital_terrain_model_using_pictures_from_UAV.
5. Daugela I., Visockiene J., Kumpiene J. Detection and analysis of methane emissions from a landfill using unmanned aerial drone systems and semiconductor sensors // Detritus. - 2020. - №10. - С. 127-138. URL: DOI:10.31025/2611-4135/2020.13942
6. Lega M., Napoli R. A new approach to solid waste landfills aerial monitoring // WIT Transactions on Ecology and the Environment. - 2008. - Р. 193 - 199. DOI: 10.2495/WM080211.
7. Tanda G., Balsi M., Fallavollita P., Chiarabini V. A UAV-Based Thermal-Imaging Approach for the Monitoring of Urban Landfills // Inventions. - 2020. - №5(4). - Р. 55. URL: https://doi.org/10.3390/inventions5040055
8. Filkin T., Sliusar N., Ritzkowski M., Huber-Humer M. Unmanned Aerial Vehicles for Operational Monitoring of Landfills // Drones. - 2021. - №5 (4). - 125. URL: https://doi.org/10.3390/drones5040125
9. Monster J., Kjeldsen P., Scheutz C. Methodologies for measuring fugitive methane emissions from landfills—A review // Waste Management. - 2019. -Volume 87. - Р. 835-859. URL: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.12.047
10. Vysotsky S. P., Kozyr D. A. Ecological monitoring of rock dumps of mining agglomerations // Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. - 2021. - VOL. 332, No. 11. - PP. 37-46. URL: DOI 10.18799/24131830/2021/11 /2964.
