CC BY
86
УДК 574.522
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СТОКОВ ЗАХОРОНЕНИЙ ОТХОДОВ
И.Ю.Кияшко1, А.Н.Елизарьев2, Т.Б.Фащевская3, Н.Н.Красногорская4
Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, г. Уфа, ул. К.Маркса, 12.
Для научного обоснования выбора средозащитных мер предложена методика комплексной оценки опасности фильтрата. Методика апробирована для полигона «Черкассы» г. Уфы. Проведена оценка опасности фильтрата для 74 объектов захоронений отходов по всему миру. Предложена классификация объектов захоронения отходов. Смоделирована внутригодовая динамика объемов фильтрата на полигоне «Черкассы» с учетом климатических особенностей территории. Ил.5. Табл. 3. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: захоронение отходов; фильтрат; водный баланс полигона; индекс загрязненности фильтрата; степень опасности фильтрата.
DEVELOPMENT OF THE PROCEDURE OF THE INTEGRATED ASSESSMENT OF THE FILTRATION DRAINAGE CONTAMINATION OF WASTE BURIAL
I.Y. Kiyashko, A.N. Yelizariev, T.B. Faschevskaya, N.N. Krasnogorskaya
Ufa State Aviation Technical University, 12 C. Max St., Ufa, 450000.
For the scientific justification of the choice of environment protective measures the procedure of integrated assessment of filtrate risk is proposed. The procedure has been tested for the polygon «Cherkassy» Ufa city. The authors have performed the assessment of the filtrate risk for 74 waste burial sites around the world. They proposed the classification of waste burial sites. They modeled intra-annual dynamics of filtrate volumes at the polygon «Cherkassy» taking into account the climatic features of the territory. 5 figures. 3 tables. 8 sources.
Key words: waste burial; filtrate; polygon water balance; filtrate pollution index; filtrate risk ratio.
Устойчивое развитие в современных условиях невозможно без решения проблемы образования, переработки и утилизации отходов производства и потребления, которые, с одной стороны, являются источником вторичных ресурсов, а с другой - источником загрязнения окружающей среды.
Объекты захоронения отходов (полигоны, свалки, хвостохранилища, шламонакопители и др.) представляют собой источники поступления в гидросферу жидкой фазы отходов (фильтрата), представляющей серьезную угрозу качеству водных объектов. Так, У-й Всемирный водный форум (март 2009 г., Стамбул) в своей резолюции одной из основных задач поставил задачу «управления и охраны поверхностных, подземных и дождевых вод для обеспечения потребностей людей и природы», в которой подчеркивается необхо-
димость охраны естественных речных экосистем, в том числе в зонах влияния захоронений отходов [1].
Образование фильтрата происходит под воздействием таких процессов, как инфильтрация атмосферных осадков через толщу складированных отходов и водоотдача отходов под действием давления вышележащих слоев. Количество поступающей влаги оказывает прямое влияние на объем образующегося фильтрата. Качественный же состав фильтрата определяется характером процессов разложения, непрерывно протекающих на объекте захоронения отходов: распадом органических соединений, растворением солей, содержащихся в отходах, выпадением нерастворимых солей в осадок и др. В результате таких процессов происходит насыщение фильтрата токсичными органическими и неорганическими компонента-
1Кияшко Иван Юрьевич, аспирант, ассистент кафедры безопасности производства и промышленной экологии, тел.: 79061000549, e-mail: freedomed@mail.ru
Kiyashko Ivan Yurjevich, postgraduate student, assistant lecturer of Production Safety and Industrial Ecology chair, tel.: 79061000549, e-mail: freedomed@mail.ru
2Елизарьев Алексей Николаевич, кандидат географических наук, доцент, зам. заведующего кафедрой безопасности производства и промышленной экологии, тел.: 79603978777, e-mail: elizariev@mail.ru
Elizarjev Alexei Nikolaevich, Candidate of Geography, associate professor, deputy head of Production Safety and Industrial Ecology chair, tel.: 79603978777, e-mail: elizariev@mail.ru
3Фащевская Татьяна Борисовна, кандидат географических наук, доцент кафедры безопасности производства и промышленной экологии, тел.: 7(347)2723633, e-mail: bgd-USATU@yandex.ru
Faschevskaya Tatiana Borisovna, Candidate of Geography, associate professor of Production Safety and Industrial Ecology chair, tel.: 7 (347) 2723633, e-mail: bgd-USATU@yandex.ru
"Красногорская Наталия Николаевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой безопасности производства и промышленной экологии, тел.: 7(347)2735333, e-mail: bgd-USATU@yandex.ru
Krasnogorskaya Natalia Nikolaevna, Doctor of technical sciences, professor, head of Production Safety and Industrial Ecology chair, tel.: 7 (347) 2735333, e-mail: bgd-USATU@yandex.ru
ми. Усредненный качественный состав фильтрата настоящее время нет, что обуславливает и отсутствие представлен в табл. 1 [2]. универсальных методик или рекомендаций к расчету.
Таблица 1
Усредненный состав фильтрата объекта складирования ТБО [2]_
Загрязняющие компоненты фильтрата ПДКрх* Возраст объекта ТБО Превышение ПДКрх, раз
0-5 лет 5-20 лет 0-5 лет 5-20 лет
БПК5, мг О2/дм3 2 10636,7 671,0 5318,3 335,5
ХПК, мг О2/дм3 15 26802,0 2277,2 1786,8 151,8
Б042", мг/дм3 100 3366,8 264,9 33,668 2,6
Си2+, мг/дм3 0,001 0,1 0,207 100,0 207,0
С1-, мг/дм3 300 4319,7 1239,5 14,3 4,1
N4"+, мг/дм3 0,5 599,4 362,8 1198,8 725,6
2п2+, мг/дм3 0,01 4,68 0,59 468,0 59,0
Реобщ, мг/дм3 0,1 60,7 15,0 607,0 150,0
Предельно-допустимая концентрация загрязняющих веществ
Из табл. 1 видно, что концентрация загрязняющих веществ в фильтрате превышает ПДКрх в несколько раз (от 2,6 до 5318), что представляет экологическую опасность для качественного состояния поверхностных водных объектов. Особенно загрязнен фильтрат тяжелыми металлами, органическими веществами, азотом аммонийным. Анализ разработанности темы показал, что многие исследователи выделяют следующие особенности влияния объектов накопления отходов [2... 4]:
• поверхностные водотоки вблизи захоронений -средне-сильнозагрязненные (по суммарному показателю загрязнения тяжелыми металлами);
• на участках расположения массивов твердых бытовых отходов (ТБО) загрязнены не только четвертичные водоносные горизонты, но и питьевые каменноугольные водоносные горизонты, которые не защищены от загрязнения;
• гидросфера испытывает наибольшее влияние крупных захоронений со смешанным составом отходов, т.к. в фильтрате присутствует значительное количество различных загрязнителей.
В связи с повышенной экологической опасностью захоронений отходов необходимо проведение комплекса технических и организационных мероприятий по снижению негативного воздействия фильтрационных вод. Выбор технологии очистки фильтрата осложняется неравномерностью образования фильтрата в течение года в зависимости от климатических особенностей территории, а также многокомпонентным составом и высокими концентрациями загрязнителей. В связи с этим при отсутствии единого комплексного подхода к определению опасности фильтрата в России большинство мероприятий по стабилизации экологической обстановки вблизи полигонов и свалок ТБО сводятся не к очистке, а к локализации фильтрационных вод в прудах-накопителях.
Для рациональной организации комплекса средо-защитных мер на объекте захоронения отходов как на стадии проектирования (дренажная система), так и на стадии эксплуатации (строительство прудов-накопителей) требуется определение объема образования фильтрата. Однако анализ литературных источников показал, что единого подхода к оценке величины объема образования свалочного фильтрата в
в воде водных объектов рыбохозяйственного значения.
На основании изучения зависимости объемов образования фильтрата от условий его формирования авторами предложен следующий подход к определению объема образования фильтрата, представленный в виде уравнения водного баланса территории полигона отходов (м3/год):
АО+ВО=ФВ+ПС+ИВ+ВВ, (1)
где АО - среднегодовой объем атмосферных осадков; ВО - объем влаги, содержащейся в отходах; ФВ -объем образующихся фильтрационных вод (дренаж и фильтрат); ПС - поверхностный сток с тела объекта; ИВ - объем влаги, испарившейся с поверхности ТБО; ВВ - объем влаги, впитывающейся отходами в теле объекта.
Схема водного баланса полигона ТБО графически интерпретирована на рис. 1.
Атмосферные осадки
Испарившаяся (АО)
Фильтрат \ J (фв>
: Дренаж (ФВ)
Рис. 1. Схема водного баланса объекта накопления отходов
Как видно из рис.1, при составлении уравнения водного баланса территории полигона отходов фильтрационные воды условно разделяются на фильтрат, поступающий в грунтовые воды, и фильтрат, поступающий в дренаж, локализованный в пруд-накопитель. Суммарную величину объема образования фильтрата предлагается рассчитывать по следующей формуле (м3/год):
УОТ - Я-13
от (2)
Уф =
Н -1000
Таблица 2
Среднемесячные значения потенциального объема фильтрата (тыс.л), образующегося в исследуе-_мые периоды (1956-1984 гг. - период 1,1985-2007 гг. - период II)_
Месяц Обеспеченность, %
1 5 25 50 75 95 99
I II I II I II I II I II I II I II
Янв. 445,9 495,9 354,9 423,1 236,6 309,4 168,3 232,0 106,9 154,7 36,4 53,2 0 0
Февр. 582,4 354,9 414,0 313,9 204,7 245,7 111,5 191,1 54,6 131,9 22,7 40,9 0 0
Март 382,2 564,2 288,9 409,5 179,7 222,9 120,6 122,8 77,3 54,6 36,4 4,5 0 0
Апр. 491,4 500,5 354,9 386,5 193,4 234,3 113,7 145,6 51,1 72,8 22,7 4,5 4,5 0
Май 468,6 477,7 368,5 416,3 236,6 309,4 154,7 225,2 86,4 131,9 4,5 4,5 0 0
Июнь 723,4 819,0 568,7 655,2 359,4 427,7 241,1 291,2 150,1 177,4 54,6 77,3 18,2 9,1
Июль 809,9 796,2 641,5 614,2 409,5 368,5 273,0 236,6 159,2 141,0 22,7 63,7 0 45,5
Авг. 773,5 568,7 568,7 495,9 336,7 364,0 218,4 263,9 141,0 163,8 86,4 9,1 68,2 0
Сент. 591,5 900,0 461,8 641,5 284,4 345,8 200,0 200,0 113,7 109,2 18,2 50,0 0 0
Окт. 632,4 682,5 514,2 555,1 364,0 368,5 273,0 247,9 191,1 136,5 97,8 18,2 4,5 0
Нояб. 518,7 737,1 418,6 568,7 288,4 345,8 209,3 213,8 136,5 113,7 54,6 22,7 9,1 0
Дек. 509,6 700,7 409,5 532,3 277,5 327,6 195,6 218,4 118,3 147,8 27,3 50,0 0 40,9
где УОТ - объем отходов, складированных на участке, м3; Я - количество атмосферных осадков, мм/год; Н -высота (глубина) участка захоронения, м.
Предложенный подход учитывает не только количество атмосферных осадков, но и объем складированных отходов и высоту полигона, которые определяют количество влаги, аккумулирующейся в теле полигона и не попадающей в фильтрат. Для повышения оперативности расчетов при определении внутригодо-вой динамики образования фильтрата предложенная модель водного баланса полигона реализована в программе для ЭВМ «Оценка воздействия фильтрата складированных твердых бытовых отходов на водные ресурсы» (свидетельство Роспатента №2009614841 от 07.09.2009 г.).
Апробация разработанной модели водного баланса территории полигона отходов с целью оценки его влияния на поверхностные водные объекты проведена для полигона «Черкассы» г. Уфы (Российская Федерация). Климатическими особенностями территории Уфы являются значительные внутригодовые и межгодовые колебания температуры и количества осадков
[5].
Уфимская городская свалка, расположенная в северной части Уфы, эксплуатируется с 1962 г. и занимает территорию около 94 га. Объем накопленных к настоящему времени отходов составляет более 7 млн.м3. Полигон расположен на левом берегу р. Шугу-ровка выше Южного городского водозабора на р. Уфа. Схема междуречья в районе свалки представлена на рис. 2.
Основная часть свалки расположена на водосборе ручья Фирсов овраг, впадающего в р. Шугуровка. Площадь водосбора ручья Фирсов овраг 8.9 км , максимальный расход в ручье 0,15...0,2 м3/с, в межень -0,017...0,025 м3/с. Абсолютные высотные отметки колеблются от 80.85 м (урезы рек Белая и Уфа) до 116.130 м (урезы рек Шугуровка, Фирсов ручей), 142
м (нижние пруды-накопители) и 187 м (верхние пруды-накопители). Свалка бытовых отходов находится на отметках 165.191 м.
Рис. 2. Схема междуречья р.Шугуровка - Фирсов овраг:
1 - водоисточники: а - скважина, б - источник, в -колодец; 2 - пруды-накопители; 3 - защитные пруды; 4 - водопост; 5 - свалка; 6 - граница защитных мероприятий; 7 - линия гидрогеологического разреза
Для оценки внутригодовой динамики объема фильтрата полигона ТБО «Черкассы» построены теоретические кривые обеспеченности среднемесячных
350 п
Яне.
Фев. Март Апр.
Май
Июнь Июль
Авг.
Сент
Сист.
Нояб.
Дек.
-Естественный период (1956-1111 )--"Климатические изменения (19Й5-2007гг.)
Рис. 3. Внутригодовая динамика потенциальных объемов фильтрата полигона ТБО «Черкассы» (среднемесячные осадки 50%-ной обеспеченности)
значений количества атмосферных осадков в Уфе (рис. 3) за период 1956-2007 гг. (по данным Баш.УГМС). В исследуемом периоде для учета климатических изменений, выявленных в [5], выделены два этапа:
- 1956-1984 гг. - период условно принят за естественный, средняя величина количества осадков 544 ± 16 мм (период I);
- 1985-2007 гг. - период климатических изменений, средняя величина количества осадков 608 ± 24 мм (период II).
Для каждой кривой обеспеченности проведен расчет среднего значения, коэффициента вариации и асимметрии, по которым определено количество атмосферных осадков в районе Уфимской городской свалки в диапазоне варьирования 1-99% обеспеченности. По полученным результатам с помощью разработанной программы для ЭВМ «Оценка воздействия
фильтрата складированных твердых бытовых отходов на водные ресурсы» рассчитаны потенциальные объемы фильтрата полигона ТБО «Черкассы». Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Для оценки влияния климатических изменений на объем фильтрата полигона ТБО «Черкассы» (г.Уфа) на рис.3 приведена графическая интерпретация внут-ригодовой динамики объема фильтрата при среднемесячных осадках 50%-ной обеспеченности (т.е. повторяющихся каждые 2 года).
Как видно из рис. 3, климатические изменения привели к увеличению объемов фильтрата в период с января по июнь, а также в августе и декабре в среднем на 37,08 тыс.л/мес. Однако в июле и октябре наблюдается снижение объемов в среднем на 30,75 тыс.л/мес.
Анализ потенциальных объемов фильтрата полигона «Черкассы» не учитывает вид выпавших в раз-
-1В56-1934 --11985-2С07
Рис. 4. Внутригодовая динамика реальных объемов фильтрата полигона ТБО «Черкассы» (среднемесячные
осадки 50%-ной обеспеченности)
личные времена года осадков. Так, например, осадки в твердом виде, выпавшие в зимний период (декабрь, январь, февраль), накапливаются на поверхности полигона и в весенний период суммируются с осадками, выпавшими в жидком виде. В связи с этим, рассчитана внутригодовая динамика реальных объемов образования фильтрата с учетом выпадения осадков в твердом или жидком виде (рис. 4).
Как видно из рис. 4, при весеннем снеготаянии (апрель-май) происходит интенсивное поступление фильтрата в зону подземного питания поверхностного водного объекта, что повышает риск его загрязнения.
Необходимо отметить, что опасность или риск загрязнения поверхностных водных объектов фильтратом определяется не только количественным показателем (объемом фильтрата), но и качественным (составом фильтрата). Однако состав фильтрата также отличается нестабильностью во времени и существенно изменяется для каждой конкретной свалки/полигона. В качестве комплексного критерия оценки загрязненности фильтрационных вод, позволяющего судить о степени опасности фильтрата, авторами предлагается использование индекса загрязненности фильтрата (ИЗФ), определяемого по формуле:
1 п г
ИЗФ =1 -У—(3)
п £ ПДК к '
где с, - концентрация ¡-го компонента в фильтрате; п -число показателей, используемых для расчета ИЗФ; ПДК, - значение ПДК для ¡-го компонента (для отражения уровня экологической опасности предложено использовать ПДК для водных объектов рыбохозяйст-венного значения).
По формуле (3) на основе данных [3,4,6.8] проведен расчет ИЗФ для 74 полигонов ТБО, расположенных в Российской Федерации, Казахстане, Великобритании, Южной Африке, Китае, Новой Зеландии и др., в том числе для полигона «Черкассы». На основании результатов расчета проведено ранжирование объектов захоронения отходов по степени загрязненности образующегося на них фильтрата. Предложено результаты анализа ранжирования представить в виде классификации загрязненности фильтрата (табл. 3).
Как видно из табл. 3, рассчитанный ИЗФ изменяется в пределах 1.100000. Наиболее опасные объекты захоронения отходов (VII класс опасности) расположены в Малайзии, Великобритании, Южной Африке. Проведен анализ распределения объектов захоронения отходов по классам загрязненности ФВ, результаты которого представлены на рис. 5.
40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%
ГР -Н |
IV V VI VII
Рис. 5. Распределение объектов захоронения отходов по классам загрязненности ФВ
Из рис.5 видно, что наиболее многочисленным является IV класс загрязненности ФВ. Расчет ИЗФ полигона «Черкассы» показал, что Уфимский полигон относится к четвертому классу - «Очень грязные».
Степень опасности фильтрата для водного объекта определяется не только качественным составом фильтрата (характеризуемым ИЗФ), но также способностью водотока или водоема к самоочищению. Среди физических, химических и биологических факторов самоочищения особую роль играют физические, такие как разбавление, растворение, осаждение и перемешивание поступающих загрязнений. Таким образом, эффективность самоочищения будет зависеть от глубины и гидродинамических условий (режима и скорости течения, расхода воды и т.д.). Для реки величина стока является также и средообразующим фактором, поэтому наиболее объективно отражает самоочищающую способность водотока. В связи с этим при оценке экологического риска загрязнения водного объекта фильтратом авторами предложено рассчитывать степень опасности фильтрата (СОФ) по формуле
ИЗФ
СОФ = V
ф
Ж
(4)
где Vф - годовой объем образования фильтрата на объекте захоронения, м3; W - годовой объем стока поверхностного водного объекта, м3.
Таким образом, разработанная методика комплексной оценки загрязненности фильтрационных стоков захоронений отходов включает несколько основных этапов:
1. Сбор, обработка и анализ базы данных гидрологических характеристик водных объектов, метеорологических параметров территории и особенностей объекта захоронения отходов (полигона), в т.ч. качественного состава фильтрата.
Таблица 3
Классификация объектов захоронения отходов и образующихся фильтрационных вод (ФВ)
Фильтрационные воды Значения ИЗФ Классы загрязненности ФВ Объекты захоронения отходов
Условно чистые Менее 1 I Неопасные
Умеренно загрязненные 1.10 II Тревожные
Загрязненные 10.100 III Малоопасные
Грязные 100.1000 IV Опасные
Очень грязные 1000.10000 V Весьма опасные
Чрезвычайно грязные 10000.100000 VI Чрезвычайно опасные
Катастрофически грязные Свыше 100000 VII Катастрофически опасные
2. Построение вероятностной модели внутригодо-вой динамики объемов образования фильтрата (потенциального и реального) на основе расчета водного баланса полигона (по формулам 1 и 2) с учетом климатических особенностей территории.
3. Определение индекса загрязненности фильтрата полигона (по формуле 3) и, при наличии многолетних или ежемесячных данных, оценка его динамики.
4. Построение вероятностной модели изменения степени опасности фильтрата, рассчитываемой по формуле 4, с учетом особенностей гидрологического режима поверхностного водного объекта (приемника
Библиографический список
фильтрата), качественного и количественного составов фильтрата и климатических изменений.
Таким образом, использование предложенной методики при управлении рисками загрязнения водных объектов в районах складирования отходов позволит картировать территорию по степени экологической опасности для того, чтобы оптимизировать и научно обосновать выбор технологии очистки фильтрата. Использование предложенной методики станет также эффективным инструментом оценки и природоохранного мониторинга водных объектов.
1. Final report of the 5m World Water Forum, Istanbul. 2009. Р. 192.
2. Кияшко И.Ю., Елизарьев А.Н., Красногорская Н.Н. Проблемы складирования отходов производства и потребления в России и пути их решения // Материалы V Междунар. на-учно-техн.конф. «Наука, Образование, Производство в решении экологических проблем (Экология-2008)». Уфа: УГА-ТУ, 2008. Т. 2. С. 203-210.
3. Robinson H. A review of the composition of leachates from domestic wastes in landfill sites. Report No. CWM 072/95 // Waste technical division, Environment Agency. August 1996. P. 500.
4. Christensen T., Cossu R., Stegmann R. Lanffilling of waste: Leachate. London: Chapman & Hall, 1992. P. 520.
5. Оценка изменения руслоформирующих характеристик реки Белой под влиянием различных факторов (на примере участка в районе г. Уфы) / Э.Р.Янгирова [и др.] // Материалы V Междунар. научно-техн. конф. «Экология-2008». Уфа: УГАТУ, 2008. Т. 2. С. 107-115.
6. Технологии автоматизированного управления полигоном ТБО / Н.И.Артемов [и др.]. Пермь: НИИУМС, 2003. С. 266.
7. Robinson H. The composition of leachates from very large landfills: an international review // CWRM, UK: IWM Business Services Ltd. June 2007: Volume 8. P. 19-32.
8. Carville M., Robinson H. Leachate treatment // Waste Management World. November 2005: Volume 6. P. 54-61.
УДК 550.8:519:681.3
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ХРАНЕНИЯ МАССОВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ
А.В.Королёва1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен способ организации хранения массовых геолого-геофизических данных, реализованный в виде технологии создания региональных и целевых баз данных. Разработанное программное обеспечение включено в программный комплекс GIA («Геоинформационный анализ»). Благодаря этому обеспечена интеграция поиска данных с их обработкой и использованием для прогнозирования геологических объектов. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: региональные базы геофизических данных; геоинформационный анализ; поисковые образы; локальные базы данных.
SOFTWARE FOR STORAGE ORGANIZATION OF MASS GEOPHYSICAL DATA A.V. Koroleva
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author considers the method of storage organization of the mass geological and geophysical data, implemented as a technology to create regional and target databases. The developed software is included in the software package GIA («Geoinformational analysis»). This ensured the integration of data search with their processing and use of geological objects for forecasting. 3 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: regional geophysical databases; GIS analysis; search images; local databases.
Актуальность организации хранения массовых геофизических данных обосновывается тем, что в своей работе геофизические предприятия используют массовые данные, на получение которых затрачиваются огромные средства при проведении поисково-
разведочных работ на обширных территориях. Поэтому проблема сохранения этих данных с целью последующего комплексного анализа совместно с новой информацией является чрезвычайно важной.
Идеологию анализа геолого-геофизических дан-
1Королёва Анжела Владимировна, аспирант, старший преподаватель кафедры информатики, тел.: (3952) 405183, e-mail: k.a.angelik@mail.ru
Koroleva Angela Vladimirovna, postgraduate student, senior lecturer of Information Science chair, tel.: (3952) 405183, e-mail: k.a.angelik @ mail.ru
