CC BY
91
Геоэкология
DOI: 10.24411/1816-1863-2019-13022
A. А. Музалевский, д. т. н., профессор, гл. н. с. СПБПУ, профессор кафедры экологии и биоресурсов. Российский государственный гидрометеорологический университет, muzalev@rshu.ru,
г. Санкт-Петербург, Россия,
М. П. Федоров, д. т. н, профессор, академик РАН, президент,
Санкт -Петербургский политехнический университет Петра Великого,
M.Fedorov@spbstu.ru, г. Санкт-Петербург, Россия,
B. В. Сергеев, д. т. н., профессор, член-корр. РАН, проректор по научной работе, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, VitaliSergeev@spbstu.ru, г. Санкт-Петербург, Россия
Дана краткая характеристика полигонов захоронения твердых бытовых отходов вокруг Санкт-Петербурга. Описаны основные процессы, происходящие в теле полигонов. Выделены и характеризованы актуальные риски, связанные с их генезисом, при обращении отходов, в том числе обусловленные внедрением технологий по вторичному использованию их в системе жилищнокоммунального хозяйства. Для описания процессов и явлений использована модель модифицированной природно-технической системы, о которой мы рассказывали ранее. Приведенные ниже данные относятся к временному интервалу порядка 40 лет.
Введены и определены два режима функционирования полигонов и зарождения рисков как в нештатных ситуациях, так и в штатном режиме. Разработаны сценарии появления и развития рисков в обеих ситуациях НС и режимах.
A brief description of the landfill of solid household waste (MSW) around St. Petersburg is given in the article. The main processes occurring in the body of polygons are described. The current risks associated with their genesis in the treatment of solid waste, including those caused by the introduction of technologies for the secondary use of solid waste in the system of housing and communal services (HCS), are identified and characterized. To describe the processes and phenomena, the model of the modified natural-technical system (PTS), described by us earlier is used. The data below refer to a time interval of about 40 years.
Two modes of functioning of solid waste landfills and risk generation have been introduced and defined, both in emergency situations (NS) and in standard mode (SR). Scenarios of the emergence and development of risks in the situations of NA and SR have been developed.
Ключевые слова: полигоны, природно-техническая система и ее модель, процессы на полигонах, экологические риски, генезис рисков, штатный режим функционирования полигонов, нештатные и чрезвычайные ситуации.
Keywords: landfills, natural-technical system and its model, processes at landfills, environmental risks, risk genesis, regular operation of landfills, abnormal and emergency situations.
УДК 338.012
РИСК-АНАЛИЗ МОДЕЛИ ПОЛИГОНОВ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ ВОКРУГ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
22
Введение. По распространенной практике ТБО на конечном этапе их д вижения размещаются на специально обустроенных территориях, называемых полигонами, которые представляют собой серьезные источники экологической опасности и относятся к объектам повышенного риска [1—5].
В работах [1—6] показано, что в системе жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) в сфере обращения с разными видами отходов процессы, даже происходя-
щими в штатном режиме (ШР), всегда генерируют многочисленные риски.
Выявить и идентифицировать риски опасных явлений и связанных с ними нештатных ситуаций (НС) в некоторых случаях м ожно заблаговременно [2]. Возможно разработать сценарии возникновения и развития нештатных ситуаций, что дополнительно повышает степень готовности систем управления к м инимизации актуальных рисков. Риск может быть снижен также в результате разработки
Схема существующего материального баланса ТБО
превентивных мер путем применения новых технологий, позволяющих повысить эффективность процесса обращения ТБО [7-9].
Особенности риска НС существенно зависят от того, каково явление по генезису, в чем проявляется его воздействие на окружающую среду (ОС), какие последствия оно порождает [1—6, 7—10].
В плане моделирования полигоны могут рассматриваться как природно-технические системы (ПТС) [6]. Это обстоятельство должно быть учтено при разработке базовых элементов и информационных блоков специальных схем, создаваемых для решения задачи оценки и управления рисками в условиях ШР и НС [1—3].
В этой связи в статье поставлена задача: описать и классифицировать основные виды рисков, появляющихся в результате функционирования полигонов ТБО. Разработать сценарии их возникновения и развития НС с учетом включения в процесс обращения ТБО технологий по их вторичному использованию.
1. Твердые бытовые отходы Санкт-Петербурга. Накопление ТБО в современном российском городе достигает 200—300 кг на человека в год, а ежегодный рост образования отходов (по объему) на душу населения может составлять 4—6 % [4]. Как правило, часть ТБО (от 15 до 70 % от общего объема образования) подвергается переработке на специализированных предприятиях, частично вывозится на по-
лигоны, при этом часть отходов до полигонов не доезжает и нелегально сбрасывается в самых неподходящих для этого для этого местах (по оценкам, около 10 %). Ежегодно население Санкт-Петербурга образует более 8 млн м3 (порядка 1,7 млн т) ТБО [1—2, 4]. Учет образования ТБО ведется в кубометрах. Норматив накопления ТБО на 1 жителя составляет 1,88 м3 в год, рост этого показателя с 2002 г. по настоящее время составил порядка 45 %. В Ленинградской области образуется 1,5 млн м3 или 805 тыс. т отходов, норматив накопления в расчете на 1 жителя составляет 0,91 м3 [1, 2, 4].
2. Захоронение отходов на полигонах.
Санкт-Петербургу принадлежат три полигона для захоронения отходов (рисунок) [1,4]. Однако перспектива их использования ограниченна.
Полигон «Южный» (ПТО-1), расположенный в районе Волхонского шоссе на территории Ленинградской области, у самой границы Петербурга, эксплуатируется с 1978 г. На занимаемой им площади в
34,5 га к 2000 г. накоплено 28,4 млн м3 отходов (при емкости полигона 25 млн м3). Высота свалочных масс на полигоне местами превышает 26 м. Эксплуатация полигона в его сегодняшнем виде завершена.
Полигон ПТО-2 «Северная Самарка» площадью 60 га находится во Всеволожском районе Ленинградской области, в 20 км от границы Санкт-Петербурга. Он создан в 1970 г. для размещения строи-
23
Геоэкология
Геоэкология
тельно-промышленных отходов Санкт-Петербурга и принимает бытовые отходы только от г. Всеволожска.
Земли для размещения самого большого полигона ПТО-3 «Новоселки» (92,5 га) были в свое время (1972 г.) выбраны неудачно, т. к. неудовлетворительная гидрогеологическая ситуация в районе его расположения приводит к заметному загрязнению почвенных вод вблизи полигона веществами, содержащимися в фильтрате свалочных масс. Общая площадь, занятая тремя ныне действующими полигонами, обслуживающими Санкт-Петербург, составляет 187 га. На них накоплено около 80 млн м3 отходов.
На всех полигонах применяются мероприятия по минимизации негативного воздействия на ОС — защитные экраны (горизонтальный и вертикальный при необходимости), система сбора, отведения и очистки загрязненных сточных вод, система сбора и обработки биогаза [4].
На большинстве полигонов первичная операция связана с их размещением и уплотнением с помощью бульдозеров [2], что позволяет достичь плотности массы отходов в пределах 0,8—1,2 т/м3 внутри основного тела полигона. Отходы размещают л ибо в траншеях д вухметровым слоем, либо на поверхности почвы слоем в 30 см и накрывают почвой или еще лучше — глиной (60 см). Практика показывает, что невозможно абсолютно надежно изолировать отходы, однако ограничение проницаемости в пределах 10-8—10—9 м/с можно считать приемлемым. Эта информация основана на относительно краткосрочных наблюдениях (до 50 лет), и пока не существует надежных прогнозов на ближайшие 100 лет и более длительный период.
Пример Западной Европы показывает, что экологические риски при функционировании полигона при правильном обращении с отходами на всех этапах, начиная с этапа сбора, могут быть приведены к вполне приемлемому уровню (В РФ согласно [2] этот уровень в ш кале 0—1 равен примерно 0,3—0,4). К сожалению, обоснованное недоверие населения России к таким объектам (перед их глазами действующие полигоны, которые больше похожи на свалки) привело к тому, что открытие новых полигонов становится все более и более сложным делом [1, 2].
3. Процессы, происходящие на полигонах ТБО. Таковые, в первую очередь, определяются количеством ТБО, их морфологическим составом и свойствами. На полигонах ТБО последовательно проходят через несколько стадий разложения [2]:
— в течение кратковременной аэробной фазы сразу после размещения отходов их органические составляющие под воздействием кислорода воздуха превращаются в углекислый газ и воду;
— в течение первой анаэробной фазы возрастает активность ферментирующих и ацидообразующих бактерий; формируются летучие жирные кислоты, которые подкисляют реакцию среды и увеличивают подвижность тяжелых металлов;
— в следующей фазе анаэробного разложения возрастает активность метано -образующих микроорганизмов, тогда как подвижность тяжелых металлов снижается вследствие формирования их сульфидов;
— в дальнейшей фазе стабилизируется формирование метана, содержание которого составляет 50—60 % от общего образования газов, и уменьшается формирование жирных кислот и водорода;
— в конце процесса разложения в теле полигона остаются лишь трудноразлагаемые и неразлагаемые вещества, постепенно атмосферный азот и кислород проникают вглубь полигона.
В течение кислотной ферментации содержание СО2 постепенно возрастает, также процесс сопровождается увеличением образования метана. Объем образующегося газа составляет 40—300 м3 на тонну отходов, продолжительность образования газов в целом оценивается в 10—25 лет. Однако объем газа, который может быть собран, существенно ниже и составляет 2—3 м3/(т - год).
Рискогенность, связанная с образованием газов, включают в себя [1—5, 8—10]:
— дурные запахи, особенно от продуктов, полученных на промежуточной и конечной фазах стадии кислотного разложения, таких как сероуглерод, жирные кисло- и меркаптаны;
— ухудшение здоровья людей вследствие удушающего воздействия газов;
— опасность пожаров и взрывов и ингибирование роста растений.
Просачивающиеся воды (фильтрат) характеризуются коричневым или даже чер-
ным цветом типа навозной жижи и отвратительным запахом, высоким содержанием органических и неорганических веществ, таких как хлориды, сульфаты и аммоний. Концентрация органических веществ в фильтрате зависит от стадии процесса раз-
ложения, происходящего в теле полигона, и, соответственно, от возраста полигона. Воды, вытекающие из «молодых» полигонов, обогащены органическими кислотами (ХПК доходит до 110 000 мг/л, БПК — 50 000 мг/л). При старении поли-
Возможные сценарии нештатных ситуаций
№ Сценарий Краткое описание сценария
1 Сценарий 1 — Rp Разрушение тела полигона, осыпание верхней части полигона, разброс ТБО на площади большей, чем разрешенная Сценарий определяется причинами природного характера и ч еловеческого фактора: экстремальными л ивневыми осадками редкой повторяемости, образованием большого количества ливневых вод при быстром таянии аккумулированного снежного покрова на территории полигона)
2 Сценарий 2 — Я2. Нарушение герметичности подземных тоннелей (канав), в которых лежит тело полигона, вследствие неотектонических явлений Вероятность формирования сценария неясная. В случае возникновения наиболее возможны (с вероятностью до 1-10-5 раз в год) тектонические нарушения магнитудой до 4,0 баллов, что было зафиксировано в районе Санкт-Петербурга [3]
3 Сценарий 3 — R3. Фильтрация загрязненных сточных вод посредством водоотводных каналов и через приповерхностный почвенный слой в окружающую среду Повышенная увлажненность территории расположения полигона, попадание поверхностного стока с прилегающей территории, отсутствие очистных сооружений, способных исключить распространение загрязненных ливневых вод. Наиболее вероятны в весенний и осенний периоды года
4 Сценарий 4 — R4. Атмосферный перенос от объектов обращения с ТБО Контактными зонами риска являются открытые поверхности полигона. Наиболее массовыми и токсичными соединениями, выделяющимися в атмосферу, являются этил- и бутилацетат, метан, возможно, фенолы
5 Сценарий 5 — R5. Возникновение крупных возгораний на полигоне размещения ТБО Залповые выбросы. Сценарий определяется в основном нарушениями при определении состава и свойств ТБО, принимаемых на полигон, вследствие чего легко воспламеняемые вещества могут попасть в тело полигона. Причиной возгорания может стать нарушение технологических регламентов
6 Сценарий 6 — R$. Аварии при транспортировке отходов на полигон и их размещении на разрешенных площадях Данный сценарий относится к группе залповых выбросов. Сценарий определяется причинами техногенного или антропогенного характера (нарушение правил перевозки ТБО, в том числе и в результате несоблюдения правил дорожного движения) [4]
7 Сценарий 7 — R7. Выброс загрязняющих веществ в результате экстремальных природных явлений (смерчи, ураганы, землетрясения) или событий техногенного характера (падение самолета, террористический акт) Развитие событий по этому сценарию относится к первой группе событий (залповые выбросы). Причинами могут быть экстремальные м етеорологические явления (например, ураган или смерч). Хотя вероятность возникновения таких процессов невелика, но сама возможность их, очевидно, существует
8 Сценарий 8 — Rg. Аварии при осуществлении процессов переработки отходов Сценарий сформирован для будущих рисков, которые возникают на полигоне после пуска в эксплуатацию экспериментального предприятия по очистке биогаза. Такой риск можно оценить только приблизительно
9 Сценарий 9 — Rg. Инциденты на рекультивируемых участках полигона ТБО При ускоренной рекультивации полигонов ТБО и недостаточной технологической проработке этого процесса возможно продолжение и усиление явлений, в ограниченном объеме наблюдавшихся на полигонах ТБО. Возможные инциденты: 1) выдавливание содержимого полигона на поверхность; 2) осадки поверхности; 3) газовые выбросы; 4) пожары
25
Геоэкология
Геоэкология
26
гона содержание легкоразлагаемой органики уменьшается [2—4].
4. Прогноз подвижности поллютантов.
Достоверность прогноза уменьшается с увеличением времени. Качественные и количественные характеристики химического состава просачивающихся вод полигонов могут относиться лишь к уровню прогноза от нескольких месяцев до десятков лет. Долговременный прогноз (сотни, тысячи лет) может быть сделан на основе общих геологических и биогеохимических представлений о минералогенезе в земной коре.
На практике геохимический и биогеохимический прогнозы поведения поллютантов могут быть сделаны на основе таких показателей, как редокс-потенциал, возможность образования органо-металлических комплексов и потенциал подкисления. Величина рН во многих случаях является решающим фактором, поскольку миграция почти всех тяжелых металлов резко возрастает в кислых условиях. Следовательно, долговременный прогноз изменения величины рН позволит с определенной надежностью предсказывать возможность вымывания тяжелых металлов из тела полигона [2, 4].
5. Сценарии развития нештатных ситуаций, связанных с возможным попаданием загрязняющих веществ в окружающую среду. К развитию НС на полигоне ТБО может привести следующий набор природных и техногенных процессов и явлений:
а) редкие природные явления: 1) интенсивные (экстремальные) осадки; 2) смерчи, ураганы и шквалы; 3) тектонические процессы;
б) продолжительные (частые) природные явления: 1) микротрещиноватость пород в районе полигона; 2) фильтрация грунтовых вод в поверхностном слое почвы;
в) техногенные процессы: 1) нарушения технологических регламентов на разных стадиях обращения с отходами (антропогенные факторы); 2) износ и старение материалов, оборудования и сооружений; 3) другие виды антропогенного и техногенного воздействия (например, террористический акт).
Возможные НС ситуации также могут быть сгруппированы по длительности их реализации.
Первая группа — залповые выбросы. Кратковременные интенсивные выбросы загрязняющих веществ могут быть вызваны различными причинами.
Вторая группа — продолжительное воздействие полигона на природную среду, обусловленное постоянно протекающими в нем процессами.
В этой связи разработан набор возможных сценарных условий развития НС, связанных с попаданием загрязняющих веществ в окружающую среду при функционировании полигона ТБО. При разработке сценариев были использованы также материалы экспертных оценок, полученных соответствующими службами города [1, 3, 6].
Возможные сценарии НС представлены в таблице. При этом с каждым сценарием под тем же номером мы будем связывать соответствующий риск R (i = 1...9), который далее надлежит оценить методом матриц риска совместно с методом экспертных оценок.
Выводы
1. Положение дел в области обращения ТБО в Санкт-Петербурге и на прилегающей территории продолжает оставаться напряженным. Необходимо срочное открытие 4-го полигона по захоронению и утилизации ТБО. Решение этого вопроса наталкивается на трудности организационного, финансового и политического характера.
2. Применение к полигонам ТБО модели природно-технической системы подтверждает возможность ввести два режима их функционирования — штатный режим и режим нештатных ситуаций.
3. Использование рискологического подхода и рекомендаций ИСО 14000 и ИСО 90002, в частности, при проведении риск-анализа в проблеме обращения ТБО позволило получить общую характеристику рисков, генерируемых полигонами ТБО, определить их генезис и сформулировать наиболее важные сценарии возникновения и развития нештатных ситуаций, что дает еще один инструментарий лицам, ответственным за проведение экологической политики, оперативно принимать эффективные решения, связанные с процессами обращения с ТБО.
Библиографический список
1. Блинов Л. Н., Букреев В. В., Ложечко В. П. Большой город. Экология, безопасность жизнедеятельности СПб: Изд. Политехнического университета, 2014. 405 с.
2. Музалевский А. А., Карлин Л. Н. Экологические риски: теория и практика: науч. издание. СПб: Изд. РГГМУ. 2011. 448 с.
3. Мочалова Л. А., Гриценко Д. А., Юрак В. В. Система обращения с твердыми коммунальными отходами: зарубежный и отечественный опыт // Известия УГГУ, вып. 3 (47). 2017. С. 97—101.
4. Скорик Ю. И. Единая политика обращения с отходами в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. СПБ: НИИХХимии СПбГУ. 2000. 151 с.
5. Федеральный Закон «Об отходах производства и потребления» № 89-ФЗ.
6. Федоров М. П., Музалевский А. А. Индикаторы и индексы в моделировании природно-технических систем. // Биосфера. 2013, Т. 5, № 3. С. 311—326.
7. Alumur S., Kara B. Y. A New Model for The Hazardous Waste Location-Routing Problem. // Computers and Operations Research. — 2007. — No. 34 (5). — P. 1406—1423.
8. Cohrssen J. J., Covello V. T. Risk Analysis: A Guide to Principles and Methods for Analyzing Health and Environmental Risks. — Washington, D. C.: Council on Environmental Quality. — 1989. — 409 p.
9. Giannikos I. A Multiobjective Programming Model for Locating Treatment Sites and Routing Hazardous Wastes. // European Journal of Operational Research. — 1998. — No. 104. — P. 333—342.
10. Hazardous Waste and Solid Waste. Ed. By Liu D. H. F. and Liptak B. G. — Boca Raton (Florida): Lewis Publishers. — 2000. — 273 p.
RISK ANALYSIS OF POLYGON MODEL OF SOLID WASTE IN THE VICINITY OF ST. PETERSBURG
A. A. Muzalevsky, Doctor of Technical Sciences, Professor, Principal Research Scientist of SPBPU, Professor of the Department of Ecology and Bioresources Russian State Hydrometeorological University, muzalev@rshu.ru, Saint-Petersburg, Russia,
M. P. Fedorov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician of RAS, President of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, M.Fedorov@spbstu.ru,
Saint-Petersburg, Russia,
V. V. Sergeev, Doctor of Technical Sciences, Professor, Corresponding Member. RAS, vice-rector for scientific work of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, VitaliSergeev@spbstu.ru, Saint-Petersburg, Russia.
References
1. Blinov L. N., Bukreev V. V., Lozhechko V. P. Bol'shoj gorod. E'kologiya, bezopasnost' zhiznedeyat-el'nosti SPb [Big city. Ecology, life safety of St. Petersburg]: Ed. Polytechnic University, 2014. 405 p. [in Russian].
2. Muzalevsky A. A., Karlin L. N. E'kologicheskie riski: teoriya i praktika: nauch. izdanie [Environmental risks: theory and practice: scientific. Edition]. St. Petersburg: Ed. RSHU. 2011. 448 p. [in Russian].
3. Mochalova L. A., Gritsenko D. A., Yurak V. V. Sistema obrashheniya s tverdy'mi kommunal'ny'mi otkhodami: zarubezhny'j i otechestvenny'j opy't. Izvestiya UGGU [The system of management of solid municipal waste: foreign and domestic experience]. News of the USGU. Vol. 3 (47). 2017. P. 97—101 [in Russian].
4. Skorik Yu. I. Edinaya politika obrashheniya s otkhodami v Sankt-Peterburge i Leningradskoj oblasti. [Unified waste management policy in St. Petersburg and the Leningrad region]. SPB: NIIHHimiya St. Petersburg State University. 2000. 151 p. [in Russian].
5. Federal'ny'j Zakon “Ob otkhodakh proizvodstva i potrebleniya” # 89-FZ. [Federal Law “On Production and Consumption Wastes”] No. 89-FZ [in Russian].
6. Fedorov M. P., Muzalevsky A. A. [Indicators and indices in modeling natural-technical systems]. Biosphere. 2013. Vol. 5, No. 3. P. 311—326 [in Russian].
7. Alumur S., Kara B. Y. A New Model for the Hazardous Waste Location-Routing Problem. Computers and Operations Research. 2007. No. 34 (5). P. 1406—1423.
8. Cohrssen J. J., Covello V. T. Risk Analysis: A Guide to Principles and Methods for Analyzing Health and Environmental Risks. Washington, DC: Council on Environmental Quality. 1989. 409 p.
9. Giannikos I. A Multiobjective Programming for Sites and Routing Hazardous Wastes. European Journal of Operational Research. 1998. No. 104. P. 333—342.
10. Hazardous Waste and Solid Waste. Ed. By Liu D. H. F. and Liptak B. G. — Boca Raton (Florida): Lewis Publishers. 2000. 273 p.
27
Геоэкология
