Полигоны твердых бытовых отходов и их экологическая роль

Отходы гальванических производств также сливаются в карты. На полигоне производят нейтрализацию с использованием в качестве реагентов отходов других химических производств. Компоненты перемешиваются в ямах с помощью грейферов. Воду удаляют (испарением), осадок захоранивают.

К категории тяжелых металлов относят биологически активные металлы, оказывающие отрицательное воздействие на физиологические функции человека, биоты и состояние жизнеобеспечивающих природных сил. Из длинного ряда тяжелых металлов особо опасны мышьяк, кадмий, ртуть, никель, хром, которые могут вызвать тяжелые заболевания и образовывать высокие концентрации в донных осадках рек, озер, заливов и других водоемов. Сейчас доказано, что широко распространенные в ОС токсичные тяжелые металлы обладают высокой миграционной подвижностью и способностью аккумулироваться в живом организме, пищевой цепи, включаться в метаболический цикл и вызывать разнообразные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне.

Ионы тяжелых металлов не подвержены биохимическому разложению, обычно хорошо растворимы в воде и способны образовывать летучие газообразные и высокотоксичные металлоорганические соединения. Этим объясняется проникновение тяжелых металлов через органы дыхания и пищеварения незаметно для человека, так как они не имеют цвета, запаха и вкуса. Период вывода тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня очень продолжителен (период полувыведения кадмия из организма человека составляет до 30 лет) и это при условии прекращения их поступления. Тяжелые металлы активно поглощаются биотой, в частности планктоном.

При высоких концентрациях ионы металлов становятся токсичными, что вызывает функциональные деформации и даже летальный исход. Установлен синергизм накопления тяжелых металлов в организме из-за их комплексного воздействия. При синергизме эффект действия многократно усиливается (например, токсичность иона свинца усугубляется при недостатке кальция, а иона лития — при недостатке натрия).

Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточного количества цинка приводит к снижению содержания кадмия, отличающегося повышенной токсичностью. Токсичность тяжелых металлов в значительной степени зависит от химической формы нахождения их в ОС. Особенно опасны металлоорганические соединения (метилртуть, соединения свинца), а летучие металлы (ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма, селен, литий) легко проникают в организм через органы дыхания.

Источниками поступления тяжелых металлов в ОС могут быть антропогенные и природные процессы. С природными процессами связана основная масса поступления тяжелых металлов, заключенная в водах мирового океана, донных осадках, почве, почвенно-растительном покрове, атмосфере. Вулканический выброс тяжелых металлов в атмосферу в тысячи раз превосходит их поступление антропогенным путем. Глубинные металлоносные флюиды являются поставщиками тяжелых металлов в подземные воды, формируя обширные гидрогеохимические поля в артезианских бассейнах.

Во многих случаях эти воды выходят на поверхность, загрязняя тяжелыми металлами акватории, шельфы, атмосферу. Характерными для глубинных флюидных потоков являются летучие мышьяк, ртуть, литий, сурьма, кадмий, селен, таллий. Поскольку флюидная активность земли имеет ритмический и пульсирующий характер, то возможны залповые выбросы тяжелых металлов во все сферы, включая атмосферу.

Антропогенные источники тяжелых металлов разнообразны и многочисленны, поступлением ОС может осуществляться постоянно или залповыми выбросами, которые прекращаются после прекращения функционирования соответствующего антропогенного объекта. Могут появляться локальные участки загрязнения с высокими концентрациями токсических веществ и соединений. Наиболее крупными поставщиками тяжелых металлов являются ТЭЦ, автотранспорт и объекты, сжигающие топливо (уголь, мазут, дизельное топливо, бензин), которые при высокотемпературных процессах образуют газообразные (реже аэрозольные) соединения, загрязняющие значительные территории.

Доля энергетики в суммарной антропогенной эмиссии по ванадию, никелю, кобальту и сурьме превышает 75% общего поступления. Вокруг металлургических предприятий (Череповец, Норильск) существуют обширные аномальные зоны, обогащенные тяжелыми металлами. Значительную экологическую опасность представляют промышленные отходы и отвалы, обогащенные металлами, особенно с предприятий, ведущих добычу сульфидных руд. В районах нефте- и газодобычи подземные воды сильно обогащены тяжелыми металлами, которые поступают из глубины в атмосферу по околотрубным пространствам скважин и другим участкам техногенного нарушения герметичности над месторождениями газа и нефти.

Взаимодействие антропогенных и(природных источников загрязнения тяжелыми металлами создает в мегаполисах экологически опасную обстановку. Так, концентрация мышьяка, меди, цинка, хрома, свинца, никеля в донных отложениях р. Рейн за 200 лет увеличилась в 20 раз, ртути — в 50 раз, кадмия — в 100 раз. В теле современного человека свинца содержится, в 45 раз больше, чем в египетских мумиях.

Удаление тяжелых металлов из воздуха осуществляется совместно с удалением пыли, влаги, аэрозолей с помощью уже рассмотренных технологий и применением фильтров соответствующей конструкции. Из водных стоков они удаляются реагентным способом: соответствующим подбором реагента для данной группы металлов. С наибольшими трудностями связана возможность очистки почв: опыт очистки почв от радионуклидов после Чернобыльской катастрофы может быть использован при рекультивации участков земли, сильно загрязненных тяжелыми металлами. При этом основной стадией является отмывка водой и удаление растворимых соединений тяжелых металлов из воды при замкнутом водооборотном цикле.

В первоочередную задачу превращается необходимость устранения загрязнений ртутью. Актуальность этой задачи возникает как в рабочей зоне, так и в жилище человека. Именно здесь человек проводит основную часть времени, не обращая внимание на необходимость систематического проветривания помещений из-за возможного наличия загрязнения (разбитый термометр, горячая обработка металла).

Только Россия потребляет ежегодно до 400 т ртути, что приводит к образованию до 10 тыс.т ртутьсодержащих отходов (РСО) со средним содержанием в них ртути до 4%. Свои потребности в ртути Россия покрывает на 10%, а 90% — за счет импорта. Но, имея до 500 тыс. т РСО, запасы которых ежегодно пополняются на 10 тыс. т, Россия могла бы почти полностью решить проблему импорта ртути и обезвредить «экологическую бомбу замедленного Действия».

Технологии предусматривают демеркуризацию твердых отходов, выщелачивание, окисление, экстракцию и получение металлической ртути.

Основными технологиями переработки РСО являются:

1. переработка и утилизация ртутьсодержащих шламов при производстве каустической соды;
2. переработка ртутьсодержащих катализаторов;
3. переработка РСО металлургической, химической, электротехнической промышленностью;
4. переработка ртутьсодержащих ламп.

Необходимо отметить, что в России сортировке ТБО для извлечения полезных компонентов и использования их в качестве вторичного сырья внимания практически не уделяется, а только это может обеспечить быструю окупаемость строительства полигона для ТБО. Основными методами переработки ТБО (табл. 10.2) до сих пор остаются: захоронение; термические (обычно сжигание) и биохимические методы (как с получением биогаза, так и с получением; удобрений и биотоплива).

Технология	США	Англия	Франция	ФРГ	Япония
Полигон-свалка	84	90	55	78	57
Сжигание	15	9	35	20	40
Удобрения	—	1	10	2	2
Прочие методы	1	—	—	—	1

Состояние дел с переработкой отходов в России можно рассмотреть на примере самого крупного города страны — Москвы, где ежегодно образуется 2,5 млн т ТБО. Причем 90% их утилизируется на двух полигонах, а остальные — на двух мусоросжигательных заводах, оснащенных оборудованием из ФРГ и Дании или на свалках (их 90, но 63 из них не функционируют). Полигоны функционируют более 20 лет, и срок их эксплуатации заканчивается. Полигоны и заводы не обеспечивают необходимый уровень охраны окружающей природной среды.

На полигонах отсутствуют минимально необходимые природоохранительные сооружения (водоохранительные экраны, противооползневые устройства, системы отвода и обеззараживания фильтрата и поверхностных вод). Часто не проводится послойная укладка отходов с ежедневной засыпкой песком, допускается складирование до 1,5 млн т в год токсичных промышленных отходов (ТПО). Последнее обстоятельство совершенно недопустимо, так как требования к утилизации ТБО и ТПО совершенно различные и совместное их хранение не допускается по требованиям экологической безопасности.

Перспективно использовать сочетание термического метода с полигоном (на Западе это называют санитарной свалкой), оборудованном по специальной технологии. Дно полигона спланировано под небольшим уклоном и выстелено прочной полиэтиленовой пленкой. Внизу полигона выполнен сток и сборник жидкостей, фильтрующихся из отходов и грунта. Их регулярно вывозят на переработку. Дневной рацион отходов уплотняется катками, засыпается слоем глины и песка, а затем застилается новой прочной полиэтиленовой пленкой — и так каждый день.

По окончании эксплуатации полигона производится планировка рельефа, посадка растений или использование этих площадок для спорта. При этом чем лучше выполнены ежегодные работы, тем меньше вероятность просадки грунта в последующие годы. Такой полигон обходится в шесть раз дешевле строительства завода по уничтожению отходов.

Порядок выбора участка и строительство полигона (рис. 10.1) можно рассмотреть на примере опытного полигона «Красный бор» (г. Колпино). Для этого была выделена площадь в 50 га, удовлетворяющая требованиям: не затопляется паводковыми водами; отсутствуют используемые для водоснабжения водоемы и водные горизонты; вблизи поверхности расположены водоупорные грунты.

Участок ровный с уклоном на север и северо-запад. Поверхность участка и прилегающей территории заболочена, покрыта лесом и кустарником. Гидрографическая сеть отсутствует. Геологический разрез территории полигона на глубину 100 м от поверхности земли представлен четвертичными (озерно-ледниковые пески и моренные суглинки) и нижнекембрийскими осадками. Общая мощность четвертичных отложений до 4 м.

Рис. 10.1. План полигона:
1 — кольцевой канал для перехвата внешних вод; 2 — вал из кембрийской глины; 3 — дорожная сеть внутри полигона; 4 — комплекс зданий: КПП, лаборатория, административное здание; 5 — ремонтные мастерские; 6 —- комплекс сооружений участка термического обезвреживания отходов: хозяйственно-бытовые помещения и установка термического обезвреживания; 7 — котлован для приема отходов, содержащих органические соединения: выделенный — закрытый; 8 — котлован для приема отходов, содержащих особо вредные соединения: выделенный — закрытый; 9 — хозяйственно-бытовые помещения цеха приемки; 10 — котлован для приема отходов, содержащих неорганические соединения: выделенный — закрытый

Мощность озерно-ледниковых песков 0,1—2,3 м, увеличивается в северном и северо-восточном направлении. На расстоянии 400 м от контура полигона подошва водоносных озерно-ледниковых песков залегает на 0,4—1 м ниже верхней границы захоронения промышленных отходов. Пески (мелкие, средние и пылеватые) по химическому составу однородны с главными компонентами в виде оксидов (%): кремния — 84,6; алюминия — 7,65; железа — 3,5; калия — 2,4; натрия — 1,36; магния — 1,33; кальция — 1,12.

В слое озерно-ледниковых песков имеется водоносный грунтовый горизонт. Уровень воды совпадает с поверхностью земли, т.е. мощность водоносного горизонта в пределах полигона равна мощности песков, он питается в основном атмосферными осадками и в незначительной степени подземными водами с юга. Подземный поток направлен на север и северо-запад (в сторону р. Ижоры и ее притоков). Отметки уровня воды снижаются от 16,3 (на площади полигона) до 15,5 м у истока ручья, протекающего в 0,8 км к северу от полигона. Водообильность горизонта слабая.

Коэффициент фильтрации песков составляет 2—6,2 м/сут. Вода содержит сульфаты, хлориды, гидрокарбонаты, кальций, магний, натрий, нитраты (до 2%) и закисное железо (до 1%). Нижним водоупором являются моренные суглинки, залегающие на глубине 0,1-3 м. В естественном состоянии суглинки плотные с содержанием гравия и валунов (до 15%), неводоносные.

Нижнекембрийские отложения в верхней части разреза представлены «синими» глинами с глубиной залегания 1,8—4 м, увеличиваясь к северу за пределами полигона до 15 м. Уклон кровли глин на полигоне к северу (0,004-0,008). По гранулометрическому составу эти глины тяжелые, пылеватые, их консистенция твердая или полутвердая. Степень естественной уплотненности высокая. Имеет высокие водоупорные свойства (ее водопроницаемость практически равна нулю), что обеспечивает надежность обезвреживания жидких отходов при захоронении. Кембрийские глины по химическому составу довольно однородны (%): SiО2 — 83,5; А12О3 — 18,5; Fe2О3 — 9,7; K2О — 5,4; Na2О — 5,7.

Таким образом, выбранный участок по геологическому и гидрологическому строению отвечает требованиям захоронения промышленных отходов.

На полигоне была принята упрощенная технология обезвреживания промышленных отходов, сводящаяся к захоронению жидких и твердых отходов и сжиганию нефтеотходов. Извлеченная при отрывке котлованов глина использована для создания вала вокруг полигона. Чтобы предотвратить стоки загрязненных вод, глина в обваловке утрамбована. По внешнему контуру полигона сделан кольцевой канал, вода из которого собирается в ручей, отходящий на север.

Площадь полигона разделена на участки, между которыми проложены бетонированные дороги с дренажными канавами. Сбор ливневых и паводковых вод производится в общий водоприемник-испаритель, который предусматривает искусственное испарение. По периметру полигон имеет ограждение, при входе — контрольно-пропускной пункт и весовая.

При проведении исследований химического состава термически высушенных осадков на полигоне ТБО (станция аэрации г. Орехово-Зуево) в течение года позволили произвести как сезонную, так и количественную оценку биогенных элементов, наличие токсических веществ (соединений). Поступающие на станцию аэрации сточные воды на 50% состоят из различных видов промышленных стоков, что несет угрозу содержания в них токсических веществ.

Влажность ТБО в среднем составляла 3-5%, зольность — до 50%, частицы размером 1-3 мм — до 70%. Определение наличия в термически высушенном осадке железа, меди, цинка, хрома, никеля, свинца, кадмия, натрия, кальция, магния проводилось методом пламенной эмиссионной и атомно-адсорбционной спектрофотометрии; алюминия -— объемным методом с ксиленоловым оранжевым, марганца — калориметрическим с периодатом. В водных вытяжках катионы определялись с помощью спектрофотометра, хлориды — ионоселективным электродом, кальций и магний — с применением тригонометрического метода. Для определения сульфатов использовался весовой метод, нитратов с салицилатом натрия и общий азот — по методу Кьельдаля. Концентрация фосфатов устанавливалась в растворе с молибдатом аммония.

Результаты анализов демонстрируют табл. 10.3-10.9.

Минеральная часть ТБО (табл. 10.3) содержит соединения кальция, магния, кремния, алюминия и железа. Наличие значительного количества кальция в осадках (около 50%) обусловливается технологией механического обезвоживания на вакуум-фильтрах с добавлением извести и хлорного железа.

Результаты исследования подтвердили органический характер ТБО (в них содержится более 90% органического углерода от общего его количества, а индекс отношения углерода к азоту составляет в среднем 14) и целесообразность использования их после переработки в качестве удобрений (табл. 10.4).

Зола, % сухого вещества	SiO2	Аl2О3	Fe2O3	СаО	MgO	SO3
47,8-55	8,4-12,5	6,4-11,1	3-11,1	44,1-50,4	4,6-14,2	1,8-6,4

Азот	Фосфор	Калий
1,9-3,4	0,9-2,5	0,1-0,3

Медь	Цинк	Хром	Свинец	Кадмий	Марганец	Стронций
0,3-0,4	0,2-0,6	0,1-0,26	0,03-0,06	0,01-0,003	0,05-0,13	0,1-0,2

Люминесцирующие вещества типа нефти		Фосфорорганические ядохимикаты	Хлорорганические ядохимикаты
Полярные	Неполярные
1,2-2,4	0,8-1,5	0,04-1,155	Не обнаружено

СаО	N2O	К20	Сu	Zn	Сl	SO3	Sr
0,8-5,84	0,065-0,1	0,068-0,082	0,0006-0,027	(0,75-1,5)х10-4	0,13-0,22	1,17-1,3	0,0075-0,011

Проба	Медь	Цинк	Рb	Ni	Сг	Cd
Торфяная почва (контр.) Торфяная почва + ТБО	0,018 0,036	0,009 0,04	Ниже чувствительности метода

Содержание микроэлементов и токсичных органических веществ, способных оказать токсическое действие на продукцию сельского хозяйства после внесения их в почву, приведены в табл. 10.5 и 10.6. Содержание микроэлементов (например, никель, кремний), не указанных в табл. 10.5, находится ниже чувствительности, обеспеченной методом исследования.

Важной характеристикой любого удобрения является содержание в нем водорастворимых элементов (ионы калия, натрия, кальция), которые наиболее легко усваиваются растениями и максимально подвержены процессам миграции (табл. 10.7). При этом надо учесть, что в условиях щелочной среды (рН 8—12) в водную вытяжку переходит незначительная часть этих элементов, т.е. растения, выращенные на почвах с применением удобрений ТБО, не будут их накапливать. Не попадают в водные вытяжки и микроэлементы, кроме меди и цинка. Поэтому необходимо было проверить растения, выращенные на почвах, удобренных ТБО (табл. 10.8). При внесении 20-50 т/га наблюдался двукратный прирост содержания меди и цинка, а остальных микроэлементов — за пределами чувствительности определения.

Анализируемая сельхозкультура	Медь	Цинк	Марганец	Зольность, %
Ячмень: -контроль	0,0008	0,002	0,004	2,7
-ТБО 50 т/га	0,001	0,003	0,0026	2,2
-ТБО 50 т/га +N180	0,002	0,004	0,005	5,4
-ТБО 50 т/га P120	0,002	0,003	0,002	5,7
-ТБО 50 т/га К180	0,002	0,0017	0,0035	2,2
-ТБО 50т/га N180+К180+P120	0,0007	0,004	0,003	2,5
Овес: -контроль	0,0016	0,006	0,014	4
-ТБО 10 т/га	0,0015	0,008	0,012	3,4
-ТБО 20 т/га	0,0005	0,006	0,007	2,5
Кукуруза: -контроль	0,01	0,016	0,005	10,5
-ТБО 10 т/га	0,01	0,008	0,003	10,7
-ТБО 20 т/га	0,007	0,007	0,005	10,2
Многолетние травы:
-контроль	0,005	0,004	0,003	4,1
-ТБО 10 т/га	0,004	0,003	0,003	5
-ТБО 20 т/га	—	0,005	0,003	6

Анализ выращенной продукции на почвах с применением ТБО (табл. 10.9) показал, что попавшие с удобрением в почву тяжелые металлы (даже медь и цинк) практически не попадают в растения, а по хрому и кадмию фиксировались только их следы. Не наблюдается существенная разница в содержании меди и цинка в различных видах сельхозпродукции. Это дает основания полагать, что известь, содержащаяся в осадке, препятствует миграции металлов в растения. Таким образом, можно сделать вывод, что наличие в термически высушенных осадках сточных вод достаточно органического вещества и основных питательных элементов для роста растений. Следовательно, целесообразен такой способ утилизации ТБО.